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西門子S7-300數(shù)字量DI/DO模塊
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什么是PLC,，可編程序控制器的定義
可編程序控制器，英文稱Programmable Controller,，簡稱PC,。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫,。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置,，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器,，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算,、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令,，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入,、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程,。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低,、功耗高,、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn),，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣,，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識(shí),，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式,，使用戶程序編制形象、直觀,、方便易學(xué),；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購到所需的PLC后,，只需按說明書的提示,，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。
可編程序控制器一直在發(fā)展中,，所以至今尚未對其下后的定義,。電工學(xué)會(huì)（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2發(fā)布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案的,，二,，三稿。
在第三稿中,，對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng),，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器,，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算,、順序控制、定時(shí),、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出,，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程,。可編程序控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備,，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體,、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。
定義強(qiáng)調(diào)了PLC是：1 數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)——也是一種計(jì)算機(jī)
2 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)
3 面向用戶指令——編程方便
4 邏輯運(yùn)算,、順序控制,、定時(shí)計(jì)算和算術(shù)操作
5 數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制
6 易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體
7 易于擴(kuò)充
可編程序控制器(PLC)的特點(diǎn)
為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較,，PLC機(jī)有以下特點(diǎn)：
1. 可靠性高,，抗干擾能力強(qiáng)
工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性要求：
①平均故障間隔時(shí)間長
②故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）短
任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障，通常為兩種：
①偶發(fā)性故障,。由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾,、超高溫、超低溫,、過電壓,、欠電壓、振動(dòng)等引起的故障,。這類故障,，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常,，系統(tǒng)也隨之恢復(fù)正常,。但對PLC而言,，受外界影響后，內(nèi)部存儲(chǔ)的信息可能被破壞,。
②性故障,。由于元器件不可恢復(fù)的破壞而引起的故障。
如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件,，如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在范圍,，使PLC在惡劣條件消失后自動(dòng)恢復(fù)正常，這樣就能提高平均故障間隔時(shí)間,；如果能在PLC上增加一些診斷措施和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)手段,，在性故障出現(xiàn)時(shí)，能很快查出故障發(fā)生點(diǎn),，并將故障限制在局部，就能降低PLC的平均修復(fù)時(shí)間,。為此,，各PLC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強(qiáng)的自診斷能力,，能及時(shí)給出出錯(cuò)信息,，停止運(yùn)行等待修復(fù)外，還使PLC具有了很強(qiáng)的抗干擾能力,。
·硬件措施：
主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器完成,，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)和信號調(diào)理電路,。
① 屏蔽——對電源變壓器、CPU,、編程器等主要部件,，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽,，以防外界干擾,。
② 濾波——對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或π型濾波網(wǎng)絡(luò),，以消除或高頻干擾,，也削弱了各種模塊之間的相互影響。
③ 電源調(diào)整與保護(hù)——對微處理器這個(gè)核心部件所需的+5V電源,，采用多級濾波,，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓,、欠電壓的影響,。
④ 隔離——在微處理器與I/O電路之間,，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間電的聯(lián)系,，減少故障和誤動(dòng)作,；各I/O口之間亦彼此隔離。
⑤ 采用模塊式結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù),。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障,，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作,；同時(shí)也有助于加快查找故障原因,。
·軟件措施：
有*的自檢及保護(hù)功能。
①故障檢測——軟件定期地檢測外界環(huán)境,，如掉電,、欠電壓、鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號等,。以便及時(shí)進(jìn)行處理,。
②信息保護(hù)與恢復(fù)——當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞PLC內(nèi)部的信息,。一旦故障條件消失,，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的程序工作,。所以,，PLC在檢測到故障條件時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲(chǔ)器,，軟件配合對存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉,，禁止對存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)信息被沖掉,。
③設(shè)置警戒時(shí)鐘WDT（看門狗）——如果程序每循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了WDT規(guī)定的時(shí)間,，預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警,。
④加強(qiáng)對程序的檢查和校驗(yàn)——一旦程序有錯(cuò),，立即報(bào)警，并停止執(zhí)行,。
⑤對程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備——停電后,，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會(huì)丟失,。
PLC的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目中,，有一項(xiàng)就是抗干擾試驗(yàn)。它要求能承受幅值為1000V,，上升時(shí)間1nS,，脈沖寬度為1μS的干擾脈沖,。一般，平均故障間隔時(shí)間可達(dá)幾十萬～上千萬小時(shí),；制成系統(tǒng)亦可達(dá)4～5萬小時(shí)甚至更長時(shí)間,。
2 .通用性強(qiáng)，控制程序可變,，使用方便
PLC品種齊全的各種硬件裝置,，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置,。用戶在硬件確定以后,，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備,，只需改編程序就可以滿足要求,。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外,，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用,。
3.功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣
現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算,、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù),、順序控制等功能,，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動(dòng),、通信,、人機(jī)對話、自檢,、記錄顯示等功能,。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線,，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程,。
4.編程簡單，容易掌握
目前,，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”,。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平,，所以非常容易接受和掌握,。梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓(xùn),，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序,。同時(shí)還提供了功能圖,、語句表等編程語言。
PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí),，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）,。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些,，但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說,，是微不足道的，*可以滿足控制要求,。
5.減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量
由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器,、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件,，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少,。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試,，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量,。并且，由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能,，模塊化等等,，使維修也極為方便。
6.體積小,、重量輕,、功耗低、維護(hù)方便
PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品,，其結(jié)構(gòu)緊湊,，堅(jiān)固，體積小,，重量輕,，功耗低。并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力,，易于裝入設(shè)備內(nèi)部,，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。以慶惜公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305×110×110mm,，重量2.3kg,，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振,、適應(yīng)環(huán)境溫,、濕度變化的能力。現(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC,，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%,，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活,，輸入輸出可達(dá)24～128點(diǎn)。
可編程序控制器PLC的應(yīng)用范圍
目前,，在國內(nèi)外PLC已廣泛應(yīng)用冶金,、石油、化工,、建材,、機(jī)械制造、電力,、汽車,、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè),，隨著PLC性能價(jià)格比的不斷提高,，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從應(yīng)用類型看,，PLC的應(yīng)用大致可歸納為以下幾個(gè)方面：
1.開關(guān)量邏輯控制
利用PLC基本的邏輯運(yùn)算,、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能實(shí)現(xiàn)邏輯控制,，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制,，用于單機(jī)控制、多機(jī)群控制,、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等,，例如：機(jī)床、注塑機(jī),、印刷機(jī)械,、裝配生產(chǎn)線,、電鍍流水線及電梯的控制等,。這是PLC基本的應(yīng)用，也是PLC廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,。
2.運(yùn)動(dòng)控制
大多數(shù)PLC都有拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊,。這一功能廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備，如對各種機(jī)床,、裝配機(jī)械,、機(jī)器人等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。
3.過程控制
大,、中型PLC都具有多路模擬量I/O模塊和PID控制功能,，有的小型PLC也具有模擬量輸入輸出。所以PLC可實(shí)現(xiàn)模擬量控制,，而且具有PID控制功能的PLC可構(gòu)成閉環(huán)控制,，用于過程控制,。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應(yīng)堆,、水處理,、釀酒以及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。
4.數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代的PLC都具有數(shù)學(xué)運(yùn)算,、數(shù)據(jù)傳送,、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能,，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,、分析和處理，同時(shí)可通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其它智能裝置,，如計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）設(shè)備,，進(jìn)行處理。
5.通信聯(lián)網(wǎng)
PLC的通信包括PLC與PLC,、PLC與上位計(jì)算機(jī),、PLC與其它智能設(shè)備之間的通信，PLC系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)可直接或通過通信處理單元,、通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),，以實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理,、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng),，滿足工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要
可編程序控制器PLC的分類
PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同,。對PLC的分類,，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類,。
1．按結(jié)構(gòu)形式分類
根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式,，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。
（1）整體式PLC 整體式PLC是將電源,、CPU,、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊,、體積小,、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu),。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成,。基本單元內(nèi)有CPU、I/O接口,、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口,，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等,，沒有CPU,。基本單元和擴(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接,。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元,，如模擬量單元、位置控制單元等,，使其功能得以擴(kuò)展,。