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它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，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，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。
概述
可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一種具有微處理器的用于自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器，可以將控制指令隨時(shí)載入內(nèi)存進(jìn)行儲(chǔ)存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔?span id="mtdvfac" class="hrefStyle">CPU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換等功能單元組成。早期的可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來(lái)隨著不斷地發(fā)展，這些當(dāng)初功能簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模塊已經(jīng)有了包括邏輯控制、時(shí)序控制、模擬控制、多機(jī) 通信 等各類(lèi)功能，名稱也改為可編程控制器(Programmable Controller)，但是由于它的簡(jiǎn)寫(xiě)PC與個(gè)人電腦(Personal Computer)的簡(jiǎn)寫(xiě)相沖突，加上習(xí)慣的原因，人們還是經(jīng)常使用可編程邏輯控制器這一稱呼，并仍使用PLC這一縮寫(xiě)。
工業(yè)上使用的可編程邏輯控制器已經(jīng)相當(dāng)或接近于一臺(tái)緊湊型電腦的主機(jī)，其在擴(kuò)展性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)控制領(lǐng)域。不管是在計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)還是集中分散式控制系統(tǒng)DCS，或者現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS中，總是有各類(lèi)PLC控制器的大量使用。PLC的生產(chǎn)廠商很多，如西門(mén)子、施耐德、三菱、臺(tái)達(dá)等，幾乎涉及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廠商都會(huì)有其PLC產(chǎn)品提供。
基本結(jié)構(gòu)
可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本組成如圖1所示，基本構(gòu)成詳細(xì)描述如下：
電源
電源用于將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電，大部分PLC采用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。
中央處理單元
中央處理器(CPU)是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能。
中央處理器由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些都集中在一塊芯片上，通過(guò)地址總線、控制總線與存儲(chǔ)器的輸入/輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運(yùn)行用戶程序，進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，控制整個(gè)系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。
存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實(shí)現(xiàn)各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫(xiě)，并固化到只讀存儲(chǔ)器(ROM)中，用戶不能訪問(wèn)。
輸入單元
輸入單元是PLC與被控設(shè)備相連的輸入接口，是信號(hào)進(jìn)入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測(cè)元件傳來(lái)的信號(hào)。輸入的類(lèi)型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。
輸出單元
輸出單元也是PLC與被控設(shè)備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號(hào)傳送給被控設(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備的執(zhí)行元件。輸出的類(lèi)型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門(mén)輸出。
PLC除上述幾部分外，根據(jù)機(jī)型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通信。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機(jī)、盒式磁帶錄音機(jī)、計(jì)算機(jī)等。
分類(lèi)
PLC可分為以下三類(lèi):
(1)整體式PLC
整體式PLC是將電源CPU、輸入/輸出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)。
(2)模塊式PLC
模塊式PLC是將PLC各組成部分分別做成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、輸入/輸出模塊、電源模塊(有的含在CPU模塊中)以及各種功能模塊。
(3)疊裝式PLC
將整體式PLC和模塊式PLC的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，即構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC的CPU、電源、輸入/輸出接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝起來(lái)。這樣系統(tǒng)不但可以靈活配置，還可以做得體積小巧。
工作原理
當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。
輸入采樣
在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
用戶程序執(zhí)行
在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。
在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過(guò)程映像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過(guò)程映像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。
輸出刷新
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。
小結(jié)
根據(jù)上述過(guò)程的描述，可以對(duì)PLC工作過(guò)程的特點(diǎn)小結(jié)如下：
①PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，這種方式減少了外界干擾的影響。
②PLC的工作過(guò)程是循環(huán)掃描的過(guò)程，循環(huán)掃描時(shí)間的長(zhǎng)短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長(zhǎng)度等因素。
③輸出對(duì)輸入的影響有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，當(dāng)采樣階段結(jié)束后，輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個(gè)采樣周期才能被接收，因此這個(gè)滯后時(shí)間的長(zhǎng)短又主要取決于循環(huán)周期的長(zhǎng)短。此外，影響滯后時(shí)間的因素還有輸入濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間等。
④輸出映像寄存器的內(nèi)容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結(jié)果。
⑤輸出鎖存器的內(nèi)容由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。
⑥PLC當(dāng)前實(shí)際的輸出狀態(tài)由輸出鎖存器的內(nèi)容決定。
功能特點(diǎn)
(1)可靠性高。由于PLC大都采用單片微型計(jì)算機(jī)，因而集成度高，再加上相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。
(2)編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語(yǔ)句，其數(shù)量比微型機(jī)指令要少得多，除中、高檔PLC外，一般的小型PLC只有16條左右。由于梯形圖形象而簡(jiǎn)單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，就可進(jìn)行編程。
(3)組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶只需要簡(jiǎn)單地組合，便可靈活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，因此，可適用于任何控制系統(tǒng)。
(4)輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(如直流或交流、開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量或模擬量、電壓或電流等)，均有相應(yīng)的模板可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件(如按鈕、開(kāi)關(guān)、傳感電流變送器、電機(jī)啟動(dòng)器或控制閥等)直接連接，并通過(guò)總線與CPU主板連接。
(5)安裝方便。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC的安裝既不需要專用機(jī)房，也不需要嚴(yán)格的屏蔽措施。使用時(shí)只需把檢測(cè)器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的I/O接口端子正確連接，便可正常工作。
(6)運(yùn)行速度快。由于PLC的控制是由程序控制執(zhí)行的，因而不論其可靠性還是運(yùn)行速度，都是繼電器邏輯控制無(wú)法相比的。
近年來(lái)，微處理器的使用，特別是隨著單片機(jī)大量采用，大大增強(qiáng)了PLC的能力，并且使PLC與微型機(jī)控制系統(tǒng)之間的差別越來(lái)越小，特別是高檔PLC更是如此。
發(fā)展歷史
起源
1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司提出取代繼電器控制裝置的要求。1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制出了第一臺(tái)可編程控制器 PDP—14 ，在美國(guó)通用汽車(chē)公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這是第一代可編程序控制器，稱Programmable，是世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC。
1969年，美國(guó)研制出世界第一臺(tái)PDP-14
1971年，日本研制出第一臺(tái)DCS-8
1973年，德國(guó)研制出第一臺(tái)PLC
1974年，中國(guó)研制出第一臺(tái)PLC
發(fā)展
20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。
20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。
20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。
20世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。
選型規(guī)則
在可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。可編程邏輯控制器及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用可編程邏輯控制器應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)，可編程邏輯控制器的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的可編程邏輯控制器和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
點(diǎn)數(shù)估算
I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商可編程邏輯控制器的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。
存儲(chǔ)器容量
存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。
存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。
控制功能選擇
該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
1、運(yùn)算功能
簡(jiǎn)單可編程邏輯控制器的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通可編程邏輯控制器的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型可編程邏輯控制器中還有模擬量的PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開(kāi)放系統(tǒng)的出現(xiàn)，在可編程邏輯控制器中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。
2、控制功能
控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定?？删幊踢壿嬁刂破髦饕糜陧樞蜻壿嬁刂疲虼?，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高可編程邏輯控制器的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。
3、通信功能
大中型可編程邏輯控制器系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)。
可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可編程邏輯控制器通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng)1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。
可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于1Mbps，通信負(fù)荷不大于60%?？删幊踢壿嬁刂破飨到y(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式：
1）PC為主站，多臺(tái)同型號(hào)可編程邏輯控制器為從站，組成簡(jiǎn)易可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)；
2）1臺(tái)可編程邏輯控制器為主站，其他同型號(hào)可編程邏輯控制器為從站，構(gòu)成主從式可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)；
3）可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)；
4）專用可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用可編程邏輯控制器通信網(wǎng)絡(luò)）。
為減輕CPU通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線）通信處理器。
4、編程功能
離線編程方式：可編程邏輯控制器和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型可編程邏輯控制器中常采用。
五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語(yǔ)言。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC6113123），同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場(chǎng)合的控制要求。
5、診斷功能
可編程邏輯控制器的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過(guò)軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì)可編程邏輯控制器的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。
可編程邏輯控制器的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。
6、處理速度
可編程邏輯控制器采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則可編程邏輯控制器將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。
處理速度與用戶程序的長(zhǎng)度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)?？删幊踢壿嬁刂破鹘狱c(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約0.2～0.4Ls，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型可編程邏輯控制器的掃描時(shí)間不大于0.5ms/K；大中型可編程邏輯控制器的掃描時(shí)間不大于0.2ms/K。
控制器類(lèi)型
可編程邏輯控制器按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類(lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按CPU字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。
整體型可編程邏輯控制器的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型可編程邏輯控制器提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。
輸入輸出類(lèi)型
開(kāi)關(guān)量主要指開(kāi)入量和開(kāi)出量，是指一個(gè)裝置所帶的輔助點(diǎn)，譬如變壓器的溫控器所帶的繼電器的輔助點(diǎn)（變壓器超溫后變位）、閥門(mén)凸輪開(kāi)關(guān)所帶的輔助點(diǎn)（閥門(mén)開(kāi)關(guān)后變位），接觸器所帶的輔助點(diǎn)（接觸器動(dòng)作后變位）、熱繼電器（熱繼電器動(dòng)作后變位），這些點(diǎn)一般都傳給PLC或綜保裝置，電源一般是由PLC或綜保裝置提供的，自己本身不帶電源，所以叫無(wú)源接點(diǎn)，也叫PLC或綜保裝置的開(kāi)入量。
1、數(shù)字量
在時(shí)間上和數(shù)量上都是離散的物理量稱為數(shù)字量。把表示數(shù)字量的信號(hào)叫數(shù)字信號(hào)。把工作在數(shù)字信號(hào)下的電子電路叫數(shù)字電路。
例如：用電子電路記錄從自動(dòng)生產(chǎn)線上輸出的零件數(shù)目時(shí)，每送出一個(gè)零件便給電子電路一個(gè)信號(hào)，使之記1，而平時(shí)沒(méi)有零件送出時(shí)加給電子電路的信號(hào)是0，所在為記數(shù)。可見(jiàn)，零件數(shù)目這個(gè)信號(hào)無(wú)論在時(shí)間上還是在數(shù)量上都是不連續(xù)的，因此他是一個(gè)數(shù)字信號(hào)。最小的數(shù)量單位就是1個(gè)。
2、模擬量
在時(shí)間上或數(shù)值上都是連續(xù)的物理量稱為模擬量。把表示模擬量的信號(hào)叫模擬信號(hào)。把工作在模擬信號(hào)下的電子電路叫模擬電路。
例如：熱電偶在工作時(shí)輸出的電壓信號(hào)就屬于模擬信號(hào)，因?yàn)樵谌魏吻闆r下被測(cè)溫度都不可能發(fā)生突跳，所以測(cè)得的電壓信號(hào)無(wú)論在時(shí)間上還是在數(shù)量上都是連續(xù)的。而且，這個(gè)電壓信號(hào)在連續(xù)變化過(guò)程中的任何一個(gè)取值都是具體的物理意義，即表示一個(gè)相應(yīng)的溫度。
轉(zhuǎn)換原理
1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電平，形成階梯狀信號(hào)，然后進(jìn)行低通濾波。
根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的理論，數(shù)字階梯狀信號(hào)可以看作理想沖激采樣信號(hào)和矩形脈沖信號(hào)的卷積，那么由卷積定理，數(shù)字信號(hào)的頻譜就是沖激采樣信號(hào)的頻譜與矩形脈沖頻譜（即Sa函數(shù)）的乘積。這樣，用Sa函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號(hào)便可恢復(fù)為采樣信號(hào)。由采樣定理，采樣信號(hào)的頻譜經(jīng)理想低通濾波便得到原來(lái)模擬信號(hào)的頻譜。
一般實(shí)現(xiàn)時(shí)，不是直接依據(jù)這些原理，因?yàn)榧怃J的采樣信號(hào)很難獲得，因此，這兩次濾波（Sa函數(shù)和理想低通）可以合并（級(jí)聯(lián)），并且由于這各系統(tǒng)的濾波特性是物理不可實(shí)現(xiàn)的，所以在真實(shí)的系統(tǒng)中只能近似完成。
2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，是一個(gè)濾波、采樣保持和編碼的過(guò)程。
模擬信號(hào)經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號(hào)，然后通過(guò)編碼器， 使得階梯狀信號(hào)中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。
PLC控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)，即可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的系統(tǒng)。它利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）作為核心組件，通過(guò)編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各種設(shè)備和機(jī)器的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。以下是對(duì)PLC控制系統(tǒng)的詳細(xì)介紹：
一、定義與原理
PLC是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，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，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。
二、組成結(jié)構(gòu)
PLC控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：
電源：為PLC提供工作電源。
中央處理單元（CPU）：PLC的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶程序和系統(tǒng)程序。
存儲(chǔ)器：用于存放系統(tǒng)程序和用戶程序。
輸入單元：用于接收外部輸入信號(hào)，如開(kāi)關(guān)、傳感器信號(hào)等。
輸出單元：用于將處理結(jié)果輸出到外部設(shè)備，如電機(jī)、閥門(mén)等。
三、工作原理
PLC的工作原理主要包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段：
1、輸入采樣：PLC在執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，將所有輸入信號(hào)讀入輸入映像寄存器中。
2、用戶程序執(zhí)行：PLC完成掃描后，按順序從用戶程序存儲(chǔ)器中讀取程序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行。
3、輸出刷新：在執(zhí)行完用戶所有程序后，將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。
四、功能特點(diǎn)
PLC控制系統(tǒng)具有以下功能特點(diǎn)：
靈活性和可編程性：可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行編程，適應(yīng)不同的控制要求。通過(guò)修改程序，可以快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)整和改變。
可靠性和穩(wěn)定性：采用模塊化設(shè)計(jì)，具有高度可靠性和穩(wěn)定性。它能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常工作，并能夠持續(xù)運(yùn)行。
易于維護(hù)和擴(kuò)展：模塊化結(jié)構(gòu)使得維護(hù)和故障排除更加便捷。同時(shí)，它也支持系統(tǒng)的擴(kuò)展，可以根據(jù)需要添加更多的輸入輸出模塊或功能模塊。
五、應(yīng)用領(lǐng)域
PLC控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，如制造業(yè)、交通運(yùn)輸、石油化工、電力系統(tǒng)、污水處理、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。在制造業(yè)中，PLC被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線自動(dòng)化控制；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，可用于交通信號(hào)燈的控制、車(chē)站和機(jī)場(chǎng)的行李輸送系統(tǒng)控制等。
六、發(fā)展趨勢(shì)
隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)也在不斷進(jìn)步和完善。未來(lái)的PLC控制系統(tǒng)將更加注重智能化、自適應(yīng)化、開(kāi)放性和互操作性、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化以及安全性和可靠性等方面的提升。
綜上所述，PLC控制系統(tǒng)作為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要組成部分，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的技術(shù)價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，PLC控制系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
PLC編程
PLC（可編程邏輯控制器）編程是一種用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的編程技術(shù)，它通過(guò)編寫(xiě)特定的程序來(lái)控制各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。PLC編程通常應(yīng)用于制造業(yè)、過(guò)程控制、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和監(jiān)控。
PLC編程基礎(chǔ)
1、PLC結(jié)構(gòu)：
輸入模塊：接收來(lái)自傳感器、開(kāi)關(guān)等設(shè)備的信號(hào)。
中央處理器（CPU）：執(zhí)行程序邏輯。
輸出模塊：向執(zhí)行器（如電機(jī)、閥門(mén)）發(fā)送控制信號(hào)。
編程設(shè)備：用于編寫(xiě)、測(cè)試和下載程序到PLC。
2、編程語(yǔ)言：
梯形圖（Ladder Diagram, LD）：最常用的一種PLC編程語(yǔ)言，類(lèi)似于電氣控制電路的圖形表示。
功能塊圖（Function Block Diagram, FBD）：使用功能塊和連接線表示控制邏輯。
結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text, ST）：類(lèi)似于高級(jí)編程語(yǔ)言（如Pascal或C）的文本格式。
順序功能圖（Sequential Function Chart, SFC）：用于描述順序控制系統(tǒng)的圖形語(yǔ)言。
指令表（Instruction List, IL）：低級(jí)的助記符編程語(yǔ)言。
3、基本指令：
邏輯指令：如AND、OR、NOT、XOR等。
定時(shí)器指令：如通電延時(shí)定時(shí)器（TON）、斷電延時(shí)定時(shí)器（TOF）等。
計(jì)數(shù)器指令：如加計(jì)數(shù)器（CTU）、減計(jì)數(shù)器（CTD）等。
比較指令：如等于（==）、大于（>）、小于（<）等。
移動(dòng)指令：如數(shù)據(jù)傳送（MOV）、數(shù)據(jù)交換（SWAP）等。
PLC編程步驟
1、分析控制要求：明確系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能和控制邏輯。
2、選擇PLC型號(hào)：根據(jù)控制要求選擇合適的PLC型號(hào)和輸入輸出模塊。
3、設(shè)計(jì)程序：使用PLC編程軟件（如Siemens的STEP 7、Rockwell的RSLogix等）編寫(xiě)控制程序。
4、模擬測(cè)試：在編程軟件中模擬運(yùn)行程序，檢查邏輯是否正確。
5、下載程序：將編寫(xiě)好的程序下載到PLC中。
6、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試：連接實(shí)際設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和驗(yàn)證。
7、維護(hù)和優(yōu)化：定期對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和優(yōu)化，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
示例程序（梯形圖）
以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的梯形圖示例，用于控制一個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和停止：
|----[ Start ]----|----( )---- Motor_On
| |
|----[ Stop ]----|----(/)---- Motor_On
當(dāng)按下“Start”按鈕時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)（Motor_On置位）。
當(dāng)按下“Stop”按鈕時(shí)，電機(jī)停止（Motor_On復(fù)位）。
學(xué)習(xí)資源
在線課程：許多在線教育平臺(tái)（如Coursera、Udemy）提供PLC編程課程。
編程手冊(cè)：各PLC制造商通常提供詳細(xì)的編程手冊(cè)和教程。
實(shí)踐項(xiàng)目：通過(guò)參與實(shí)際項(xiàng)目或搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)。
PLC編程是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的領(lǐng)域，通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，你可以逐漸掌握這一技能并應(yīng)用于實(shí)際工作中。
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