siemens x
PLC

可編程邏輯控制器PLC入門知識要點

2025China.cn   2012年10月08日

        可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC),它采用一類可編程的存儲器,用于其內(nèi)部存儲程序,執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
基本結(jié)構(gòu)
        可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同,基本構(gòu)成為:
        一、電源
        可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的,因此,可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi),可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。
        二、中央處理單元(CPU)
        中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài),并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行時,首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入I/O映象區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后,最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運行,直到停止運行。
        為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性,近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣,即使某個CPU出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)仍能正常運行。
        三、存儲器
        存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
        存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
        四、輸入輸出接口電路
        1.現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路,作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。
        2.現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成,作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。
        五、功能模塊
        如計數(shù)、定位等功能模塊。
        六、通信模塊
工作原理

        當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行后,其工作過程一般分為三個階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間,可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。
        一、輸入采樣階段
        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)也不會改變。因此,如果輸入是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。
        二、用戶程序執(zhí)行階段
        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,又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路,并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算,然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果,刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(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)行過程中,只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化,而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(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)果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

[DividePage:NextPage]

    在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話,輸入過程影像寄存器的值不會被更新,程序直接從I/O模塊取值,輸出過程影像寄存器會被立即更新,這跟立即輸入有些區(qū)別。
        三、輸出刷新階段
        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)動相應(yīng)的外設(shè)。這時,才是可編程邏輯控制器的真正輸出。
功能特點
        可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。
        一、系統(tǒng)構(gòu)成靈活,擴(kuò)展容易,以開關(guān)量控制為其特長;也能進(jìn)行連續(xù)過程的PID回路控制;并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng),如DDC和DCS等,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。
        二、使用方便,編程簡單,采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言,而無需計算機(jī)知識,因此系統(tǒng)開發(fā)周期短,現(xiàn)場調(diào)試容易。另外,可在線修改程序,改變控制方案而不拆動硬件。
        三、能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境,抗干擾能力強,可靠性強,遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。
選型規(guī)則
        在可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計時,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)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)??删幊踢壿嬁刂破骷坝嘘P(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)域有投運業(yè)績、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)的編程語言有利于縮短編程時間,因此,工程設(shè)計選型和估算時,應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求,明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作,然后根據(jù)控制要求,估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、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格比的可編程邏輯控制器和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
        一、輸入輸出(I/O)點數(shù)的估算
        I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?,通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù),再增加10%~20%的可擴(kuò)展余量后,作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時,還需根據(jù)制造廠商可編程邏輯控制器的產(chǎn)品特點,對輸入輸出點數(shù)進(jìn)行圓整。
        二、存儲器容量的估算
        存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小,程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小,因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段,由于用戶應(yīng)用程序還未編制,因此,程序容量在設(shè)計階段是未知的,需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算,通常采用存儲器容量的估算來替代。   存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式,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點數(shù)的10~15倍,加上模擬I/O點數(shù)的100倍,以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)(16位為一個字),另外再按此數(shù)的25%考慮余量。
        三、控制功能的選擇
        該選擇包括運算功能、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、運算功能
        簡單可編程邏輯控制器的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能;普通可編程邏輯控制器的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能;較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、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運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn),目前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)計選型時應(yīng)從實際應(yīng)用的要求出發(fā),合理選用所需的運算功能。大多數(shù)應(yīng)用場合,只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能,有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較,當(dāng)用于模擬量檢測和控制時,才使用代數(shù)運算,數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。

[DividePage:NextPage]

    2、控制功能
        控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等,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)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制,有時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)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?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)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議(如TCP/IP),需要時應(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)符合國際標(biāo)準(zhǔn),通信距離應(yīng)滿足裝置實際要求。
        可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中,上級的網(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,多臺同型號可編程邏輯控制器為從站,組成簡易可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò);
        2)、1臺可編程邏輯控制器為主站,其他同型號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)組成的實際需要,應(yīng)選擇具有不同通信功能的(如點對點、現(xiàn)場總線、)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CPU,編程器在編程模式時,CPU只為編程器提供服務(wù),不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后,編程器切換到運行模式,CPU對現(xiàn)場設(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)場控制,并在一個掃描周期內(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)化編程語言:順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語言和語句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)(IEC6113123),同時,還應(yīng)支持多種語言編程形式,如C,Basic等,以滿足特殊控制場合的控制要求。
    
    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。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷,通過軟件對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弱,直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求,并影響平均維修時間。
        6、處理速度
        可編程邏輯控制器采用掃描方式工作。從實時性要求來看,處理速度應(yīng)越快越好,如果信號持續(xù)時間小于掃描時間,則可編程邏輯控制器將掃描不到該信號,造成信號數(shù)據(jù)的丟失。
        處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前,可編程邏輯控制器接點的響應(yīng)快、速度高,每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時間約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間不大于0.5ms/K;大中型可編程邏輯控制器的掃描時間不大于0.2ms/K。
        四、可編程邏輯控制器的類型
        可編程邏輯控制器按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類,按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類;按CPU字長分為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數(shù)選型。   整體型可編程邏輯控制器的I/O點數(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點數(shù),功能擴(kuò)展方便靈活,一般用于大中型控制系統(tǒng)。

(轉(zhuǎn)載)

標(biāo)簽:PLC基本結(jié)構(gòu) PLC選型規(guī)則 PLC工作原理 我要反饋 
2024世界人工智能大會專題
即刻點擊并下載ABB資料,好禮贏不停~
優(yōu)傲機(jī)器人下載中心
西克
2024全景工博會
專題報道