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PLC工业自动化控制系统

来源:东成自控  日期:2016-10-07 15:14:11  点击:1122  属于:新闻资讯
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic ControllerPLC)取代传统继电器控制装置以来PLC得到了快速发展在世界各地得到了广泛应用。同时PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 
作为离散控制的首选产品PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。随着工厂自动化程度的
不断提高和PLC市场容量不断扩大近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料2004年
全球PLC的销售收入为100亿美元左右在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿继电器控制原理发展起来的二十世纪七十年代的PLC只有
开关量逻辑控制首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令并通过数字输入和输出操作来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器在程序运行过程中每执行一步该计数器自动加1程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令)然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC循环扫描
周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程在解算逻辑方面表现出快速的优点在微秒量级解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 
相同I/O点数的系统用PLC比用DCS其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站它用的软件和硬件都是通用的所以维护成本比
DCS要低很多。一个PLC的控制器可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少采用PLC较为合适。PLC
由于采用通用监控软件在设计企业的管理信息系统方面要容易一些。 近10年来随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大越来越多的
中小设备开始采用PLC进行控制PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。 
什么是PLC? 
它是一种即时系统有别于个人电脑传统式以继电器为主的电机控制系统中,每当变更设计时,整个系统几乎都要重新制作,不但费时又费力同时由于继电器还有接点接触不良、磨损、体积大之缺点,因此造成成本升高、可靠性低、不
易检修等问题.为了改善这些缺点,美国DEC在1969年首度发表可程式控制器(Programmable Controller). 
程式控制器在发表初期被称为(Programmable Logic-Controller)简称PLC,最先的目的是取代继电器,执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主,所以也称顺序控制器,其结构也像一部微电脑,所以也可称为微电脑可程式控制器(MCPC),直到1976年,美国电机制造协会正式给予命名为Programmable 
Controller,即可程式控制器,简称PC,由于目前个人电脑(Personal Computer极为普遍,加上常与可程式控制器配合使用,为了区分两者,所以一般都称可程式控制器为PLC以加区别.目前市面上PLC种类繁多,依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异,但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型而一般工厂及学校通常使用小型PLC,其中以日系MITSUBISHI三菱F系列及我国士林电机
所生产之A系列PLC较受国人喜爱.而本CAI将以三菱FX2 PLC为主加以介绍,望使用者能对PLC有更深的了解,在使用PLC时能更得心应手.可编程控制器内
部基本结构可用下图来表示,其内部处单元包括CPU、输入模组、输出模组三大部门,PLC的CPU会经由输入模组取得输入元件所产生的讯号,再从记忆体中逐
一取出原先以程式书写器中输入的控制指令,经由运算部门逻辑演算后,再将结果过输出模块加以驱动外在的输出元件. 
PLC内部结构图 
程式输入装置负责提供操作者输入、修改程式的功能 
中央处理单元(CPU)负责PLC管理、执行、运算、控制等功能. 
程式记忆体负责储存使用者设计的顺序程式参数及注解等. 
资料记忆体负责储存输入、输出装置的状态及顺序程式的转换资料. 
系统记忆体储存PLC执行顺序控制所需的系统程式. 
输入回路负责接收外部输入元件信号. 
输出回路负责接收外部输出元件信号. 
在工业用途非常广泛,如半导体晶圆厂的各种自动化设备的控制大楼电梯机械停车设备路边的红绿灯变换控制自动化生产线 
PLC的基本结构 
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算
机相同. 
a.中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据检查电源、存储器、I/O以及警戒
定时器的状态并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据并分别存入I/O映象区然
后从用户程序存储器中逐条读取用户程序经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执
行完毕之后最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置如此循环运行直到停止运行。 
为了进一步提高PLC的可*性近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU的表决式系统。这样即使某个CPU出现故障整个系统仍
能正常运行。 
b、存储器 
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 
C、电源 
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分
重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 
PLC的工作原理 
一.扫描技术 
当PLC投入运行后其工作过程一般分为三个阶段即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运
行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 
(一)输入采样阶段
在输入采样阶段PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后转入用户程序执行
和输出刷新阶段。在这两个阶段中即使输入状态和数据发生变化I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此如果输入是脉冲信号则该
脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期才能保证在任何情况下该输入均能被读入。 
(二)用户程序执行阶段 
在用户程序执行阶段PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控
制线路并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算然后根据逻辑运算的结果刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态或者确定是否要执
行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即在用户程序执行过程中只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化而且排在上面的梯形图其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用相反排在下面的梯形图其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 
(三)输出刷新阶段 
当扫描用户程序结束后PLC就进入输出刷新阶段。在此期间CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路再经输出电路驱动
相应的外设。这时才是PLC的真正输出。 同样的若干条梯形图其排列次序不同执行的结果也不同。另外采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略,那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等如下图所示即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的
总和。 
PLC的应用领域 
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业使用情况大致可
归纳为如下几类。 
开关量的逻辑控制 
这是PLC最基本、最广泛的应用领域它取代传统的继电器电路实现逻辑控制、顺序控制既可用于单台设备的控制也可用于多机群控及自动化流
水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 
模拟量控制 
在工业生产过程当中有许多连续变化的量如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块使可编程控制器用于模拟量控制。 
运动控制 
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构现在一般使用专用的运动
控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能广泛用于各种机械、机床、机
器人、电梯等场合。 
过程控制 
 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机PLC能编制各种各样的控制算法程序完成闭环控制。PID调节是一般闭
环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。