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随着半导体技术,尤其是微处理器和微型计算机技术的发展,到20世纪70年代中期以后,特别是进入20世纪80年代以来,PLC已广泛地采用16位甚至32位微处理器作为中央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能,还同时具有数据处理、PID(比例-积分-微分)调节和数据通信等功能。
可编程控制器是一种无触点设备,对用户来说,改变程序即可改变生产工艺,因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器,可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看,在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器,适合批量生产。由于这些特点,可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎,并得到迅速的发展。目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛的应用。
我国从1974年也开始研制可编程控制器,1977年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域,并涌现出大批应用可编程控制器的新型设备。掌握可编程控制器的工作原理,具备设计、调试和维护可编程控制器控制系统的能力,已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。1.2 可编程控制器的定义
国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案稿,1985年1月又发表了第二稿,1987年2月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”
定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”,是一种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机,是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机,除了能完成各种各样的控制功能外,还有与其他计算机通信联网的功能。这种工业计算机采用“面向用户的指令”,因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作,它还具有“数字量和模拟量输入输出控制”的能力,并且非常容易与“工业控制系统联成一体”,易于“扩充”。
定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境,它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
应该强调的是,可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件,并用规定的指令进行编程,能灵活地修改,即用软件方式来实现“可编程”的目的。
可编程控制器是应用面广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置。自研制成功开始使用以来,它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。1.3 可编程控制器的硬件系统
PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。1.3.1 主机系统
可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样,但其组成的一般原理基本相同,都是以微处理器为核心的结构,如图1-1所示。编程装置将用户程序送入可编程控制器,在可编程控制器运行状态下,输入模块接收到外部元件发出的输入信号,可编程控制器执行程序,并根据程序运行后的结果,由输出模块驱动外部设备。
1.中央处理单元
中央处理单元主要由微处理器CPU和存储器组成。
(1)微处理器CPU
微处理器CPU是可编程控制器的核心,相当于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接。CPU的功能有:在系统监控程序的控制下工作,通过扫描方式,将外部输入信号的状态写入输入映像寄存区域,PLC进入运行状态后,从存储器逐条读取用户指令,按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等,然后将结果送到输出映像寄存区域。
电源单元的作用是将外部电源(220V的交流电源)转换成内部工作电压。外部连接的电源,通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源,将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源(直流5V、12V、24V),并为外部输入元件(如接近开关)提供24V直流电源(仅供输入端使用),而驱动PLC负载的电源由用户提供。PLC的电源一般采用开关电源,其特点是输入电压范围宽,体积小,质量轻,效率高,抗干扰性能好。1.3.2 输入/输出扩展环节
输入/输出扩展环节是PLC输入/输出单元的扩展部件。当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时,可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连,有两种类型:简单型和智能型。简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元,对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理,依赖于主机的程序扫描过程。通常,它通过并行接口与主机通信,并安装在主机旁边,在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用。智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元,它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理,而不依赖于主机的程序扫描过程。通常,它采用串行通信接口与主机通信,可以远离主机安装,多用于大中型PLC的输入/输出扩展。1.3.3 外部设备
(1)编程器。它是编制、调试PLC用户程序的外部设备,是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中,或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪,这对调试和试运行用户程序是非常有用的。
除了上述专用的编程器外,还可以利用微机(如IBM PC),配上PLC生产厂家提供的相应的软件包来作为编程器,这种编程方式已成为PLC发展的趋势。现在,有些PLC不再提供编程器,而只提供微机编程软件,并且配有相应的通信连接电缆。
结合PLC的组成和结构分析PLC的工作原理更容易理解。PLC是采用周期循环扫描的工作方式,CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描,并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为:
(1)读输入阶段。每次扫描周期的开始,先读取输入点的当前值,然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中,CPU访问输入映像寄存器区域,而并非读取输入端口的状态,输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态,通常要求输入信号有足够的脉冲宽度,才能被响应。
(2)执行程序阶段。用户程序执行阶段,PLC按照梯形图的顺序,自左而右,自上而下的逐行扫描,在这一阶段CPU从用户程序的条指令开始执行直到后一条指令结束,程序运行结果放入输出映像寄存器区域。在此阶段,允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理,在扫描周期的各个部分,均可对中断事件进行响应。
(3)处理通信请求阶段。这是扫描周期的信息处理阶段,CPU处理从通信端口接收到的信息。
(4)执行CPU自诊断测试阶段。在此阶段,CPU检查其硬件、用户程序存储器和所有I/O模块的状态。
(5)写输出阶段。每个扫描周期的结尾,CPU把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点(写入输出锁存器中),更新输出状态。然后PLC进入下一个循环周期,重新执行输入采样阶段,周而复始。
如果程序中使用了中断,中断事件出现,立即执行中断程序,中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。
如果程序中使用了立即I/O指令,可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点值时,相应的输入映像寄存器的值未被修改;用立即I/O指令写输出点值时,相应的输出映像寄存器的值被修改。
可编程控制器用于对外部设备的控制,外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入、输出端子来进行接线,输入、输出端子的数目之和被称作PLC的输入、输出点数,简称I/O点数。
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由I/O点数的多少可将PLC分成小型、中型和大型。
小型PLC的I/O点数小于256点,以开关量控制为主,具有体积小、价格低的优点。可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合,代替继电器-接触器控制,在单机或小规模生产过程中使用。
中型PLC的I/O点数在256~1024之间,功能比较丰富,兼有开关量和模拟量的控制能力,适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。
大型PLC的I/O点数在1024点以上。用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。
(2)按结构形式分类
PLC可分为整体式结构和模块式结构两大类。
整体式是将存储器部件等组成部分集中于一体安装在印刷电路板上PLCCPU、、I/O,,并连同电源一起装在一个机壳内,形成一个整体,通常称为主机或基本单元。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。
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