什么是PLC

【摘要】本文主要介紹了PLC的特點及應用領域，回顧了PLC的國內外發(fā)展狀況，并就PLC的未來作出展望。

作為通用工業(yè)控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。

1. 可編程控制器的定義

可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：

“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計�！�

2. PLC的特點

2.1可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。

2.2配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

2.3易學易用，深受工程技術人員歡迎
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。

2.4系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。

2.5體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

3. PLC的應用領域

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。

3.1開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

3.2模擬量控制
在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

3.3運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

3.4過程控制
過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

3.5數據處理
現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

3.6通信及聯網
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

4. PLC的國內外狀況

世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。

20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。

20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。

我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家�？梢灶A期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。

5. PLC未來展望

21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。
 

1 PLC基礎知識

1.1　PLC的發(fā)展歷程
　　
在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。
　　
個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。
　　
上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
　　
PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。

1.2　PLC的構成
　　
從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

1.3　CPU的構成

CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。
　　
CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。
在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。
　　
CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。

1.4　I/O模塊
　　
PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。
　　
常用的I/O分類如下：
　　
開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。

模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
　　
除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。
　　
按I/O點數確定模塊規(guī)格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。

1.5　電源模塊
　　
PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。

1.6 底板或機架

大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。

1.7 PLC系統(tǒng)的其它設備

1.7.1 編程設備：編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機。

1.7.2　人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。

1.8　PLC的通信聯網
　　
依靠先進的工業(yè)網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網絡就是控制器"的觀點說法。
PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現在主要采用通過多點接口（MPI）的數據通訊、PROFIBUS 或工業(yè)以太網進行聯網。

2 PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則

2.1 最大限度的滿足被控對象的控制要求。

2.2 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用和維護方便。

2.3 保證控制系統(tǒng)安全可靠。

2.4 考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進在選擇PLC容量時應適當留有余量。

3 PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言

3.1　PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機、將程序語言翻譯成機器語言，診斷機器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預。用戶程序是用戶根據現場控制要求，用PLC的程序語言編制的應用程序（也就是邏輯控制）用來實現各種控制。STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包，也就是用戶程序，我們就是使用STEP7來進行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序執(zhí)行結果的在線監(jiān)視。

3.2　PLC提供的編程語言

3.2.1　標準語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點

3.2.1.1　它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯等術語和一些圖形符號構成，左右的豎線稱為左右母線。

3.2.1.2　梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC輸入點接的開關也可以是PLC內部繼電器的接點或內部寄存器、計數器等的狀態(tài)。

3.2.1.3　梯形圖中的接點可以任意串、并聯，但線圈只能并聯不能串聯。

3.2.1.4　內部繼電器、計數器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU內部使用。

3.2.1.5　PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當做條件使用。

3.2.2　語句表語言，類似于匯編語言。

3.2.3　邏輯功能圖語言，沿用半導體邏輯框圖來表達，一般一個運算框表示一個功能左邊畫輸入、右邊畫輸出。

4　STEP7程序的使用

4.1　創(chuàng)建一個項目結構，項目就象一個文件夾，所有數據都以分層的結構存在于其中，任何時候你都可以使用。在創(chuàng)建一個項目之后，所有其他任務都在這個項目下執(zhí)行。

4.2　組態(tài)一個站，組態(tài)一個站就是指定你要使用的可編程控制器，例如S7300、S7400等。

4.3　組態(tài)硬件，組態(tài)硬件就是在組態(tài)表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用戶程序中以什么樣的地址來訪問這些模板，地址一般不用修改由程序自動生成。模板的特性也可以用參數進行賦值。

4.4　組態(tài)網絡和通訊連接，通訊的基礎是預先組態(tài)網絡，也就是要創(chuàng)建一個滿足你的控制方案的子網，設置網絡特性、設置網絡連接特性以及任何聯網的站所需要的連接。網絡地址也是程序自動生成如果沒有更改經驗一定不要修改。

4.5　定義符號，可以在符號表中定義局部或共享符號，在你的用戶程序中用這些更具描述性的符號名替代絕對地址。符號的命名一般用字母編寫不超過8個字節(jié)，最好不要使用很長的漢字進行描述，否則對程序的執(zhí)行有很大的影響。

4.6　創(chuàng)建程序，用梯形圖編程語言創(chuàng)建一個與模板相連結或與模板無關的程序并存儲。創(chuàng)建程序是我們控制工程的重要工作之一，一般可以采用線形編程（基于一個塊內，OB1）、分布編程（編寫功能塊FB,OB1組織調用）、結構化編程（編寫通用塊）。我們最常采用的是結構化編程和分布編程配合使用，很少采用線形編程。

4.7　下載程序到可編程控制器，完成所有的組態(tài)、參數賦值和編程任務之后，可以下載整個用戶程序到可編程控制器。在下載程序時可編程控制器必須在允許下載的工作模式下（STOP或RUN-P）, RUN-P模式表示，這個程序將一次下載一個塊，如果重寫一個舊的CPU程序就可能出現沖突，所以一般在下載前將CPU切換到STOP模式。

5　WINCC程序的使用

5.1　簡介，WINCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術中性系統(tǒng)。具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機的操作監(jiān)視系統(tǒng)，它很容易結合標準的和用戶的程序建立人機界面精確的滿足生產實際要求。WINCC有兩個版本RC版（具有組態(tài)和開發(fā)環(huán)境）、RT版（只有運行環(huán)境），我們一般使用的是RC版。

5.2　WINCC簡單使用步驟

5.2.1　變量管理，首先確定通訊方式安裝驅動程序，然后定義內部變量和外部變量，外部變量是受你買的WINCC軟件授權限制的最大授權64K字節(jié)，內部變量沒有限制。

5.2.2　畫面生成，進入圖形編輯器，圖形編輯器是一種用于創(chuàng)建過程畫面的面向矢量的作圖程序。也可以使用包含在對象和樣式庫中的眾多的圖形對象來創(chuàng)建復雜的過程畫面�？梢酝ㄟ^動作編程將動態(tài)添加到單個圖形對象上。

5.2.3　報警記錄設置，報警記錄提供了顯示和操作選項來獲取和歸檔結果。可以任意地選擇消息塊、消息級別、消息類型、消息顯示以及報表。為了在運行中顯示消息，可以使用包含在圖形編輯器中的對象庫中的報警控件。

 

5.2.4　變量記錄，變量記錄是用來從運行過程中采集數據并準備將它們顯示和歸檔。

5.2.5　報表組態(tài)，報表組態(tài)是通過報表編輯器來實現的。是為消息、操作、歸檔內容和當前或已歸檔的數據定時器或事件控制文檔的集成的報表系統(tǒng)，可以自由選擇用戶報表的形式。

5.2.6　全局腳本的應用，全局腳本就是C語言函數和動作的通稱，根據不同的類型腳本被用于給對象組態(tài)動作并通過系統(tǒng)內部C語言編譯器來處理。全局腳本動作用于過程執(zhí)行的運行中。一個觸發(fā)可以開始這些動作的執(zhí)行。

5.2.7　用戶管理器設置，用戶管理器用于分配和控制用戶的單個組態(tài)和運行系統(tǒng)編輯器的訪問權限。每建立一個用戶，就設置了WINCC功能的訪問權利并獨立的分配給此用戶。至多可分配999個不同的授權。

5.2.8　交叉表索引，交叉索引用于為對象尋找和顯示所有使用處，例如變量、畫面和函數等。使用“鏈接”功能可以改變變量名稱而不會導致組態(tài)不一致。
參考文獻
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