可编程控制器在控制中的应用

 可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制 系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。
    　　PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的 能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
    　　自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑 控制或顺序控制。至今，在PLC的编程语言——梯形图中还可以看到这些布线的影子。直到60年代末、70年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，PLC产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，终使早期的PLC从初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
    一、可编程控制器的主要功能
    　　PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造 系统(CIMS)内占重要地位。的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。
    　　PLC系统一般由以下基本功能构成：
    • 多种控制功能
    • 数据采集、存储与处理功能
    • 通信联网功能
    • 输入/输出接口调理功能
    • 人机界面功能
    • 编程、调试功能
    1、控制功能
    逻辑控制：PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。
    　　定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、关断延时和定 时脉冲等方式。
    　　计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。
    　　顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
    2、数据采集、存储与处理功能
    数学运算功能：
    　　基本算术：加、减、乘、除。
    　　扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。
    　　比较：大于、小于和等于。
    　　数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。
    　　模拟数据处理：PID、积分和滤波。
    3、输入/输出接口调理功能
    具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用 户要求选择。
    　　具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。
    4、通信、联网功能
    现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
    　　通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门 子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。
    　　在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
    5、人机界面功能
    提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。
    　　实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和 用通信处理器、处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
    6、编程、调试等
    使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视 、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
    二、可编程控制器的主要特点
    1、可靠性高
    PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而 且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。
    2、模块化组合灵活
    可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。I/O从8～8192点， 有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。
    3、功能强
    PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。基本 型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。
    4、编程方便
    PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程，不需要太多 的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机 上编程。
    5、适应工业环境
    PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境 下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。
    6、安装、维修简单
    与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在短的时间内查出故障，并排除，大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。
    　　一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温 下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。
    7、运行速度快
    随着微处理器的应用，使PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它 与微型计算机之间的差别不是很明显。
    8、总价格低
    PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各 厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
    　　PLC系统与工业总线计算机和DCS系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而发展。促进了工业的 进步。
    　　PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需要。
    三、PLC的通信及联网
    PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。
    　　以西门子公司的SIMATIC NET为例，在其提出的全集成自动化(TIA)的系统概念中，核心内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。通信网络是这个系统重要的、关键的组件，提供了部件和网络间完善的工业通信。
    　　SIMATIC NET包含了三个主要层次：
    　　AS-I网——传感器和执行器通信的标准，扫描时间5ms，传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长度为300m，多为31个从站。
    　　PROFIBUS——工业现场总线，用于车间级和现场级的标准，传输率大12m/s，传输媒体为屏蔽双线电缆(长9.6km)或光缆(长90km)，多可接127个从站。
    　　工业以太网——用于区域和单元联网的标准，网络规模可达1024站1.5km(电气网络)或200km(光学网络)。
    　　在这一网络体系中，尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线，PROFIBUS是目前成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口-交换信息。为数众多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择合适的产品。PROFIBUS已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准pr EN50170，并在世界拥有了多的用户数量。
    四、PLC与工业控制计算机(IPC)和集散控制系统(DCS)的比较
    1、各自技术发展的起源
    计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。
    　　集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。
    　　PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。
    　　近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。
    　　PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。
    2、相同点
    在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。
    3、区别点
    由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具。实际上的区别继续存在。
    　　PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。
    　　特别提出的是与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。
    　　总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有什么控制器完善，也没有哪种产品差，只能说选择更适用的产品。