鄭州繼飛機電設(shè)備有限公司

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可編程控制器基礎(chǔ)自動化控制柜

1.0 可編程控制器概述

可編程控制器（programmable controller）為了與個人計算機（PC）加以區(qū)分，又簡稱為PLC（Programmable Logic Controller）。

1987年國際電工委會（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(yīng)用而設(shè)計的數(shù)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)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(shè)計。”

1.可編程控制器的由來

在市場經(jīng)濟中，成本與效率成了制造業(yè)的追求。為了適應(yīng)市場的需求，工業(yè)控制產(chǎn)品的更新?lián)Q代已經(jīng)勢在必行。在20世紀60年代，用于制造業(yè)的生產(chǎn)流水線主要是采用繼電器控制，但產(chǎn)品不是一成不變的，需要更改工藝或流程。這樣，修改一條生產(chǎn)線要更換大量的硬件和進行復(fù)雜的線路的改接，在一定程序上浪費了硬件、延長了施工周期、增加了成本。于是人們試圖研制一種新型的通用控制設(shè)備。1968年，美國通用汽車公司（GM）以客戶的名義對外提出了10項招標指標：

1. 編程方便，可在現(xiàn)場修改程序；

　　2. 維修方便，hao是插件式；

　　3. 可靠性高于繼電器控制柜；

　　4. 體積小于繼電器控制柜；

　　5. 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；

　　6. 在成本上可與繼電器控制競爭；

　　7. 輸入可以是交流115V；

　　8. 輸出為交流115V/2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥；

　　9. 系統(tǒng)在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更；

10. 用戶程序存儲容量至少能擴展到4K字節(jié)。

美國數(shù)字設(shè)備（DEC）公司中標，于1969年美國數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界上第yi臺可編程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽車自動裝配線上使用并獲得成功。接著美國MODICON公司也研制出084控制，從此，這項新技術(shù)迅速在世界各國得到推廣應(yīng)用。1971年日本從美國引進這項技術(shù)，很快研制出第yi臺可編程序控制器DSC-18。1973年西歐國家也研制出他們的第yi臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。

2.PLC的應(yīng)用領(lǐng)域自動化控制柜

　目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)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)，控制方式大致可歸納為如下幾類：

①開關(guān)量的邏輯控制

　　這是PLC基本、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。

②模擬量控制

　　在工業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

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(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)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(chǎn)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。

④過程控制自動化控制柜

　　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(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，維修自動化控制柜，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(yīng)用。

⑤數(shù)據(jù)處理

　　現(xiàn)代PLC具有運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)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?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)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)。

⑤通信及聯(lián)網(wǎng)自動化控制柜

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，設(shè)計自動化控制柜，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3. PLC的構(gòu)成

　　從結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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 CPU的構(gòu)成

CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中shu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(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)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(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。

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(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其da數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，河南自動化控制柜，即受da的底板或機架槽數(shù)限制。

③電源模塊自動化控制柜

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）。

　?、艿装寤驒C架自動化控制柜

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

1 ． PLC 型號的選擇

在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細了解被控對象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進行控制。在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等） 、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進行 數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準備實現(xiàn)工廠自動化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，國內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以權(quán)衡利弊、合理地選擇機型才能達到經(jīng)濟實用的目的。一般選擇機型要 以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費。機型的選擇可從以下幾個方面來 考慮。

（ 1 ）對輸入 / 輸出點的選擇 盲目選擇點數(shù)多的機型會造成一定浪費。 要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點數(shù)，再按實際所需總點數(shù)的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC的點數(shù)。 另外要注意，一些高密度輸入點的模塊對同時接通的輸入點數(shù)有限制，一般同時接通的輸入點不得超過總輸入點的60 ％； PLC每個輸出點的驅(qū)動能力 （ A/ 點）也是有限的，有的 PLC 其每點輸出電流的大小還隨所加負載電壓的不同而異； 一般PLC

的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時要考慮這些問題。PLC 的輸出點可分為共點式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級，但這種 PLC平均每點的價格較高。如果輸出信號之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。

（ 2 ）對存儲容量的選擇 對用戶存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開關(guān)量進行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點數(shù)乘 10 字 / 點＋輸出總點數(shù) 乘 5 字 / 點來估算；計數(shù)器 / 定時器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個估算；有運算處理時按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸 入 / 輸出的系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲容量來估算；有通信處理時 按每個接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。后，一般按估算容量的 50 ～ 100 ％留有裕量。對缺乏經(jīng)驗的設(shè)計者，選擇容量時留有裕 量要大些。 （ 3 ）對 I/O 響應(yīng)時間的選擇PLC 的 I/O 響應(yīng)時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在 2 ～ 3 個掃描周期）等。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)， PLC 和 I/O 響應(yīng)時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個問題。 （ 4 ）根據(jù)輸出負載的特點選型不同的負載對 PLC的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC有許多優(yōu)點，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活 （可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的PLC。

（ 5 ）對在線和離線編程的選擇

離線編程示指主機和編程器共用一個 CPU ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 PLC 的編程、監(jiān)控和運行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對現(xiàn)場進行控制。專用編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機和編程器各有一個 CPU ， 主機的 CPU 完成對現(xiàn)場的控制，在每一個掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機，在下一個掃描周期主機將 按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場進行控制。計算機輔助編程既能實現(xiàn)離線編程，也能實現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計算機，并配 置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。

（ 6 ）據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型

若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC 、上位計算機及CRT 等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。

（ 7 ）對 PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊） ，容易判斷故障等優(yōu)點，要按實際需要選擇 PLC的結(jié)構(gòu)形式。 2 ．分配輸入 / 輸出點 一般輸入點和輸入信號、輸出點和輸出控制是一一對應(yīng)的。 分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進行編號。 在個別情況下，也有兩個信號用一個輸入點的，那樣就應(yīng)在接入輸入點前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個觸點先串聯(lián)或 并聯(lián)），然后再接到輸入點。 （ 1 ）確定 I/O 通道范圍不同型號的 PLC ，其輸入 / 輸出通道的范圍是不一樣的，應(yīng)根據(jù)所選 PLC型號，查閱相應(yīng)的編程手冊，決不可 “張冠李戴 ”。必須參閱有關(guān)操作手冊。 （ 2 ）部輔助繼電器 內(nèi)部輔助繼電器不對外輸出，不能直接連接外部器件，而是在控制其他繼電器、定時器 / 計數(shù)器時作數(shù)據(jù)存儲或數(shù)據(jù) 處理用。 從功能上講，內(nèi)部輔助繼電器相當于傳統(tǒng)電控柜中的中間繼電器。 未分配模塊的輸入 / 輸出繼電器區(qū)以及未使用 1 ： 1 鏈接時的鏈接繼電器區(qū)等均可作為內(nèi)部輔助繼電器使用。根據(jù)程序設(shè)計的需要，應(yīng)合理安排 PLC 的內(nèi)部輔助繼電器

PLC的容量包括I／O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。

(一)I／O點數(shù)的選擇

PLC平均的I／O點的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I／O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I／O點少，但必須留有一定的裕量。

通常I／O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10％~15％的裕量來確定。

(二) 存儲容量的選擇

用戶程序所需的存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差25％之多，所以對于初學(xué)者應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。

PLC的I／O點數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在I／O點數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，批發(fā)自動化控制柜，再加20％~30％的裕量。

存儲容量（字節(jié)）＝開關(guān)量I／O點數(shù)×10 ＋ 模擬量I／O通道數(shù)×100

另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。

PLCI/O模塊的選擇步驟與原則

一般I／O模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I／O模塊有開關(guān)量I／O模塊、模擬量I／O模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I／O模塊，其電路及功能也不同，直接影響PLC的應(yīng)用范圍和價格，應(yīng)當根據(jù)實際需要加以選擇。

（一）開關(guān)量I／O模塊的選擇

1. 開關(guān)量輸入模塊的選擇

開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號，將信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部接受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)、外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面：

1）輸入信號的類型及電壓等級

開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。

開關(guān)量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。話?Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于傳輸距離較近場合，如5Ｖ輸入模塊遠不得超過１０米。距離較遠的應(yīng)選用輸入電壓等級較高的模塊。

2）輸入接線方式

開關(guān)量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式，

匯點式的開關(guān)量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（COM）；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式的。

3）注意同時接通的輸入點數(shù)量

對于選用高密度的輸入模塊(如32點、48點等)，應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的60％。

4）輸入門檻電平

為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，具體可參閱PLC說明書。

2. 開關(guān)量輸出模塊的選擇

開關(guān)量輸出模塊是將PLC內(nèi)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號，并實現(xiàn)PLC內(nèi)外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面：

1）輸出方式

開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式。

繼電器輸出的價格便宜，既可以用于驅(qū)動交流負載，又可用于直流負載，而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但其屬于有觸點元件，動作速度較慢（驅(qū)動感性負載時，觸點動作頻率不得超過1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。

對于頻繁通斷的負載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點元件。但晶閘管輸出只能用于交流負載，而晶體管輸出只能用于直流負載。

2）輸出接線方式

開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式，

分組式輸出是幾個輸出點為一組，一組有一個公共端，各組之間是分隔的，可分別用于驅(qū)動不同電源的外部輸出設(shè)備；分隔式輸出是每一個輸出點就有一個公共端，各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出，也有分隔式輸出。

3）驅(qū)動能力

開關(guān)量輸出模塊的輸出電流(驅(qū)動能力)必須大于PLC外接輸出設(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。

4）注意同時接通的輸出點數(shù)量

選擇開關(guān)量輸出模塊時，還應(yīng)考慮能同時接通的輸出點數(shù)量。同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個220V／2A的８點輸出模塊，每個輸出點可承受2A的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超出同一公共端輸出點數(shù)的60％。

5)輸出的上限電流與負載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)

開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標，它與不同的負載類型密切相關(guān)，特別是輸出的上限電流。另外，晶閘管的上限輸出電流隨環(huán)境溫度升高會降低，在實際使用中也應(yīng)注意。

（二）模擬量I／O模塊的選擇

模擬量I／O模塊的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并與PLC內(nèi)部總線相連，同時為了安全也有電氣隔離功能。模擬量輸入（A／D）模塊是將現(xiàn)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接受的數(shù)字量；模擬量輸出(D／A)模塊是將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出。

典型模擬量I／O模塊的量程為-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根據(jù)實際需要選用， 同時還應(yīng)考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。

一些PLC制造廠家還提供特殊模擬量輸入模塊，可用來直接接收低電平信號（如RTD、熱電偶等信號）。

(三)特殊功能模塊的選擇

目前，PLC制造廠家相繼推出了一些具有特殊功能的I／O模塊，有的還推出了自帶CPU的智能型I／O模塊，如高速計數(shù)器、凸輪模擬器、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等。