電氣百科：PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

可編程控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術(shù)使之功能不斷增強，逐漸適合復雜的控制任務(wù)。

PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機。人們在應(yīng)用它時，可以不必進行計算機方面的專門培訓，就能對可編程控制器進行操作及編程。用來完成各種各樣的復雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。

自1836年繼電器問世，人們就開始用導線將它同開關(guān)器件巧妙地連接，構(gòu)成用途各異的邏輯控制或順序控制。至今，在PLC的編程語言——梯形圖中還可以看到這些布線的影子。直到60年代末、70年代初可編程控制器問世，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及微處理器的出現(xiàn)，PLC產(chǎn)品朝小型和超小型化方面進行了一次飛躍，最終使早期的PLC從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時、計數(shù)、記憶和算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。

一、可編程控制器的主要功能

PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。今天的PLC功能，遠不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。

PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成：·多種控制功能·數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能·通信聯(lián)網(wǎng)功能·輸入/輸出接口調(diào)理功能·人機界面功能·編程、調(diào)試功能1、控制功能邏輯控制：PLC具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關(guān)量控制。

定時控制：它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定：接通延時、關(guān)斷延時和定時脈沖等方式。

計數(shù)控制：用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進行位置檢測。

順序控制：在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。

數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能數(shù)學運算功能：

基本算術(shù)：加、減、乘、除。

擴展算術(shù)：平方根、三角函數(shù)和浮點運算。

比較：大于、小于和等于。

數(shù)據(jù)處理：選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。

模擬數(shù)據(jù)處理：PID、積分和濾波。3、輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶要求選擇。

具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。4、通信、聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制，多臺PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。

通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。如西門子S7-200的Profibus現(xiàn)場總線口，其通信速率可以達到12Mbps。

在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機與多臺PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復雜控制。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠程端也可以采用PLC作現(xiàn)場機。5、人機界面功能提供操作者以監(jiān)視機器/過程工作必需的信息。允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。

實現(xiàn)人機界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。6、編程、調(diào)試等使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。

二、可編程控制器的主要特點

1、可靠性高PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，西門子、ABB、松下等微小型PLC可達10萬h以上，而且均有完善的自診斷功能，判斷故障迅速，便于維護。2、模塊化組合靈活可編程控制器是系列化產(chǎn)品，通常采用模塊結(jié)構(gòu)來完成不同的任務(wù)組合。I/O從8～8192點，有多種機型、多種功能模板可靈活組合，結(jié)構(gòu)形式也是多樣的。3、功能強PLC應(yīng)用微電子技術(shù)和微計算機，簡單型式都具有邏輯、定時、計數(shù)等順序控制功能?；拘褪皆偌由夏MI/O、基本算術(shù)運算、通信能力等。復雜型式除了具有基本型式的功能外，還具有擴展的計算能力、多級終端機制、智能I/O、PID調(diào)節(jié)、過程監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通信能力、遠程I/O、多處理器和高速數(shù)據(jù)處理能力。4、編程方便PLC適用針對工業(yè)控制的梯形圖、功能塊圖、指令表和順序功能表圖(SFC)編程，不需要太多的計算機編程知識。新的編程工作站配有綜合的軟件工具包，并可在任何兼容的個人計算機上編程。5、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產(chǎn)品的市場生存價值。6、安裝、維修簡單與計算機系統(tǒng)相比，PLC安裝不需要特殊機房和嚴格的屏蔽。使用時只要各種器件連接無誤，系統(tǒng)便可工作，各個模件上設(shè)有運行和故障指示裝置，便于查找故障，大多數(shù)模件可以帶電插拔，模件可更換，使用戶可以在最短的時間內(nèi)查出故障，并排除，最大限度地壓縮故障停機時間，使生產(chǎn)迅速恢復。然后再對故障模件進行修復，這對大規(guī)模生產(chǎn)場合尤為適宜。

一些PLC外殼由可在不良工作環(huán)境下工作的合金組成，結(jié)構(gòu)簡單，上面帶有散熱槽，在高溫下，該外殼不像塑料制品那樣變形，還可抗無線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等。7、運行速度快隨著微處理器的應(yīng)用，使PLC的運行速度增快，使它更符合處理高速度復雜的控制任務(wù)，它與微型計算機之間的差別不是很明顯。8、總價格低PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。

PLC系統(tǒng)與工業(yè)總線計算機和DCS系統(tǒng)相互滲透，互為借鑒，相互競爭而發(fā)展。促進了工業(yè)的進步。

PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需要。三、PLC的通信及聯(lián)網(wǎng)PLC的通信包括PLC之間、PLC與上位計算機之間以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。PLC系統(tǒng)與通用計算機可以直接或通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，滿足工廠自動化(FA)系統(tǒng)發(fā)展的需要，各PLC系統(tǒng)或遠程I/O模塊按功能各自放置在生產(chǎn)現(xiàn)場分散控制，然后采用網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成集中管理的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

以西門子公司的SIMATICNET為例，在其提出的全集成自動化(TIA)的系統(tǒng)概念中，核心內(nèi)容即包括組態(tài)和編程的集成、數(shù)據(jù)管理的集成以及通信的集成。通信網(wǎng)絡(luò)是這個系統(tǒng)重要的、關(guān)鍵的組件，提供了部件和網(wǎng)絡(luò)間完善的工業(yè)通信。

SIMATICNET包含了三個主要層次：

AS-I網(wǎng)——傳感器和執(zhí)行器通信的國際標準，掃描時間5ms，傳輸媒體為未屏蔽的雙絞線，線路長度為300m，最多為31個從站。

PROFIBUS——工業(yè)現(xiàn)場總線，用于車間級和現(xiàn)場級的國際標準，傳輸率最大12m/s，傳輸媒體為屏蔽雙線電纜(最長9.6km)或光纜(最長90km)，最多可接127個從站。

工業(yè)以太網(wǎng)——用于區(qū)域和單元聯(lián)網(wǎng)的國際標準，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇_1024站1.5km(電氣網(wǎng)絡(luò))或200km(光學網(wǎng)絡(luò))。

在這一網(wǎng)絡(luò)體系中，尤其值得一提的是PROFIBUS現(xiàn)場總線，PROFIBUS是目前最成功的現(xiàn)場總線之一，已得到廣泛地應(yīng)用。它是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息。為數(shù)眾多的生產(chǎn)廠家提供了優(yōu)質(zhì)的PROFIBUS產(chǎn)品，用戶可以自由地選擇最合適的產(chǎn)品。PROFIBUS已經(jīng)成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170，并在世界擁有了最多的用戶數(shù)量。四、PLC與工業(yè)控制計算機(IPC)和集散控制系統(tǒng)(DCS)的比較1、各自技術(shù)發(fā)展的起源計算機是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標準化程度高，兼容性強，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。

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集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。

PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要用在離散制造、工序控制，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。

近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中。

PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。2、相同點在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計算機、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。3、區(qū)別點由于PLC和計算機屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具。實際上的區(qū)別繼續(xù)存在。

PLC用編程器或計算機編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。

特別提出的是與STD總線工控機的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機，但是從開關(guān)量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機。

總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟性等方面考慮。沒有什么控制器絕對完善，也沒有哪種產(chǎn)品絕對差，只能說選擇更適用的產(chǎn)品。