PLC 定义、产生发展、国内外状况、特点、分类及技术指标

可编程序控制器 PLC 原理及应用 华南农业大学工程学院 概述初步认识可编程控制器 PLC FX2N型PLC外观 输入端子 输入信号灯 输出端子 输出信号灯 编程电缆运行开关 扩展端口 锂电池 图3 1FX2N型PLC的外形 可编程序控制器 PLC ProgrammableLogicController 各种类型的PLC 参考文献 可编程控制器应用技术 第四版 瘳常初重庆大学出版2002可编程控制器教程 基础编 胡学林电子工业出版社2003可编程控制器教程王兆义主编机械工业出版社2002可编程控制器应用技术 第一版 陈琳化学工业出版社2004 中 大型PLC的结构外型 中 大型PLC的结构外型 它通常采用积木式结构 可以根据需要将各种标准模块进行搭接 常用的模块有电源模块 CPU模块 输入模块 输出模块以及各种特殊模块 定义产生及其发展过程特点分类及技术指标应用领域国内外状况发展趋势 PLC的定义 国际电工委员会 IEC 于1982年11月和1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义 可编程序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 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的命令 并通过数字式模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其有关设备 都应按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充功能的原则而设计 可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字式的电子装置 它采用可编程序的存储器来存储指令 实现逻辑运算 顺序运算 算术运算 计时和计数等功能 用来对各种机械或生产过程进行控制 一种工业计算机 工业机器人 PLC CAD CAM 构成现代工业的三大支柱 PLC的产生及发展过程 一 PLC的产生时间 20世纪六十年代原因 制造业的迅猛发展当时的工业控制领域以继电器的顺序控制为主 而继电器控制系统存在体积大 耗电多 可靠性差 寿命短 运行速度不高 尤其对生产工艺多变的系统适应性差等缺点 如果生产任务和工艺发生变化 必须重新设计 并改变硬件结构 造成时间和资金的浪费 显然 继电器控制系统已不能满足工业发展的需要 当时在底特津的美国通用汽车公司 Generalmotorcorparation 为在每次汽车改型或改变工艺流程时 能不改动原有控制柜内的继电器接线 以降低生产成本 缩短新产品开发周期 提出研制新型逻辑控制装置的十项指标 并向社会公开招标 创始 美国数字设备公司 DEC 根据这十项要求 1969年研制出第一台控制器 PDP 14 并投入GM公司的汽车生产线控制中 十项指标 PLC最基本的功能 编程简便 可现场修改程序维修方便 采用插件式结构可靠性高于继电控制盘体积小于继电控制盘数据可直接送入计算机成本可与继电控制盘相竞争输入可为市电输出可为市电 可直接驱动电磁阀 接触器扩展时原系统变更最少可存储程序十项指标的设想在于 能用于工业现场 能改变控制逻辑 不需变动组成它的元件和修改内部接线 出现故障时易于诊断和维修 二 PLC的发展过程 随着计算机技术 半导体集成技术 控制技术 数字技术 通信网络技术等高新技术的发展 推动了PLC的发展 从控制功能来分 经历了四个阶段 初创阶段 从第一台PLC问世到20世纪60年代末 70年代中期 CPU由中小规模的数字集成电路组成 控制功能较简单 主要完成逻辑功能 所以称 可编程序逻辑控制器 Programmablelogicalcontroller PLC 扩展阶段 从20世纪70年代中期到末期 产品的主要控制功能得到较大发展 朝两个方面发展 1 从可编程序控制器发展而来的控制器 主要是逻辑运算 同时也扩展了其他运算功能 2 从模拟仪表发展而来的控制器 主要是模拟运算 同时扩展了逻辑运算功能 programmablecontroller 通信功能实现阶段 从20世纪70年代中期到80年代末期 与计算机通信发展相联系 初步形成了分布式通信网络体系 数学运算功能增强 开放阶段 从20世纪80年代后期开始 主要表现在通信系统的开放 各制造业的产品可以通信 通信协议标谁化 PLC的特点 一 PLC的特点编程方法简单 易学硬件配套齐全 用户使用方便通用性强 适应性强可靠性高 抗干扰能力强系统设计 安装 调试工作量少维修工作量小 维修方便体积小 能耗低 PLC的特点 二 PLC与其他顺序逻辑控制系统的比较1 与继电器顺序逻辑控制系统的比较共同点 1 均可用于开关量逻辑控制 2 PLC梯形图和继电器电路图对逻辑关系表达方式相同 3 电路符号相似 从几个方面比较 1 工作原理 控制功能分别用软 硬件实现 2 功能 PLC采用计算机技术 具有顺序控制 定时 计数 运动控制 数据处理 闭环控制和通信联网等功能 继电器只有顺序控制 3 可靠性与可维护性 继电器可靠性差 复杂 故障诊断及排除困难平均修复时间长 PLC用软继电器 可靠性高 故障率低 易诊断和排除故障 4 灵活性 继电器线路固定 功能单一 不易修改 灵活性差 PLC仅改变程序就可以改变控制功能 5 响应速度 继电器靠触点动作 约几十ms 且存在触点抖动 PLC速度快 6 设计与调试 PLC设计复杂电路周期短且可模拟调试 7 定时与计数 PLC内部继电器的精度高 定时范围宽 时间调整方便 PLC与其他顺序逻辑控制系统的比较 2 与计算机控制系统的比较 1 与工控机比较 工控机采用总线式结构 与PC机兼容 有实时操作系统支持 在快速 实时性强 功能复杂中占优势 且价格较高 用于开关量控制以取代继电器系统有些大材小用 接线用多芯扁平电缆和插头 插座 不如PLC方便 2 与单片机比较 单片机不能直接与外部I O信号连接 采用汇编语言 高级语言 硬件设计和程序设计工作量大 3 与集散控制系统的比较集散控制系统DSC DistributedControlSystem 是用计算机技术对生产过程进行集中监视 操作 管理和分散控制的一种新型控制装置 由集中管理部分 分散控制监控部分和通信部分组成 具有通用性强 系统组态灵活 控制功能完善 数据处理方便 显示操作集中 人机界面友好 安装高度方便 运行安全可靠等特点 但随着PLC增加了数值运算 PID闭环调节功能 与PC机联网或PLC自身构成网络 组成分级控制 也能实现DSC所完成的功能 PLC的分类及技术性能指标 一 分类PLC产品的种类很多 主要从几个方面来分类按结构形式分 整体式 模块式整体式结构 把CPU 存储单元 I O单元 I O扩展单元 外部设备接口单元及电源单元等集中装在一个机箱内 其结构紧凑 体积小 价格低 一般小型PLC采用这种结构 整体式PLC由不同I O点数的基本单元和扩展单元组成 基本单元内有CPU I O和电源 扩展单元内只有I O和电源 基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接 整体式PLC一般配备有特殊功能单元 如模拟量单 位置控制单元 适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品的开发应用 模块式结构 把CPU 存储单元 I O单元等做成各自独立的模块 再组装在一个带电源单元的机架或母板上 适用于复杂过程控制系统的应用 按输入输出点数 容量 超小型 小型 中型 大型 超大型I O点数小于32为微型PLC I O点数在32 128为超小型PLC I O点数在128 256为小型PLC I O点数在256 1024为中型PLC I O点数大于1024为大型PLC I O点数在4000以上为超大型PLC 以上划分不包括模拟量I 0点数 且划分界限不是固定不变的 按功能分 低档 中档 高档低档 以逻辑控制为主 适用开关控制场合 中档 兼有开关量和模拟量控制 适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环调节控制高档 可与其他PLC 上位计算机 构成分布式生产过程综合控制管理系统 PLC的分类及技术性能指标 二 PLC的技术性能指标1 I O点数 指I O总数 2 扫描速度 执行一步指令的时间 3 内存容量 在PLC中 程序指令按 步 存放 一条指令往往不止一步 一步 一个地址单元 两个字节 4 指令条数和指令功能 衡量PLC软件功能强弱的主要指标 5 内部寄存器 用于存放变量状态 中间结果和数据 衡量PLC硬件功能的指标 6 特殊功能模块 衡量PLC产品水平高低的一个重要标志 PLC的国内外状况 1969年美国研制出世界上第一台PLC以后 日本 德国 法国等国相继研制了各自的PLC 美国PLC发展得最快 1984年有48家 生产150多种PLC 1987年有63家 生产243种PLC 1996年有70余家 生产近300种PLC 著名厂家有 A B Allen Bradley 艾伦一布拉德利公司IPM InternationalParallelMachines 国际并行机器公司TI TexasInstrument 德州仪器公司 WESTHOUSEElectric西屋电气公司 MODICON莫迪康公司 GE FSNUC公司 等 PLC的国内外状况 欧洲PLC的厂家有60余家 西门子 Siemens 于1973年研制出第一台PLC 金钟默勒 KlocknerMoellerGmbh AEG 法国的TE Telemecanique 施耐德 瑞士的Selectron 史力顿 公司等 PLC的国内外状况 1971年 日本从美国引进PLC技术 由日立公司研制成功日本第一台PLC 日本生产PLC的厂家有40余家 三菱电机 MITSUBISHI 欧姆龙 OMRON 富士电机 FujiElectric 东芝 TOSHIBA 光洋 KOYO 松下电工 MEW 和泉 IDEC 夏普 SHARP 安川等公司 PLC的国内外状况 我国在70年代末和80年代初开始引进PLC 我国早期独立研制PLC的单位有 北京机械工业自动化研究所 上海工业自动化仪表研究所 大连组合机床研究所 成都机床电器研究所 中科院北京计算机所及自动化所 长春一汽 上海起重电器厂 上海香岛机电公司 上海自力电子设备厂等单位 以上诸单位都没有形成规模化生产 PLC的国内外状况 PLC著名品牌1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家 美国A B公司 Allen Bradley 德国西门子公司 Siemens 美国GE Fanuc公司美国的莫迪康 Modicon 和法国的TE电器公司日本欧姆公司 OMRON 日本三菱电机株式会社 MITSUBISHI 日本富士电机株式会社 FujiElectric 日本东芝公司 TOSHIBA 日本的光洋电子 KOYO 和中国的华光电子 CKE 日本松下电工株式会社 MEW MatsushitaElectricWorksLtd PLC的国内外状况 PLC著名品牌根据美国AutomationResearchCo ARC 的商情调查 在1994年PLC市场上 最大的5家PLC制造商是 SIEMENS Allen Bradly Rockwell AEGSchneider 三菱电机 OMRON 立石电机 1996年中国PLC市场 PLC的发展趋势 1 向高速度 大存储容量方向发展 CPU处理速度nS级 内存2M字节 2 向多品种方向发展和提高可靠性 超大型和超小型 3 产品更加规范化 标准化 硬件 软件兼容的PLC 4 分散型 智能型 与现场总线兼容的I 0 5 加强联网和通信的能力 6 控制的开放和模块化的体系结构OMAC openModularArchitectureforControl PLC的应用领域 PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用 在国内外已广泛应用于机械 冶金 石油 化工 轻工 纺织 电力 电子 食品 交通等行业 经验表明 80 以上的工业控制可以使用PLC来完成 PlC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业 如快餐厅 医院手术室 旋转门和车辆 甚至引入家庭住宅 娱乐场所和商业部门 在日本 凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代 PLC的等效电路 在PLC中有大量的 各种各样的继电器 如输入继电器 X 输出继电器 Y 辅助继电器 M 定时器 T 计数器 C 等 不过这些继电器不是真正的继电器 而是用计算机中的存储器来模拟的 我们把它叫作软继电器 存储器中的某一位就可以表示一个继电器 这种继电器也叫位继电器 存储器中的一位有两种状态 0 和 1 我们用0表示继电器失电 用1表示继电器得电 把 0 或 1 写入存储器中的某一位就表示对应的继电器线圈失电或得电 读出该存储器某位的值为0时 表示对应继电器的常开接点断开 为1时 表示对应继电器的常开接点闭合 而常闭接点的值是对存储器位的取反 读存储器的次数是不受限制的 所以一个位继电器的接点从理论上讲是无穷多的 可编程序控制器图形符号 为了区别常规控制电路和PLC控制电路 通常叫梯形图 PLC一般用专用图形符号来表示 如表所示 其中可编程序控制器的继电器线圈可有多种画法 PLC控制电动机启动停止 PLC控制电动机正反转 PLC控制三台电动机顺序启动停止 例1 用PLC控制一个电热水箱 如图3 13所示 电热水箱用3KW电加热器烧水 用2个水位开关检测水位 控制要求 首先进水电磁阀得电打开 进水 当水位高于水位开关1时 加热器得电开始加热 当水位高于水位开关2时 进水电磁阀失电关闭 当加热器加热到100度时停止 放水电磁阀得电将放水阀打开 水龙头可以放水 当水位低于水位开关1时 加热器不得加热 进水电磁阀重新得电开始进