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PLC 应用 实践 教程

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PLC 应用及实验教程应用及实验教程 当今 随着 PLC 技术的发展及其应用的推进 PLC 已成为系统自动化 信息化 远程 化及智能化的重要支柱 因而 学习 PLC 不仅是现职自动化系统集成 使用与维修人员的 迫切要求 也是相关专业即将走上工作岗位的大学生的必要准备 所以 有关培训机构大力 兴办各种类型的 PLC 培训班 各个高等院校纷纷开设 PLC 课程 也就成了顺理成章之事了 要办好培训班 开好 PLC 课程 合适的教材与实验设备是重要条件 本教程正是按这 个教材的要求编写的 本教程分三大部分 理论篇 实验篇及附录 理论知识分 16 讲 每讲大约为 2 或 3 课时 具体内容包含三方面的内容 基础知识基础知识 主要介绍 PLC 的基本知识 编程语言 OMRON 三菱 西门子公司编程 软件 常用机型的硬件组成及系统配置 内部器件 基本指令及其它常用指令的功能及其使 用 应用知识应用知识 主要介绍 PLC 用于顺序 过程 运动控制及信息处理的机理及相应程序 扩展知识扩展知识 介绍 PLC 联网通讯及 PLC 程序组织 从上个世纪 90 年代初期开始 我们一直从事 PLC 程序设计 培训教学及实验设备开 发工作 根据我们的亲身体会 学习 PLC 仅仅学习理论是远远不够的 必须边学习理论 边亲自动手操作 只有这样 才能学会使用 PLC 所以 本教程在介绍 PLC 理论的同时 也设计了有关实验指导 建议理论教学与实验操作的课时比例为 5 3 如果 1 1 更好 最少也要 2 1 具体 实验内容分四个部分 基本实验基本实验 设计 6 个 是必做的 用以使学习者加深对 PLC 基础知识的理解 选作实验选作实验 设计 7 个 可根据学时 教学要求及实验条件 选作其中的若干个 目的是 学会 PLC 的实际应用 参考实验 参考实验 设计 8 个 主要是模拟量 脉冲量方面的实验 可根据学时 教学要求及实 验条件 选作其中的若干个 目的是学会模拟量 脉冲量的实际应用 专题实验专题实验 设计 6 个 可选作其中一个或 2 个 但不同学生不同题 可结合课程设计一 起实施 以提高学习者综合使用 PLC 的技能 此外 本教程还有附录 附录附录 1 为 OMRON 西门子及三菱 PLC 基本及常用指令对照表 为读者大体了解这三 家公司 PLC 的指令系统提供方便 附录附录 2 为基本实验参考程序 为读者运用 OMRON 西门子及三菱 PLC 进行实验教学 提供帮助 附录附录 3 为继电控制知识简介 为需要此知识 又没有学过此课程的读者提供参考 对本教程的使用 我们有如下建议 按按 50 课时安排课时安排 建议理论课讲 15 讲 30 课时 除了教程中的小号字不讲 其它都讲 实验可开 10 个 除了基本 6 个 在选作中再选 4 个 按按 30 课时安排课时安排 建议理论课讲 10 讲 10 课时 只讲前 9 讲及第 10 讲的部分内容 教 1 程中的小号字都不讲 主要是使读者弄通 PLC 的基本知识 为进一步掌握 PLC 的使用技能 打好基础 实验可开 6 个 12 课时 都是基本实验 按按 70 课时安排课时安排 建议理论课讲 16 讲 40 课时 教程中的小号字可选讲 实验可开 15 个 基本实验全做 选作实验及模拟量参考实验可选作 7 个 还可选做一 两个专题实验 本教程所介绍的 PLC 是目前国内最常用的 OMRON 西门子及三菱三大品牌的主流机 型 尽管它们之间的差别较大 但这些差别主要表现在硬件配置 指令系统及网络结构与协 议上 而从功能及应用角度看 则都是相通的 在多数情况下 一家 PLC 能实现的功能 所能做的应用 使用另一家 PLC 也都能实现与完成 事实上 不少国内用户为了技术改造 的需要 也曾在这 3 个品牌的 PLC 间相互替代过 或对相同的控制用不同品牌的 PLC 实现 过 本教程所有应用程序也都是用这三种 PLC 实现的 也是很好的说明 因而 不拘泥于某个具体品牌 PLC 的具体介绍 而从 PLC 应用的角度出发 弄清 PLC 的功能 似乎不仅是必要的 而且也是可能的 这样从应用上 功能上把握 PLC 知识的全 局 对拥有多个品牌 PLC 的用户 特别是对将步入 PLC 殿堂的本专业大专院校学生 研究 生 更有实际意义 正是出自这样考虑 本教程才决定在基础知识部分 把这三个品牌 PLC 组织在一起 进行对比介绍 以使读者对 PLC 能有全面 系统及完整的了解 而在应用知识部分 则围 绕 PLC 用于顺序控制 过程控制 运动控制 信息处理及联网通讯 也即远程控制 五大 主题 以这三个品牌 PLC 的应用编程为实例 大体介绍 PLC 编程基理论 算法及其程序实 现 以帮助读者尽快步入 PLC 编程殿堂 并为进一步提高成为 PLC 编程高手指明方向 可以这么说吧 本教程既是全面系统学习 PLC 的入门读物 也是深入研究 PLC 的指导 材料 当然 这也仅是我们的初衷 是否如愿 还有待实践检验 正由于我们也只是初次尝试 问题及不足之处在所难免 在此 诚心欢迎读者批评 指正 还要说明的是 参加本教程编写工作的还有盛阳 史春卿 姜海涛 宋巍 洪颖 程 维平 田中心 宋晖 我们真诚地感谢本教程策划编辑牛新国先生及责任编辑罗丽女士 没有牛先生的创新 策划 没有罗女士的辛勤耕耘 也就没有现在这本 呈现在大家面前的 精致 工整 令人 喜欢的出版物 此外 在编写本教程过程中 我们参考了互联网上的大量材料 有的还予以引用 在 此 对有关版主及作者深表谢意 作者 2006 年 5 月 于沈阳 目录目录 第一讲 PLC 基本知识 一 什么是 PLC 二 PLC 是怎么工作的 三 怎样计算响应时间 四 PLC 能实现什么功能 五 PLC 有哪些类型 六 PLC 主要特点是什么 2 七 用那些指标衡量 PLC 的性能 八 PLC 可用来做什么 九 怎样用好 PLC 第二讲 PLC 典型组成及系统配置 硬件组态 一 PLC 典型组成 二 PLC 系统配置 三 PLC 输入 输出映射区及其编址 第三讲 PLC 内部资源 器件 一 内部辅助继电器 二 定时器 三 计数器 四 数据存储 寄存 器 五 特殊继电器 特殊数据存贮器 六 索引寄存器 INDEX REGISTER 七 标识 P I N 八 其它 第四讲 PLC 编程语言 指令系统及编程软件 一 编程语言 二 指令分类 三 编程软件 第五讲 PLC 基本逻辑指令及其应用 一 基本逻辑处理指令 二 扩展逻辑处理指令 三 逻辑指令处理应用实例 第六讲 PLC 定时指令及时间控制编程 一 定时指令简介 二 定时指令应用 三 时间控制算法 四 时间控制编程 第七讲 PLC 的计数指令及计数程序设计 一 计数指令简介 二 计数指令应用 三 高速计数简介 四 高速计数比较控制 五 高速计数比较控制程序实例 第八讲 PLC 的位移及步进指令及应用 一 移位指令简介 二 移位指令应用 三 步进指令简介 四 步进指令应用 五 步进程序设计 第九讲 PLC 数据处理指令及标志值逻辑 一 数据处理指令简介 二 PLC 逻辑标志值法逻辑设计 3 第十讲 程序流程控制指令与 PLC 程序组织 一 程序流程控制指令简介 二 程序模块组织 第十一讲 PLC 顺序控制工程设计 一 顺序控制类型 二 逻辑设计法编程 三 工程设计法编程 四 工程设计法编程实例 第十二讲 PLC 用于模拟量控制 一 控制过程 二 PLC 模拟量输出方法 三 PLC 模拟量输入方法 四 控制目的 四 控制方法 六 控制程 第十三讲 PLC 用于运动量控制 一 控制类型 二 控制目的 三 输出方法 四 闭环控制 五 开环控制 第十四讲 PLC 用作数据终端 一 数据录入 二 数据采集 三 数据存贮 四 数据显示 第十五讲 PLC 联网与通讯 一 PLC 联网通讯目的 二 PLC 联网通讯类型 三 PLC 联网通讯方案 第十六讲 PLC 程序组织 一 程序工程组织 二 多任务组织 三 多模块组织 四 多程序组织 五 多 CPU 组织 实验指导篇 基本实验 实验一 基本逻辑指令实验 实验二 微分指令 锁存器指令实验 实验三 计时器指令实验 实验四 计数器指令实验 实验五 移位指令实验 实验六 数据处理指令实验 4 选作实验 选作实验一 十字路口交通信号灯控制实验 选作实验二 混料罐控制实验 选作实验三 传输线控制实验 选作实验四 小车自动选向 定位控制实验 选作实验五 模拟量入 模拟量出温度控制实验 选作实验六 脉冲量入 模拟量出直流电机转速控制实验 选作实验七 脉冲量入 脉冲量出直流电机转速控制实验 模拟量参考实验 模拟量参考实验一 模拟量认识实验 模拟量参考实验二 模拟量入 开关量出实验 模拟量参考实验三 开关量入 模拟量出实验 模拟量参考实验四 模拟量入 模拟量出实验 模拟量参考实验五 模拟量入 脉冲量出实验 模拟量参考实验六 脉冲量入 模拟量出实验 模拟量参考实验七 模拟量信号输入实验 模拟量参考实验八 模拟量信号输出实验 专题实验 专题实验一 电梯控制实验 专题实验二 刀具管理控制实验 专题实验三 天塔之光控制实验实验 专题实验四 水塔水位自动控制实验 专题实验五 切板机自动控制实验 专题实验六 机械手控制实验 附录 常用 PLC 特性表 常用 PLC 指令表 常用 PLC 术语表 实验用梯形图程序 继电控制电路简介 继电控制元件 符号及常见电路 参考资料及网页 理论知识篇理论知识篇 第一讲 第一讲 PLC 基本知识基本知识 关键词 关键词 PLC 入出信息变换 可靠物理实现 扫描方式 中断方式 西门子 入出信息变换 可靠物理实现 扫描方式 中断方式 西门子 OMRON 三菱 箱体式 三菱 箱体式 PLC 模块式 模块式 PLC 信息的特点 可靠性 信息的特点 可靠性 PLC 的 可 的 可 PLC 的功能 的功能 PLC 的性能 的性能 PLC 的应用的应用 5 一 什么是 PLC PLC 是可编程控制器的英文缩写 于上世纪 70 年代诞生于美国 1987 年 2 月 国际电 工委员会 IEC 通过了对它的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专 为在工业环境应用而设计的 它采用可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制 各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有关外部设备 都按易于与工业控制系统联 成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 可知 PLC 这个电子系统 也是靠存贮程序 执行指令 进行信息处理 实现输入到 输出的变换 但它的目的是用以控制各种类型机械或生产过程 所以 从实质上讲 它是一 台工业环境应用的 满足实时控制要求的专用计算机 与普通计算机所不同的主要是 它没有键盘 代之为一个个输入电路 并用其获取控制命令或现场信号 同时 此输 入电路具有滤波能力的 与内部电路为电隔离的 但可通过光耦合建立联系 它没有显示器 代之为一个个输出电路 并用其产生控制输出 由于此电路具有驱动 能力 故可以驱动一般的工业控制元器件 如电磁阀 接触器等 同时 此电路与内部电路 也是电隔离的 用光或磁耦合建立联系 它没有硬盘 只有内存 但可配备存贮卡 以为程序与数据建立备份 它配置有外设或通讯接口 可用以编程或下载程序 监控及联网通讯 它的结构为模块化 体积小 安装方便 比较坚固 具有很强的抗干扰 抗冲击 抗 震动特性 总之 PLC 只是一台没有键盘 没有显示器 没有硬盘 但有很多输入 输出电路 配有接口 可在工业现场实时使用的 模块化 小型化的特殊计算机 要指出的是 随着技术进步 PLC 的性能在不断提高 应用在不断扩展 类型在不断 增多 所以 它的概念也在不断更新 无疑的是 它已发展成为当今方方面面自动化 信息 化的重要支柱 二 二 PLC 是怎么工作的是怎么工作的 它的工作有两个要点 入出信息变换 可靠物理实现 入出信息变换主要由运行存储于 PLC 内存中的程序实现 这程序既有系统的 这程序 又称监控程序 或操作系统 又有用户的 系统程序为用户程序提供编辑与运行平台 同 时 还进行必要的公共处理 如自检 I O 刷新 与外设 上位计算机或其它 PLC 通讯等处 理 用户程序由用户按照控制的要求进行设计 什么样的控制 就有什么样的用户程序 可靠物理实现主要通过输入 I INPUT 及输出 O OUTPUT 电路 每一输入点 或输出点就有一个 I 或 O 电路 而且 总是把若干个这样电路集成在一个模块 或箱体 中 然后再由若干个模块 或箱体 集成为 PLC 完整的 I O 系统 电路 尽管这些模块相 当多 占了 PLC 体积的大部分 但由于它们都是由高度集成化的 所以 PLC 的体积还是 不太大的 输入电路时刻监视着输入点的 通 ON 或断 OFF 状态 并将此状态暂存于它的输 入暂存器 还可能有别的称谓 中 每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器 输出电路有输出锁存器 还可能有别的称谓 它也有两个状态 高 低电位状态 并 可锁存 同时 它还有相应的物理电路 可把这个高 低电位的状态传送给输出点 每一输 出点都有一个与其对应的输出锁存器 6 这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLC的I O电路的寄存器 它们与PLC内存交换信 息通过PLC I O总线及运行PLC的系统程序实现 把输入暂存器的信息读到PLC的内存中 称输入刷新 PLC内存有专门开辟的存放输入 信息的映射区 这个区的每一对应位 bit 称为输入继电器 或称软触点 或称为过程映 射输入寄存器 the process image input register 这些位 bit 置成1 表示触点通 置成0为 触点断 由于它的状态是由输入刷新得到的 所以 它反映的就是输入点的状态 输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的 一个输出锁存器也有一个内存位 bit 与其对应 这个位称为输出继电器 或称输出线圈 或称为过程映射输出寄存器 the process image output register 通过PLC I O总线及运行系统程序 输出继电器的状态将映射 给输出锁存器 这个映射的完成也称输出刷新 PLC 除了有可接收开关信号的输入电路 有时 还有接收模拟信号的输入电路 称模 拟量输入单元或模块 只是后者先要进行模 数转换 然后 再把转换后的数据存入 PLC 相应的内存单元中 如要产生模拟量输出 则要配有模拟量输出电路 称模拟量输出模块或单元 靠它对 PLC 相应的内存单元的内容进行数 模转换 并产生输出 这样 用户所要编的程序只是 PLC 输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换 这是一个数据及逻辑处理问题 由于 PLC 有强大的指令系统 编写出满足这个要求的程序 是完全可能的 图 1 1PLC 实现控制示意图 图 1 1 对以上叙述作了说明 其中框图代表信息存储的地点 箭头代表信息的流向及实 现信息流动的手段 这个图 既反映了 PLC 实现控制的两个基本要点 同时也反映了信息 在 PLC 中的空间关系 简单地说 PLC 工作过程是 输入刷新 运行用户程序 输出刷新 再输入刷新 再 运行用户程序 再输出刷新 永不停止地循环反复地进行着 图 2 所示的流程图反映的就是上述过程 它也反映了信息间的时间关系 a 简化工作流程图 b 实际工作流程图 图 1 2 PLC 工作流程图 7 有了上述过程 用 PLC 实现控制显然是可能的 因为 有了输入刷新 可把输入电路 监视得到的输入信息存入 PLC 的输入映射区 经运行用户程序 输出映射区将得到变换后 的信息 再经输出刷新 输出锁存器将反映输出映射区的状态 并通过输出电路产生相应的 输出 又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着 所以 输出总是反映输入的变化 只是响应的时间上 略有滞后 但由于 PLC 的工作速度很快 所以 这个 略有滞后 的 时间是很短的 一般也就是几豪秒 几十豪秒 最多也不会超过 100 到 200 毫秒 图 1 2a 所示的是简化的过程 实际的 PLC 工作过程还要复杂些 除了 I O 刷新及运行 用户程序 还要做些其它的公共处理工作 公共处理工作有 循环时间监视 外设服务及通 讯处理等 监视循环时间的目的是避免用户程序 死循环 保证 PLC 能正常工作 为避免用户程 序 死循环 的办法是用 看门狗 Watching dog 即设一个定时器 监测用户程序的运 行时间 只要循环超时 即报警 或作相应处理 外设服务是让 PLC 可接受编程器对它的操作 或向编程器输出数据 通讯处理是实现与计算机 或与其它 PLC 或与智能操作器 传感器进行信息交换的 这也是增强 PLC 控制能力的需要 也就是说 实际的 PLC 工作过程总是 公共处理 I O 刷新 运行用户程序 再 公共处理 反复不停地重复着 图 1 2b 所示的是实际的过程 此外 PLC 上电后 也要进行系统自检及内存的初始化工作 为 PLC 的正常运行做好 准备 用这种不断地重复运行程序以实现控制 称扫描方式工作 是 PLC 基本的工作方式 此外 为了应对紧急任务 PLC 还有中断工作方式 在中断方式下 需处理的任务先 申请中断 被响应后停止正运行的程序 转而去处理中断工作 运行有关中断的服务程序 待处理完中断 又返回运行原来程序 PLC 的中断方式的任务 或称事件 是分等级的 同时出现两个或多个中断事件 则 优先级高的先处理 继而处理低的 直到全部处理完中断任务 再转为执行扫描程序 PLC 对大量控制都用扫描方式工作 而对个别急需的处理 则用中断方式 这样 既 可做到所有的控制都能照顾到 而个别应急的任务也能及时进行处理 当然 PLC 的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些 分析其基本原理 也还有一些 理论问题 但如果能弄清上面介绍的思路 也可知到 PLC 是怎么工作的了 三 怎样计算响应时间三 怎样计算响应时间 从 PLC 工作过程可知 PLC 的输出对输入的响应是有滞后的 这滞后时间也称响应时间 以扫描方 式工作为例 其计算见图 1 3 8 图 1 3 输出响应时间简图 从图知 此时间应为 t1 t2 t3 t4 t5 与 t6 之和 这里 t1 为输入响应时间 从输入信号产生到输入暂存器完成存贮所经历的时间 消耗在输入电路上 可设 定 缺省为 8 豪秒 特殊的还可设定为可读取作用时间很短的信号 t2 为等待输入刷新时间 从输入暂存器完成 PLC 开始执行输入刷新的时间 在输入暂存器完成存贮 时 正好是 PLC 进行输入刷新 则此时间为 0 在输入暂存器完成存贮时 正好是 PLC 刚完成输入刷新 则此时间为 1 个扫描周期 T t3 为输入刷新时间 把输入暂存器的状态读入输入继电器 即用于输入刷新的时间 t4 为程序执行时间 运行用户程序及公共处理时间 t5 为输出刷新时间 把输出继电器的状态传送给输输出锁存器 即用于输出刷新的时间 t6 为输出响应时间 从输出锁存器状态到实际输出产生的时间 消耗在输出电路上 取决于使用的输 出电路及负载 一般为若干豪秒 而 t3 t4 t5 之和为扫描周期 T 图中画出 Tx1 与 Tx2 两个响应时间 它们所差的是等待时间 t2 不同 t2 最小值为 0 最大值为 T 所以 最长响应时间为 Tx max t1 2T t6 一些重要信号如响应时间太长 则应改委中断方式 因它不包含 t3 t4 t5 不受扫瞄周期影响 而且 t1 也可设得很小 所以 可得到快速响应 四 PLC 能实现什么功能 PLC 有丰富的指令系统 有各种各样的 I O 接口 通讯接口 有大容量的内存 有可靠 的操作系统 因而具有丰富的功能 信号采集功能 可采集开关信号 模拟信号及脉冲信号 输出控制功能 可控制输出开关信号 模拟信号及脉冲 脉冲链或脉宽可调制的脉冲 9 信号 逻辑处理功能 可进行种种位 字节 字 双字逻辑运算 数据运算功能 可进行种种字 双字整数运算 有的还可进行浮点运算 定时功能 可进行延时或定时控制 时间可精确到毫秒 有的还有内置实时时钟 计数功能 可进行计数 高速计数频率可高达几百 KHz 中断处理功能 可实现种种内外中断 以提高对输入的响应速度与精度 程序与数据存贮功能 可存贮系统设定 程序及数据 并可保证这些数据在掉电时不丢 失 此外 还有联网通讯 自检测 自诊断等功能 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能 同时 也为工业系统的自动化 远程化 信息化及智能化创造了条件 五 PLC 有那些类型 1 按生产厂家分有 按生产厂家分有 德国的西门子公司 美国的 AB Allen Bradley 公司 现已被美国的Rockwell公司收 购 美国 GE 公司与日本 FANAC 合资的 GE FANAC 公司 法国的施耐德公司 原美国 MODICON 公司已被其收购 以及日本的欧姆龙 OMRON 公司 三菱公司 松下公司 东芝公司 富士公司 光洋公司 日立公司等等 德国西门子公司 主流产品为 S7 系列机 有 S7200 小型 S7300 中型 及 S7400 机 大型 此外 还推出微型机 Logo 日本 OMRON 公司 主流产品为 CS1H CS1D 可双机热备 CJ1H CQM1H CP1H CPM2A 及 ZEN 微型机 日本三菱公司 主流产品为 FX 系列机 Q 系列机及 Alphi 微型机 此外 在三菱公司 Q 系列高档机中 除了有常规的顺序控制 CPU 外 还推出运动控制 CPU 过程控制 CPU 及 PC 计算机 CPU 分别可进行运动控制 过程控制及信息处理 美国 AB Allen Bradley 公司主要为 Logix 系列机 如 ControlLogix FlexLogix CompactLogix MicroLogix 及 PicoLogix 微型机 此外 还有软 PLC SoftLogix5 Controller 过程控制 PLC PPC Programable Process Controller 安全性 GuildPLC PLC GE FANAC 有 90 70 机 90 30 机 最近 还推出控制与信息处理能力有很大提升的可 编程自动化控制器 即 PAC 法国施耐德公司有 MODICON Quantun 大 超大型机 MODICON Premiun 中型 机 MODICON Compact 中 小型机 可用于较大的工作温度范围及有腐蚀气氛的场合 Momentun 中型机 MODICON Micro 小型机 MODICON Naza 微型机 国内也有一些正在发展中的 PLC 厂家 相信在不太久的将来 会在世界 PLC 之林中一 定有其位置的 2 按控制规模分 按控制规模分 大致可分为微型机 小型机 中型机及大型机 超大型机 大型机 超大型机功能强 性能高 价格也高 而微型机 小型机功能差些 性能低些 但价格便宜 这里划分的唯一 依据是控制规模 微型机微型机控制的仅几点 十几点 几十点 如 OMRON 公司新推出的 ZEN 机 主机有 8 点 10 点两种 加扩展 最多可扩到 34 点 再如西门子的 logo 机 小的也仅能控制 10 点 还如三菱的 alpha 机 I O 点数分别有 6 10 及 20 等几种规格 而 alphaXL 的 I O 点数分别 有 14 24 两种规格 这些机型 有的还内嵌有简易的编程工具 很便于编程 由于它的价 10 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 格低廉 使用方便 工作可靠 体积很小 而且 它的可输出电流比其它 PLC 都大 有的 可达 8 安培 因而 可成继电器控制的替代品 也因此 有的则称其为可编程继电器 PLR 小型机小型机控制点可达 100 多点 以至于稍多 如 OMRON 公司的 CPM2A CP1H CQM1H 则分别可达到 120 320 512 点 西门子公司的 S7200 机可也达一百多点 新推出 S7 200 CN 为中国版机型 当最大配置时 控制点数可达 248 路 西门子称 I O 点为路 三菱公司的 FX2N 最多点数也可达 256 点 而 FX3UC 机可达 300 多点 中型机中型机控制点数可达近 500 点 以至于以千点计 如 OMRON 公司 CJ1H 机可超过 2000 多点 德国西门子公司的 S7300 机最多可达 512 点 开关量 新推出的 CPU318 2 也可超 过 1000 点 开关量 此外 还可另加 128 路模拟量输入或输出 三菱的 Q 系列的基本型 机 控制点数也可达 2048 点 大型机大型机控制点数一般在 1000 点以上 如 OMRON 公司的 CS1H 机最大配置可达 5000 多点 三菱的 Q 系列的高档机 控制点数也可达 8192 点 超大型机超大型机控制点数可达万点 以至于几万点 10 几万点 几十万点 如美国 GE 公司 的 90 70 机 其点数可达 24000 点 另外还可有 8000 路的模拟量 西门子的 S7 417 4 机 其控制点数可达 128K 开关量输入 128K 开关量输出 或 8K 的模拟量入及模拟量出 应该讲 以上这种划分是不严格的 只是大致的 所介绍的情况也是会有变化的 目的 只是帮助读者建立控制规模的概念 以便于日后便于进行系统配置及使用 3 按结构特点分 按结构特点分 可分为箱体式与模块式 近期还出现有内插板式 箱体式的箱体式的 PLC 把电源 CPU 内存 I O 系统都集成在一个小箱体内 一个主机箱体 就是一台完整的 PLC 就可用以实现控制 微型 小型机多为箱体式 为了系统配置方便 有的主箱体还可增加内插选件 如通讯接口选件 内存选件 模拟 量输入 输出选件等 为要增强主箱体功能的用户提供方便 此外 还有扩展箱体 扩展箱体外观与主箱体类似 但一般只有 I O 系统及电源 有的 没有 其电源可由主箱体提供 有的另有其它功能 如主箱体控制点数不符需要或功能不足 可再接若干个扩展箱体 模块式的模块式的 PLC 它由具有不同功能的模块组成 其主要模块有 CPU 模块 输入模块 输出模块 电源模块 通讯模块 机架 等等 超大 大 中型机都是模块式的 在结构上讲 由模块组合成系统有三种方法 无底板 靠模块间接口直接相联 然后再固定到相应导轨上 OMRON 公司的 CQM1 CJ1 机就是这种结构 比较紧凑 西门子的 S7 300 也如此 只是它还要用接线插头联接 如要单独固定时 还得另定购固定支架 有底板 所有模块都固定在底板上 比较牢固 但底板的槽数是固定的 如 3 5 8 10 槽等等 这个槽数与实际的模块数不一定相等 所以 配置时难免有空槽 这既浪费 又多占空间 以至于有时还得用占空单元 把多余的槽覆盖好 用机架代替底板 所有模块都固定在机架上 这种结构比底板式的复杂 但更牢靠 用 这种组合时 它的模块不用外壳 但有小面板 用组合后密封与信号显示 内插板式内插板式 为了适应机电一体化的要求 有的 PLC 制造成内插板式的 可嵌入到有关 装置中 如有的数控系统 其逻辑量控制用的内置 PLC 就可用这个内插板式的 PLC 代替 它有输入点 输出点 还有通讯口 扩展口及编程器口 PLC 有的功能 它也都有 但它 只是一个控制板 可很方便地镶嵌到有关装置中 4 按其它特点分 按其它特点分 如按电源分有 用直流 24 伏的 交流 220 110 伏的 交流也还有宽幅 有的称任意的 从 80 到 240 伏均可 与非宽幅 220 110 伏可选 11 如按内存分有 RAM 加电池的 ROM 的 闪烁内存的 有另加内存卡的 有不加的 等等 如按功能分有 普通顺序控制功能的 过程控制功能的 即 P Programable P Process C Controllor 运动控制功能的 即 P Programable M Motion C Controllor 如按 使用环境分有 普通使用环境的 环境扩展型的 如施耐德公司的 TSX Compact 型 PLC 其允许工作温度范围为 40 到 70 再如西门子的 S7 300 环境扩展型的 CPU 模块 信 号模块 接口模块和 ET 200M 分布式 I O 模块 所配置的系统 允许工作的温度范围为 25 到 60 也适用于存在凝露 结冰和 95 湿度的环境 并有更强的耐受振动和污染特 性 它的 S7 200 机也推出了 宽温型 的产品 可在 25 到 70 下正常工作 如按可靠性分有 普通的 冗余的及安全型 PLC GuardPLC 等等 随着这些新产品的出现 还可对 PLC 作不同的的分类 显然 对 PLC 作以上分 类分析 目的是使读者对 PLC 有一个大致的 而又是比较全面的了解 六 PLC 主要特点是什么 从讨论 PLC 的工作原理知 PLC 的输入与输出在物理上是彼此隔开的 其间的联系主 要不是靠物理过程 不是用线路 而主要靠变换信息的程序实现 输入输出主要为软联系 而不是硬联系 它的工作基础是信息流 而不是物流 能量流 信息不同于物质与能量 有自身的规律 信息便于处理 便于传递 便于存储便于处理 便于传递 便于存储 信息 可反复重用反复重用 重用后自身还不消失 等等 正是由于信息的这些特点 决定了 PLC 的基本 特点 归纳起来 除了功能丰富 PLC 还有以下特点 1 使用方便 使用方便 用 PLC 实现对系统的控制是非常方便的 这是因为 首先 PLC 控制逻辑的建立是程序 用程序代替硬件接线 编程序比接线 更改程序比 更改接线 当然要方便得多 其次 PLC 的硬件是高度集成化的 已集成为种种小型化的箱体或模块 而且 这些箱 体或模块是配套的 已实现了系列化与规格化 PLC 厂家多有现货供应 正因如此 用可编程序控制器才有这个 可 字 对软件讲 它的程序可编 也有办法 编 对硬件讲 它的配置可变 而且也易于变 具体地讲 PLC 有五个方面的方便 1 配置方便 可按控制系统的需要确定要使用那家的 那种类型的 PLC 以及用什么箱 体或模块 要多少箱体或模块 2 安装方便 PLC 硬件安装简单 组装容易 外部接线有接线器 接线简单 而且一次 接好后 更换模块时 把接线器安装到新模块上即可 可不必再接线 内部什么线都不要接 只要作些必要的 DIP 开关设定或软件设定就可工作 3 编程方便 可用编程工具或编程软件编程 有的厂家的 PLC 还有计算机仿真软件 为 程序设计也提供了很大的方便 程序也便于存储 移植及再使用 定型产品用的 PLC 的程 序完善之后 凡这种产品都可使用 这比起继电器电路台台设备都要接线 调试 要省事及 简单得多 由于有以上三个方面的方便 PLC 控制系统的开发过程比过去用继电器要快得多 4 维修方便 这是因为 PLC 工作可靠 出现故障的情况不多 这大大减轻了维修的工作量 这在讲述 PLC 的 可靠特点时 还将进一步介绍 12 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 即使 PLC 出现故障 维修也很方便 这是因为 PLC 都设有很多故障提示信号 而且 PLC 可作故障情况记录 所以 PLC 出了故障 很易查找与诊断 同时 诊断出故障后排 故也很简单 可按箱体或模块排故 进行简单的更换就可以 至于软件 调试好后是不会出 故障的 至多也只是依据使用经验进行调整 使之完善就是了 5 改用方便 PLC 用于某设备 若这个设备不再使用了 其所用的 PLC 还可给别的设备 使用 只要改编一下程序 就可办到 如果原设备与新设备差别较大 它的一些箱体或模块 也还可重用 2 工作可靠 工作可靠 用 PLC 实现对系统的控制是非常可靠的 这是因为 PLC 在硬件与软件两个方面都采取 了很多非常有效的根本性措施 在硬件方面 在硬件方面 对输入信号多作了滤波 而且 输入输出电路与内部 CPU 是电隔离 其信息靠光耦器 件或电磁器件传递 同时 CPU 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施 可确保 PLC 程序的运行不 受外界的电与磁干扰 有很多这样的实例 原来是用计算机的采集卡采集数据 因干扰大而无法正常工作 而 改换用 PLC 后 则顿即可正常工作 PLC 使用的元器件多为无触点的 而且为高度集成的 数量并不太多 也为其可靠工 作提供了物质基础 而且 所用的元 器件都经严格监测 老化与筛选 质量是有可靠保证 的 其输出用的继电器虽为触点的 但它的触点是在密封的真空条件下 故其寿命也可达几 十万次 在机械结构设计与制造工艺上 为使 PLC 能安全可靠地工作 也采取了很多措施 可 确保 PLC 耐振动 耐冲击 使用环境温度可高达摄氏 50 多度 有的 PLC 可高达 100 有 的在低温 低到零下 40 50 度 还可正常工作 有的 PLC 的模块可热备 一个模块工作 另一个模块也运转 但不参与控制 仅作备 份 一旦工作模块出现故障 热备份的可自动接替其工作 还有更进一步冗余的 采用三取一的设计 CPU I O 模块 电源模块都冗余或其中的 部分冗余 三套同时工作 最终输出取决于三者中的多数决定的结果 这可使系统出故障的 机率几乎为零 做到万无一失 当然 这样的系统成本是很高的 只用于特别重要的场合 如铁路车站的道叉控制系统 在软件方面 在软件方面 PLC 的工作方式一般为扫描加中断 这既可保证它能有序地工作 其控制总是确定的 而且又能应急处理急于处理的控制 保证了 PLC 对应急情况的及时响应 使 PLC 能可靠地 工作 为监控 PLC 运行程序是否正常 PLC 系统都设置了 看门狗 Watching dog 监控程 序 运行用户程序开始时 先清 看门狗 定时器 并开始计时 当用户程序一个循环运行 完了 则查看定时器的计时值 若超时 可设定 一般不超过 100ms 则报警 严重超时 还可使 PLC 停止工作 用户可依报警信号采取相应的应急措施 若定时器的计时值不超时 则重复起始的过程 PLC 将正常工作 显然 有了这个 看门狗 监控程序 可保证 PLC 用户程序的正常运行 避免出现 死循环 而影响其工作的可靠性 PLC 还有很多防止及检测故障的指令 以产生各重要模块工作正常与否的提示信号 可通过编制相应的用户程序 对 PLC 的工作状况 以及 PLC 所控制的系统进行监控 以确 保其可靠工作 PLC 每次上电后 还都要运行自检程序及对系统进行初始化 这是系统程序 操作系 统 配置了的 用户可不干预 出现故障时有相应的出错信号提示 13 正是 PLC 在软 硬件诸方面有强有力的可靠性措施 才确保了 PLC 具有可靠工作的特 点 它的平均无故障时间可达几万小时以上 出了故障平均修复时间也很短 几小时以至于 几分钟即可 曾有人做过为什么要使用 PLC 的问卷调查 在回答中 多数用户把 PLC 工作可靠作为 选用它的主要原因 即把 PLC 能可靠工作 作为它的首选指标 多年使用 PLC 的经验也说明 PLC 工作是非常可靠的 正使用的 PLC 往往不是由于用 坏而被淘汰 而往往是由于 PLC 技术发展太快 由于技术落后而被淘汰 3 经济合算 经济合算 高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益 这是科技是第一生产力的体现 也是高新技术生命力之所在 PLC 也是如此 尽管使用 PLC 比起继电器 首次投资要大些 但从全面及长远看 使用 PLC 还是经济 的 这是因为 使用 PLC 的投资虽大 但它的体积小 所占空间小 辅助设施的投入少 使用时省电 运行费少 工作可靠 停工损失少 维修简单 维修费少 还可再次使用以及 能带来附加价值等等 从中可得更大的回报 所以 在多数情况下 它的效益是可观的 使 用 PLC 的效益计算见下式 V C T 式中 V 使用 PLC 可能带来的效益 C 使用 PLC 所能带来种种产出 T 使用 PLC 所需增加的投入 这里的 T 由两项组成 即 T T1 T2 式中 T1 使用 PLC 时一次性多投入的资金 注意这里的多字 它突出了相对数 T2 多投入资金的占用费 T2 可由下式计算 T2 T1 k n 式中 T1 含义同上 k 占用资金的年利率 n PLC 使用寿命 以年为单位 而 C 可由下式计算 C C1 C2 C3 C4 C5 C6 式中 C1 使用 PLC 后控制系统安装费的节省 包括材料费 占地费及工时的节省 C2 使用 PLC 后维修费的节省 包括备件费及维修工时的节省 C3 使用 PLC 后运行费的节省 C4 使用 PLC 后系统停工损失的减少 由停工工时的减少与单位时间系统所能创造的效 益的乘积确定 C5 使用 PLC 后所能带来的附加值 C6 PLC 到寿命后可回收的残值 显然 经计算或估算后 若 V 为正值 则使用 PLC 是合算的 V 为正值的关键在于 C4 C5 特别是随着控制系统的复杂程度的增加 使用 PLC 不仅出于 方便与可靠的需要 而且带来的经济效益也是明显的 14 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 图 1 4 T C 与控制点数关系图 图 1 4 为 T 与 C 随系统复杂程度 以控制点数计 变化的情况 由图可知 在相当的控制 点数之后 由于 C 增加要比 T 增加快得多 所以 V 输将出现正值 使用 PLC 与使用其它高新控制系统在经济效益上也具有优势 有人做过分析 一个相 当规模控制系统 同样用 GE FANAC 的产品 一个为 PLC 一个为 DCS 集散系统 前 者可比后者节省三分之一的投入 总之 PLC 除了功能丰富 还具有使用方便 工作可靠及经济合算的特点 使得它既 非常有用有用 又非常好用 耐用 省用好用 耐用 省用 有无限的发展生命力和非常广阔的应用前景 短短 30 多年 它从诞生 生长 成熟及不断完善与一代又一代的发展 已成为工业自动化的支 柱产品 并发展成为强大的高科技产业 可以这么说 在当代 一个工业控制系统 或较先 进的工业产品 其控制装置若不使用 PLC 那是不可想象的 七 用那些指标衡量 PLC 的性能 PLC 性能指标有两种 一般指标与特定指标 一般指标规定一些 PLC 的使用条件 如 PLC 的保存与使用温度 湿度 大气气氛 耐 电压及绝缘指标 抗干扰指标 抗机械振动 冲击指标 等等 特定指标规定一些具体型号 PLC 的具体性能 如某型 CPU 模块 则要指出它的工作方 式 指令条数 类型 执行一条指令的时间 可处理的输入 输出点数 内部器件的类型 数量 工作电源类型 电压允许的波动范围 等等 从共性的角度 可它归纳为以下 10 个方面 1 工作速度 工作速度 指 PLC 的 CPU 执行指令的速度 对急需处理的输入信号的响应速度及通讯接口的数据 传送速度 但主要是指 CPU 执行指令的速度 PLC 工作速度高 在允许的扫描周期 一般不大于 100 毫秒 内 可增加运行指令条 数 提升处理数据的能力 进而增加 PLC 的控制点数 增强 PLC 的功能 所以 厂家在发 展 PLC 时 首先着眼的是提高它的工作速度 PLC 指令不同 执行的时间也不同 但各种 PLC 大体都有相同的基本指令 故常以执 行一条基本指令的时间来衡量这个速度 这个时间短 说明具体的 PLC 性能好 目前 这个时间已缩短到零点零几微秒 随着 PLC 技术的进步 这个时间还在缩短 15 有的还用每秒能执行多少条基本与传送指令 即 PMX 值 作为它的衡量指标 2 控制规模 控制规模 控制规模代表 PLC 的控制能力 一般是看其能对多少输入 输出点 指开关量 及对 多少路模拟量进行控制 有时还要看其能扩展多少模块 多少机架 多少站点等等 控制规模与速度有关 因为规模大了 用户程序也长 执行指令的速度不快 势必延长 PLC 循环的时间 也必然会延长 PLC 对输入信号的响应 为了避免这个情况 PLC 的工作 速度就要快 所以 大型 PLC 的工作速度总是比小的要快 控制规模还与内存区的大小有关 规模大 用户程序长 要求有更大的用户存储区 同 时点数多 系统的存储器输入 输出的信号区 输入输出继电器区或称输入 输出映射区 也大 这个区大 相应的内部器件也要增多 这些都要求有更大的系统存储区 控制规模还与输入 输出电路数量有关 如控制规模为 1024 点 那就得有 1024 条 I O 电路 这些电路集成于 I O 模块中 而每个模块有多少路的 I O 点 总是有数的 所以 规 模大 所使用的模块也多 控制规模还与 PLC 指令系统有关 规模大的 PLC 指令条数多 指令的功能也强 才能 应付对点数多的系统进行控制的需要 控制规模是对 PLC 其它性能指标起着制约作用的指标 是高低档 PLC 区别之所在 也 是 PLC 划分为微 小 中 大和特大型机的唯一依据 3 组成模块 组成模块 PLC 的结构虽有箱体及模块式之分 但从本质上看 箱体也是模块 只是它集成了更 多的功能 在此 不妨把 PLC 的组成模块当作所有 PLC 的结构性能 因此 这个性能含义 是指某型号 PLC 具有多少种模块 各种模块都有什么规格 并各具什么特点 组成 PLC 的模块是 PLC 的硬件基础 反映了 PLC 的控制能力和可能的用途 模块的类 型越多 规格越全 功能越强 性能越好 PLC 也才越容易配置成各种各样的系统 才可 能满足各种不同的需要 早期 PLC 模块的种类不太多 多仅有开关量 模拟量输入 输出模块 高速计数模块 等 而今 则增多了很多 如温度模块 流量模块 模糊控制模块 PID 控制模块 回路控 制器 秤重模块 凸轮模块 遥感模块 定位模块 运动模块 可处理相应的模拟量 脉 冲量 此外 还出现了具有很强的信息处理能力的智能单元 如 ASCII 单元 BASIC 单元 以至于计算机 286 级 单元 硬盘单元 软驱单元 不仅类型增多 性能也在提高 如 同样功能的模块 有的还带电隔离的 以提高抗干 扰能力 有的还可实现故障自珍断 提高工作的可靠性 还有的可实现智能化 不是靠 CPU I O 刷新 而是自身的 CPU 主动与内存交换数据 等等 一般讲 所有知名品牌的 PLC 组成模块的类型 规格都较多 功能都较强 性能都 较好 都可较方便地用其配置成各种各样的系统 满足各种不同的需要 这也是知名品牌 PLC 性能高的重要方面 4 内存容量 内存容量 PLC 内存有系统用内存与用户用内存 系统内存要存贮监控程序 提供内部器件及参 数设定 用户用内存提供用户程序存贮 PLC 内存大 内部器件种类越多 数量越多 越便于 PLC 进行种种控制与数据处理 一台小小的 PLC 比起很大的继电器控制柜的控制功能强得多 就是它比后者具有多得多的 内部器件 所以 内部器件的越多 数量也是代表 PLC 性能的一个指标 用户内存大 可存储的用户程序量也大 也就可进行更为复杂的控制 所以 常用用内部器件种类及其数量与可提供的用户程序容量代表 PLC 内存的大小 16 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 当今 PLC 最大的用户程序容量可达几十 k 以至于几百 k 字节 字或步 而内部器件则有 成千上万的 I O 继电器 内部继电器 定时器 计数器及数据存贮器等 5 指令系统 指令系统 PLC 有多少条指令 各条指令又具有什么功能 是了解与使用 PLC 的重要方面 PLC 的指令越来越多 越来越丰富 功能很强的指令 指令的多少及功能将影响着 PLC 的性能 除了指令 为进行通讯 PLC 还有相应的协议与通讯指令或命令 这些也反映了 PLC 的性能 显然 通讯命令越多 功能越强也代表 PLC 性能的一个方面 6 支持软件 支持软件 为了便于编制 PLC 程序 多数 PLC 厂家都开发有编程支持软件 为 PLC 编程 监控提 供平台 同时它还是 PLC 硬件组态或软设定的工具 所以 这些编程软件是否好用 也已成为评判 PLC 性能的指标之一 7 可靠措施 可靠措施 可靠措施的目的是增加 PLC 平均故障间隔时间 MTBF Mean Time Between Failure 及 减少 PLC 的平均修复时间 MTTR Mean Time To Repair 以提高 PLC 的有效度 A Availability A MTBF MTBF MTTR 式中 A 有效率 MTBF 平均故障间隔时间 MTTR 平均修复时间 当然 这 A 值越大越好 它可使 PLC 系统得到充分的利用 是为什么要使用 PLC 的重 要指标 而从上式可知 MTBF 越大 MTTR 越小 则 A 越大 所以 PLC 的可靠措施都 是围绕提高 MTBF 及降低 MTTR 值进行的 鉴于可靠工作是 PLC 的重要特点 至关重要 故有关提高 MTBF 及降低 MTTR 的措施 如何 以及 PLC 的 MTBF 与 MTTR 值也成为 PLC 性能的重要指标 有时 须在特殊环境下如零下 高温 工作 或要求 PLC 要特殊可靠 则需配备环境 特性更好的 PLC 或可对 PLC 作特殊配置 如热备 冗余等等 显然有此类特性或配置的 PLC 则性能也更好些 8 联网通讯 联网通讯 常见的 PLC 网络有三种 信息网 控制网及设备网 信息网 主要为 PLC 与计算机联网 一台 PLC 或多台 PLC 与计算机联网后 可实现计 算机对 PLC 及其控制系统的监控及管理 可极大地提高系统的自动化及信息化的档次及水 平 与计算机联网 已是 PLC 应用的一个趋势 信息网还包含计算机见的联网 如局部以 太网 互联以太网 控制网 主要为 PLC 与 PLC 联成网络 也较普遍 形式 类型越来越多 有较简单的 网络 如 PLC 链接 网点不太多 通讯的管理也较简单 也有复杂的网络 网点可达成千 上万 而且可构成多层次的网络 不同类型的网还可相互沟通 也可交换数据 设备网 主要为 PLC 还可与其它智能装置联网 通讯 互相操作 或交换数据 所谓 PLC 联网能力 主要是指 PLC 与这三种网联接的能力 一般讲 能建成这三种网 能与这三种网相联 联网方法又多 又灵活 就说明其联网能力强 应该说 所有知名品牌 的 PLC 目前都有很强的这种联网能力的 而不是知名品牌的 PLC 这方面也就差一些 联网能力还表现在网络规模 联网节点的多少 网络覆盖范围 数据传送距离 网络 联接介质 网络的互联及网络的兼容性上 目前 有多到几十 几百个节点 覆盖范围大到 17 达几十 几百公里 用双绞线 同轴电缆 光缆以至于无线的介质 多个网络互联 而且不 同厂家的 PLC 共在一个网络上或进行网络互联 都已成为实际可能了 再就是 网络的数据传送能力 这当然也是 PLC 联网能力重要方面 数据传送能力是 指 在不受干扰的前提下 所传送数据帧的大小及数据传送的波特率 数据帧当然越大越好 传送的波特率当然越高越好 目前 PLC 数据传送帧 已从几十字发展到几百 几千个字 传送波特率也已从几 K 发 展到几十 K 几百 K 几千 K 以至于出现了百兆级的工业以太网 9 经济指标 经济指标 经济指标最简单的就是看价格 一般讲 同样技术性能的 PLC 价格低其经济指标就 好 此外 还要看供货情况 供货不及时 影响使用 价格即使低 也不一定就好 看技术 服务 资料不全 用户出现问题得不到技术支持也不好 八 PLC 可用来做什么 基于 PLC 的特点 PLC 已得到广泛的应用 目前主要是 1 用于顺序控制 用于顺序控制 顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况 产生所要求的开关量输出 以使 系统能按一定顺序工作 这是系统工作最基本的控制 也是离散生产过程最常用的控制 常用的顺序控制有 随机控制 根据随机出现的条件实施控制 动作控制 根据动作完成的情况实施控制 时间控制 根据时间推进的进程实施控制 计数控制 根据累计计数的情况实施控制 混合控制 包含有以上几种控制的组合 还有不同以上的其它控制 等等 使用 PLC 实现顺序控制是 PLC 的初衷 也是它的强项 在顺序控制领域 至今还没有 别的控制器能够取代它 2 用于过程控制 用于过程控制 过程控制要用到模拟量

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