PLC技术简介以及前景分析

PLC 技术简介以及前景分析 可编程控制器 PLC 在工科类专业是一门较为重要课程 它应用领域非常广泛 适合于各种 工业和民用场合的设备控制同时它也是一门注重应用的课程 本文简单介绍学生在学习 电工 课中引入 PLC 技术 关键词 PLC 可编程控制器 技术 0 引言 可编程逻辑控制器 f Programmable Logic Controller PLC o IEC 对 PIE 的定义 PLC 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贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通 过数字的 模拟的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 1 中国 PLC 市场未来前景 自动化正以超快速增长的趋势成为现代社会不可或缺的部分 也成为制造商快速服务 全球市场的关键 ARC 咨询集团高级分析师 imanshuShah 表示 很明显 在竞争日益激 烈的全球制造业环境下 制造商为了提高产量和利润率 就必须依赖于自动化技术 我国 工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后 按目前的经济形势分析 我国将迎来一个 PLC 市场高速增长的时期 基于中国经济稳定迅速增长的现状 今后若干年内中国 PLC 市场将保持持续高速增长 相关数据显示 初步估计目前在我国本土销售的 PIE 总量为 30 40 亿元人民币 不含随进 口主设备配套的 PLC 年增长率为 15 20 巨大的市场需求为发展 PIE 业务提供了难得 的历史机遇 国内有实力的自动化公司应充分利用在市场 技术 行业影响和品牌等方面 的积累 大力拓展 PLC 业务 使国产 PLC 早日成为中国 PIE 市场的主要参与者之一 长期以来 可编程控制器始终处于工业控制自动化领域的主战场 为各种各样的自动 化控制设备提供非常可靠的控制方案 与 DCS 和工业 PC 形成了三足鼎立之势 同时 PIE 也承受着来自其它技术产品的冲击 尤其是工业 PC 所带来的冲击 ARC 咨询集团最 新研究表明 在未来 5 年内 各行各业对自动化产品领域的资本投资将继续保持强劲势头 PLC 中国市场预期以 12 4 的年复合增长率 CAGR 增长 市场份额预计从 2006 年的接近 7 5 亿美元增长到 2011 年的 13 亿美元 近年来 中国 OEM 机械厂家一直忙于提高国产机械的自动化水平 减少对国外高端 机械产品的依赖 因此 PLC 作为典型控制产品 在纺织机械 塑料机械 印刷机械 食 品机械 包装机械 起重机械 机床和化工机械等诸多领域被广泛应用 由于经济低迷导 致需求的下降 在电梯 纺织机械 建筑机械 电源设备 造纸机械 电子制造设备 物 料搬运 机床 HVAC 塑料机械 橡胶机械等应用中呈负增长的态势 冶金行业是应用 PLC 最多的项目型市场 以大 中型 PIE 为主 由于产能过剩 需求萎缩和价格下降 也 使得 PIE 在该行业继续保持低迷的态势 目前 世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品 主要应用在汽车 23 粮食 加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 纵观 2009 年 PLC 在大部分 OEM 行业的应用都将维持低迷的态势 只有少数如食品机械和包 装机械等受经济周期影响不大的行业仍能保持一定的增长 但是 一些行业如 汽车 公 共设施 矿业 市政等直接受国家刺激政策的拉动 PLc 需求不减 成为 PLC 稳步增长的 中坚力量 2 可编程控制器的软硬件组成详细介绍 可编程序控制器 Programmable Contmller 原本应简称 PC 为了与个人计算机专称 Pc 相区别 所以可编程序控制器简称定为 PLC Programmable Logic Controller 但并非说 PLC 只能控制逻辑信号 PLC 是专门针对工业环境应用设计的 自带直观 简单并易于掌 握编程语言环境的工业现场控制装置 PLC 的基本组成 PLC 基本组成包括中央处理器 CPU 存储器 输入 输出接口 缩写为 I O 包括输入接 D 输出接口 外部设备接口 扩展接口等 外部设备编程器及电源模块组成 PLC 内部各组成单元之间通过电源总线 控制总线 地址总线和数据总线连接 外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置 构成 PLC 控制系统 2 1 中央处理器中央处理器 CPU 由控制器 运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内 CPU 通过数据总线总线 地址总线 控制总线和电源总线与存储器 输入输出接口 编程 器和电源相连接 小型 PLC 的 CPU 采用 8 位或 16 位微处理器或单片机 如 8031 M68000 等 这类芯片价格很低 中型 PLC 的 CPU 采用 16 位或 32 位微处理器或单 片机 如 8086 96 系列单片机等 这类芯片主要特点是集成度高 运算速度快且可靠性高 i 而大型 PLC 则需采用高速位片式微处理器 CPU 按照 PLC 内系统程序赋予的功能指挥 PLC 控制系统完成各项工作任务 2 2 存储器 PLC 内的存储器主要用于存放系统程序 用户程序和数据等 2 21 系统程序存储器 PLC 系统程序决定了 PLC 的基本功能 该部分程序由 PLC 制造 厂家编写并固化在系统程序存储器中 主要有系统管理程序 用户指令解释程序和功能程 序与系统程序调用等部分 系统管理程序主要控制 PLC 的运行 使 PLC 按正确的次序工 作 用户指令解释程序将 PLC 的用户指令转换为机器语言指令 传输到 CPU 内执行 功能 程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序 系统程序属于需长期保 存的重要数据 所以其存储器采用 ROM 或 EPROM ROM 是只读存储器 该存储器只能 读出内容 不能写入内容 ROM 具有非易失性 即电源断开后仍能保存已存储的内容 EPEROM 为可电擦除只读存储器 须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容 可电擦除可编程只读存储器还有 E2PROM FLASH 等 2 2 2 用户程序存储器用户程序存储器用于存放用户载入的 PLC 应用程序 载入初期 的用户程序因需修改与调试 所以称为用户调试程序 存放在可以随机读写操作的随机存 取存储器 RAM 内以方便用户修改与调试 通过修改与调试后的程序称为用户执行程序 由于不需要再作修改与调试 所以用户执行程序就被固化到 EPROM 内长期使用 2 2 3 数据存储器 PLC 运行过程中需生成或调用中间结果数据 如输入 输出元件的状态 数据 定时器 计数器的预置值和当前值等 和组态数据 如输入输出组态 设置输入滤波 脉冲捕捉 输出表配置 定义存储区保持范围 模拟电位器设置 高速计数器配置 高速 脉冲输出配置 通信组态等 这类数据存放在工作数据存储器中 由于工作数据与组态数 据不断变化 且不需要长期保存 所以采用随机存取存储器 RAM RAM 是一种高密度 低功耗的半导体存储器 可用锂电池作为备用电源 一旦断电就可通过锂电池供电 保持 RAM 中的内容 2 3 接口输入输出接口是 PLC 与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路 PLC 的输入接口有直流输入 交流输入 交直流输入等类型 输出接口有晶体管输出 晶 闸管输出和继电器输出等类型 晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路 晶体管输出型 用于高频小功率负载 晶闸管输出型用于高频大功率负载 继电器输出为有触点输出型电 路 用于低频负载 现场控制或检测元件输入给 PLC 各种控制信号 如限位开关 操作按 钮 选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等 通过输入接口电路将这些信 号转换成 CPU 能够接收和处理的信号 输出接口电路将 CPU 送出的弱电控制信号转换成 现场需要的强电信号输出 以驱动电磁阀 接触器等被控设备的执行元件 2 3 1 输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号 一类是由按钮 转换开 关 行程开关 继电器触头等开关量输入信号 另一类是由电位器 测速发电机和各种变换 器提供的连续变化的模拟量输入信号 以直流输入接口电路为例 R1 是限流与分压电阻 R2 与 C 构成滤波电路 滤波后的输入信号经光耦合器 T 与内部电路耦合 当输入端的按 钮 SB 接通时 光耦合器 T 导通 直流输入信号被转换咸 PLC 能处理的 5V 标准信号电平 简称 1TL 同时 LED 输入指示灯亮 表示信号接通 微电脑输入接口电路一般由寄存器 选通电路和中断请求逻辑电路组成 这些电路集成在一个芯片上 交流输入与交直流输入 接口电路与直流输入接口电路类似 滤波电路用以消除输入触头的抖动 光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入 PLC 由于输入电信号与 PLC 内部电路之问采用光信号耦合 所以两者在电气上完全隔离 使输 入接口具有抗干扰能力 现场的输入信号通过光电耦合后转换为 5V 的 rrL 送入输入数据 寄存器 再经数据总线传送给 CPU 2 3 2 输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号 常用执行元件 有接触器 电磁阀 调节阀 模拟量 调速装置 模拟量 指示灯 数字显示装置和报警装 置等 输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成 与输入接口电路类 似 内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离 微电脑输出接口电 路一般由输出数据寄存器 选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上 CPU 通过数据总 线将输出信号送到输出数据寄存器中 功率放大电路是为了适应工业控制要求 将微电脑 的输出信号放大 2 3 3 其它接口若主机单元的 I O 数量不够用 可通过 I O 扩展接口电缆与 扩展 单元 不带 CPU 相接进行扩充 PLC 还常配置连接各种外围设备的接口 可通过电缆实现 串行通信 EPROM 写入等功能 2 4 编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至 PIE 的用户程序存储器 并利用 编程器检查 修改和调试用户程序 监视用户程序的执行过程 显示 PLC 状态 内部器件 及系统的参数等 编程器有简易编程器和图形编程器两种 简易编程器体积小 携带方便 但只能用语句形式进行联机编程 适合小型 PLC 的编程及现场调试 图形编程器既可用语 句形式编程 又可用梯形图编程 同时还能进行脱机编程 目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件 当个人计算机安 装了 PLC 编程支持软件后 可用作图形编程器 进行用户程序的编辑 修改 并通过个人 计算机和 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送 监控 PLC 运行状态等 2 5 电源 PLC 的电源将外部供给的交流电转换成供 CPU 存储器等所需的直流电 是整个 PLC 的能源供给中心 PLC 大都采用高质量的工作稳定性好 抗干扰能力强