西門子6ES7 312-1AE14-0AB0CPU模塊

基本介紹

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定義

它是一種即時系統，有別于個人電腦。傳統式以繼電器為主的電機控制系統中, 每當變更設計時,整個系統幾乎都要重新制作, 不但費時又費力;同時由于繼電器還有接點接觸不良、磨損、體積大之缺點, 因此造成成本升高、可靠性低、不易檢修等問題.為了改善這些缺點,美國DEC在1969年首度發表：可編程式控制器(Programmable Controller).

程式控制器在發表初期被稱為(Programmable Logic -Controller)簡稱PLC, 的目的是取代繼電器，從而執行繼電器邏輯及其他計時或計數等功能的順序控制為主, 所以也稱順序控制器,其結構也像一部微電腦,所以也可稱為微電腦可程式控制器(MCPC),直到1976年,美國電機制造協會正式給予命名為Programmable Controller, 即可程式控制器,簡稱PC,由于目前個人電腦(Personal Computer)極為普遍, 加上常與可程式控制器配合使用,為了區分兩者, 所以一般都稱可程式控制器為PLC 以加以分別.

目前市面上之PLC控制器種類繁多,依照制造廠商及適用場所的不同而有所差異, 但是每種廠牌可依機組復雜度分為大、中、小型;而一般工廠及學校通常使用小型PLC, 其中以日系F系列及我國A系列PLC較受國人愛用. ^[2] 

PLC控制器的發展歷程

作為離散控制的產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發展，世界范圍內的PLC控制器年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC控制器市場容量基數的不斷擴大，近年來PLC在工業發達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。

PLC控制器是由模仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的

PLC控制器只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC控制器的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC控制器的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環運算。PLC控制器每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC控制器，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC控制器使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。

相同I/O點數的系統，用PLC控制器比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。

近10年來，隨著PLC控制器價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC控制器進行控制，PLC控制器在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC控制器在我國仍將保持高速增長勢頭。

通用PLC控制器應用于設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC控制器相對一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的穩定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現在正逐步用通用PLC控制器或定制PLC取代嵌入式控制器。 ^[3-4] 

PLC系統基本結構

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PLC控制器實質是一種于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。

PLC系統*處理單元

*處理單元(CPU)是PLC控制器的控制中樞。它按照PLC控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。

為了進一步提高PLC控制器的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

PLC系統存儲器

存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。

存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

PLC系統電源

PLC控制器的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC控制器直接連接到交流電網上去。

PLC系統程式輸入裝置

負責提供操作者輸入、修改、監視程式用作的功能

PLC系統輸入輸出回路

負責接收外部輸入元件信號和負責接收外部輸出元件信號. ^[5] 

PLC系統工作原理

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掃描技術

當PLC控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入 是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

用戶程序執行階段

在用戶程序執行階段，PLC控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。

即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

輸出刷新階段

當掃描用戶程序結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC控制器的真正輸出。

同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區別了。

一般來說，PLC控制器的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的總和。

PLC系統應用領域

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目前，PLC控制器在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。

開關量的邏輯控制

這是PLC控制器基本、較廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

模擬量控制

在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，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，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

運動控制

PLC控制器可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用的運動控制模塊。如可驅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控制器生產廠家的產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。

過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC控制器能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC控制器也具有此功能模塊。PID處理一般是運行的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用。

數據處理

現代PLC控制器具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據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，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

通信及聯網

PLC控制器通信含PLC控制器間的通信及PLC控制器與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC控制器廠商都十分重視PLC控制器的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC控制器都具有通信接口，通信非常方便。 ^[6] 

PLC系統輸出類型

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PLC控制器數字量輸出類型分為：繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出三種類型。

PLC系統繼電器輸出

不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A/點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決 定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至幾百萬次之間，有的公司產品可達1000萬次以上，響應時間為10ms。

PLC系統晶體管輸出

適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶 DC 5—30V的負載，大輸出負載電流為0.5A/點，但每4點不得大于0.8A。

PLC系統晶閘管輸出

晶閘管（可控硅）帶負載能力為0.2A/點，只能帶交流負載，可適應高頻動作，響應時間為1ms。

PLC系統對PLC的干擾

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空間輻射干擾

空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC控制器系統置于所射頻場內，就會收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC控制器局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

系統外引線干擾

主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業現場較嚴重。

a來自電源的干擾

PLC控制器系統的正常供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電路。尤其是電網內部的變化，如開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC控制器電源通常采用隔離電源，但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，由于分布參數特別是分布電容的存在，隔離是不可能的。

b來自信號線引入的干擾

與PLC控制器控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。

此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制器控制系統因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起系統故障的情況也很多。

c 來自接地系統混亂時的干擾

接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統將無法正常工作。

PLC控制器控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對PLC控制器系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發生異常狀態如雷擊時，地線電流將更大。

此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統地與其它接地處理混亂，所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC控制器內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC控制器工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC控制器的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

系統內部干擾

主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC控制器制造廠對系統內部進行電磁兼容設計的內容，比較復雜，作為應用部門是無法改變，可不多考慮，但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統。 ^[7-8] 

PLC系統PLC特點

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1:能夠設置不同類型產品的工位數量及位置參數，并能夠在線監控運行過程；

PLC控制圖片

2:設備操作靈活方便，能夠實現啟動與暫停，自動與手動模式切換,計數與清零,氣缸下壓時間調整等；

3:螺絲的自動排放，送料，固定，由機器一次性自動完成，不需人工輔助；

4:高速的生產節拍，可實現單工位速度不低于 1-1.5 秒/件。定位精度高，位置誤差不大于 0.02 毫米；

PLC系統未來展望

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21世紀，PLC控制器會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，*的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求.

從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷市場的局面，會出現通用的編程語言；從網絡的發展情況來看，可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發展，可編程控制器作為自動化控制網絡和通用網絡的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。

PLC控制器是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC控制器已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，它具有高可靠性、抗*力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點

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