PLC可编程逻辑控制器的应用原理及特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：1973～1974年，西德与法国也开始研制出自己的可编程序控制器。3）监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误。4）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭相关的控制电路。它体积小、价格便宜，通常需联机工作，一般用来给小型PLC编程，或用于现场调试和维修。通常大中型PLC多采用图形编程器。

1968年美国通用汽车公司（GM）根据汽车制造生产线的需要，希望采用电子化的新型控制器代替继电器控制柜，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间，通用汽车公司对新型控制器提出以下10条具体要求：

1）编程简单，可在现场修改程序。

2）维护方便，采用插件式结构。

3）可靠性高于继电器控制柜。

4）体积小于继电器控制柜。

5）成本可与继电器控制柜竞争。

6）数据可以直接输入管理计算机。

7）可直接用115V交流输入。

8）输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。

9）通用性强，扩展时很方便。

10）程序要能存储，存储容量可扩展到4K字节。

针对通用汽车公司提出的10条要求，美国数字设备公司（DEC）于1969年首先研制成功第一台型号为PDP-14的可编程控制器，在美国通用汽车公司的汽车装配线上试用获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，很快就研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973～1974年，西德与法国也开始研制出自己的可编程序控制器。

1.PLC的硬件系统组成

PLC的硬件系统都大体相同，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出模块（I/O接口）、电源及编程器几大部分组成。PLC硬件结构框图如图5-1-16所示。

图5-1-16 PLC硬件结构框图

中央处理器（CPU）是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内各部分工作等任务。它的主要功能有以下几点：

1）接受并存储从编程器键入的用户程序和数据。

2）用扫描的方式接受现场输入设备的状态或数据，并存入相应的数据区。

3）监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误。

4）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭相关的控制电路。分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算等任务。

5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

PLC中采用的CPU一般有三大类，第一类为通用微处理器，如80286、80386等。第二类为单片机芯片，如8031、8051、8096等。第三类为位处理器，如AMD2900、AMD2903等。

小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采用高速位片式处理器。PLC的档次越高，所用CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能也越强。

PLC配有两种存储器，分别为系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。常用的存储器类型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM。

输入模块和输出模块简称I/O模块，它们是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变速器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。PLC一般使用AC220V或DC24V电源，内部的开关电源为各模块提供DC5V、DC±12和DC24V等电源。

编程器用来生成用户程序，并用它来进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。一般分为手持式（简易）编程器和图形编程器两类。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它体积小、价格便宜，通常需联机工作，一般用来给小型PLC编程，或用于现场调试和维修。图形编程器既可用于指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可连机编程又可脱机编程，操作方便、功能强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编程器还可以与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。通常大中型PLC多采用图形编程器。

I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，就要通过I/O扩展单元来实现扩展。

PLC还配设其他外部设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器等。

2.PLC的分类

按输入输出点数、功能和存储容量不同，PLC可分为小型、中型和大型3类。

小型PLC又称为低档PLC，这类PLC的规模较小，它输入输出点数一般从20点到128点，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型机。常见的小型PLC产品有三菱公司的F₁、F₂、FX₀系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S5-95U、S7-200等。

中型PLC的I/O点数通常在120到512之间，用户程序存储器的容量为2～8kB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节如比例、积分、微分（PID）调节、数据传输与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网等功能。常见的有三菱公司A_1S系列，立石公司（欧姆龙）C200H、C500、西门子公司S5-115U等。

大型PLC又称高档PLC，I/O点数在512以上，其中I/O点数大于8192点的又称超大型PLC。大型PLC用户程序存储器的容量为8kB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。如三菱公司的A₃M、A₃N，立石公司的C100H、C200H，AB公司的PLC-5以及西门子公司S5-135U、S5-155U、S7-400等。

3.梯形图编程语言

梯形图编程语言（Ladder Diagram）与传统继电器控制电路图相似；梯形图与继电器控制图设计思路也基本一致；梯形图很容易由电气控制电路转化而来。由于梯形图是PLC用户程序的一种图形表达形式，因此梯形图设计又称为PLC程序设计或编程。继电器电路图与梯形图的比较如图5-1-17所示。

通过图5-1-17可以看出两者的区别在于继电器控制图使用的是硬件继电器和定时器，靠导线连接组成控制电路，而PLC梯形图使用的是内部继电器、计时器和计数器，靠软件来实现控制。因此，PLC的使用具有很高的灵活性，程序修改过程非常方便。

图5-1-17 继电器电路图与梯形图的比较

a）电路图 b）梯形图

4.PLC在焊接自动化中的应用

在焊接过程自动化控制中包括焊接工艺的程序自动控制和焊接过程参数的自动控制，PLC主要用于焊接过程的程序自动控制，当然也可用于某些焊接过程的参数调节。对于电弧焊的程序自动控制，主要包括弧接电源、送丝机、焊接小车或焊接转台、工装夹具按照特定的顺序运行、停止。为了保证自动电弧焊的顺利实施，不同的焊接方法有不同的程序控制要求。气体保护焊进行自动焊应满足以下要求：提前和滞后送气；可靠的一次引燃电弧；熄弧控制；焊接过程的程序控制。PLC配合焊接专机可以用于环形焊缝的自动焊接，变压器铁心的四面焊缝自动焊接，多工位焊缝的自动焊接等。

PLC可编程逻辑控制器的应用原理及特点

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