一 什么是PLC
可编程控制器(Programmble Controller)简称PC或PLC.它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术,计算机技术,通讯技术融为一体的新型工业控制装置.目前,PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中,成为一种最重要,最普及,应用场合最多的工业控制装置,被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC,机器人,CAD/CAM)之一.
国际电工委员会(IEC)于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿.在草案中对可编程控制器定义如下:"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指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程控制器及其有关外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计".
定义强调了PLC应直接应用于工业环境,必须具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和广阔的应用范围,这是区别于一般微机控制系统的重要特征.同时,也强调了PLC用软件方式实现的"可编程"与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别.
近年来,可编程控制器发展很快,几乎每年都推出不少新系列产品,其功能已远远超出了上述定义的范围.
二 ,PLC的产生与发展
在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛.但是电器控制系统存在体积大,可靠性低,查找和排除故障困难等缺点,特别是其接线复杂,不易更改,对生产工艺变化的适应性差.
1968年美国通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要,实现小批量,多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期.于是就设想将计算机功能强大,灵活,通用性好等优点与电器控制系统简单易懂,价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程,面向问题的"自然语言"进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用.
1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果.从此这项技术迅速发展起来.
早期的可编程控制器仅有逻辑运算,定时,计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(Programmable LogicController).随着微电子技术和计算机技术的发展,20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中,使PLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算,数据传送和数据处理等功能.
20世纪80年代以后,随着大规模,超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16位和32位微处理器应用于PLC中,使PLC得到迅速发展.PLC不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗,体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网,数据处理和图象显示等功能,使PLC真正成为具有逻辑控制,过程控制,运动控制,数据处理,联网通信等功能的名符其实的多功能控制器.
自从第一台PLC出现以后,日本,德国,法国等也相继开始研制PLC,并得到了迅速的发展.目前,世界上有200多家PLC厂商,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国,欧洲,和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色,如日本主要发展中小型PLC,其小型PLC性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位.著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradly)公司,GE(General Electric)公司,日本的三菱电机(Mitsubishi Electric)公司,欧姆龙(OMRON)公司,德国的AEG公司,西门子(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等.
我国的PLC研制,生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出.在20世纪70年代末和80年代初,我国随国外成套设备,专用设备引进了不少国外的PLC.此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC的应用逐年增多,并取得显著的经济效益,PLC在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用.目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂,无锡华光电子公司,上海香岛电机制造公司,厦门A-B公司等.
从近年的统计数据看,在世界范围内PLC产品的产量,销量,用量高居工业控制装置榜首,而且市场需求量一直以每年15%的比率上升.PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置.
三,PLC的特点与应用领域
(一)PLC的特点
PLC技术之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,主要是因为它具有许多独特的优点.它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠,安全,灵活,方便,经济等问题.主要有以下特点:
1.可靠性高,抗干扰能力强
可靠性高,抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一.PLC的平均无故障时间可达几十万个小时 ,之所以有这么高的可靠性,是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施:
(1)硬件方面 I/O通道采用光电隔离,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响;对供电电源及线路采用多种形式的滤波,从而消除或抑制了高频干扰;对CPU等重要部件采用良好的导电,导磁材料进行屏蔽,以减少空间电磁干扰;对有些模块设置了联锁保护,自诊断电路等.
(2)软件方面 PLC采用扫描工作方式,减少了由于外界环境干扰引起故障;在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序,能对系统硬件电路等故障实现检测和判断;当由外界干扰引起故障时,能立即将当前重要信息加以封存,禁止任何不稳定的读写操作,一旦外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的工作.
2.编程简单,使用方便
目前,大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言,它是一种面向生产,面向用户的编程语言.梯形图与电器控制线路图相似,形象,直观,不需要掌握计算机知识,很容易让广大工程技术人员掌握.当生产流程需要改变时,可以现场改变程序,使用方便,灵活.同时,PLC编程器的操作和使用也很简单.这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一.
许多PLC还针对具体问题,设计了各种专用编程指令及编程方法,进一步简化了编程.
3.功能完善,通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算,定时,计数,顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换,数值运算,数据处理,PID控制,通信联网以等许多功能.同时,由于PLC产品的系列化,模块化,有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成满足各种要求的控制系统.
4.设计安装简单,维护方便
由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件,控制柜的设计,安装接线工作量大为减少.PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试,缩短了应用设计和调试周期.在维修方面,由于PLC的故障率极低,维修工作量很小;而且PLC具有很强的自诊断功能,如果出现故障,可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息,迅速查明原因,维修极为方便.
5.体积小,重量轻,能耗低
由于PLC采用了集成电路,其结构紧凑,体积小,能耗低,因而是实现机电一体化的理想控制设备.
(二)PLC的应用领域
目前,在国内外PLC已广泛应用冶金,石油,化工,建材,机械制造,电力,汽车,轻工,环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大.从应用类型看,PLC的应用大致可归纳为以下几个方面:
1.开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算,定时,计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制,多机群控制,生产自动线控制等,例如:机床,注塑机,印刷机械,装配生产线,电镀流水线及电梯的控制等.这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域.
2.运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块.这一功能广泛用于各种机械设备,如对各种机床,装配机械,机器人等进行运动控制.
3.过程控制
大,中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能,有的小型PLC也具有模拟量输入输出.所以PLC可实现模拟量控制,而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制.这一功能已广泛用于锅炉,反应堆,水处理,酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面.
4.数据处理
现代的PLC都具有数学运算,数据传送,转换,排序和查表等功能,可进行数据的采集,分析和处理,同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置,如计算机数值控制(CNC)设备,进行处理.
5.通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC,PLC与上位计算机,PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元,通信转换单元相连构成网络,以实现信息的交换,并可构成"集中管理,分散控制"的多级分布式控制系统,满足工厂自动化(FA)系统发展的需要.
四,PLC的分类
PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同.对PLC的分类,通常根据其结构形式的不同,功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.
1.按结构形式分类
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