(1)小型机
小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下,用户程序存储器容量在4K字左右。小型PLC的功能一般以开关量控制为主,适合单机控制和小型控制系统。
(2)中型机
中型PLC的输入、输出总点数在256~2048点之间,用户程序存储器容量达到8K字左右。中型机适用于组成多机系统和大型控制系统。
(3) 大型机
大型PLC的输入、输出总点数载2084点以上,用户程序存储器容量达到16K字以上。大型机适用于组成分布式控制系统和整个工厂的集散控制网络。
上述划分没有一个十分严格的界限,随着PLC技术的飞速发展,一些小型PLC也具备中型或大型PLC的功能,这也是PLC的发展趋势。
2)按结构形式分类
按照PLC的结构特点可分为整体式、模块式两大类。
(1)整体式结构
把PLC的CPU、存储器、输入/输出单元、电源等集成在一个基本单元中,其结构经凑,体积小,成本低,安装方便。基本单元上设有扩展端口,通过电缆与扩展单元相连,可配接特殊功能模块。微型和小型PLC一般为整体式结构,S7-200系列属整体式结构。
(2)模块式结构
模块式结构的PLC由一些模块单元构成,这些标准模块包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种特殊功能模块等,使用时将这些模块插在标准机架内即可。各模块功能是独立的,外形尺寸是统一的。模块式PLC的硬件组态方便灵活,装配和维修方便,易于扩展。
目前,中、大型PLC多采用模块式结构形式,如西门子的S7-300和S7-400系列。
1.2.2 PLC可编程控制器的特点
1)、可靠性高,抗干扰能力强。工业生产一般对控制设备的可靠性要求很高,并且要有很强的抗干扰能力。PLC能在恶劣的环境中可靠的工作,平均无故障时间达到数万小时以上,已被公认为最可靠的工业控制设备之一。
PLC本身具有较强的自诊断功能,保证硬件核心设备(CPU、存储器、I/O总线等)在正常情况下执行用户程序,一旦出现故障则立即给出出错信号,停止用户程序的执行,切断所有输出信号,等待修复。PLC的主要模块均采用大规模和超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路。在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确的考虑,在硬件上采用隔离,屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,在软件上采用数字滤波等措施。与继电器系统和通用计算机相比,PLC更能适应工业现场环境要求。
2) 硬件配套齐全,使用方便,适应性强
PLC是通过执行程序实现控制的。当控制要求发生改变时,只要修改程序即可,最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间。PLC的产品已标准化、系列化、模块化,而且PLC及配套产品的模块品种多,用户可以灵活方便地进行系统配置组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。在PLC控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,不需要进行大量且复杂的硬接线,并且PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
3)、编程直观、易学易会
PLC提供了多种编程语言,其中梯形图使用最普遍。PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,因此PLC程序的编制采用梯形图的简单指令形式。梯形图与继电原理图相似,这种编程语言形象直观,易学易懂,不需要专门的计算机知识和语言,现场工程技术人员可在短时间内学会使用。用户在购买PLC后,只需按说明书的提示,做少量的接线和进行简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
4)、系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便
PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少。同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试,模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机调试,既安全,又快捷方便。
PLC的故障率很低,并且有完善的自诊断和显示功能。当发生故障时,可以根据PLC的状态指示灯显示或编程器提供的信息迅速查找到故障原因,排除故障。
5)、体积小,能耗低
由于PLC采用了半导体集成电路,其体积小,重量轻,结构紧凑、功耗低、便于安装,是机电一体化的理想控制器。对于复杂的控制系统,采用PLC后,一般可将开关柜的体积缩小到原来的1/10~1/2。
1.2.3 PLC的应用
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,随着其性能价格比的不断提高,应用的范围还在不断扩大,PLC的应用大致可归纳为以下几类。
1)、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域。PLC的逻辑控制取代传统的继电系统控制电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单机控制,也可用于多机群控及自动化生产线的控制等。如机床电气控制、装配生产线、电梯控制、冶金系统的高炉上料系统以及各种生产线的控制。
2)、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。目前,大多数的PLC制造商都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,这一功能可广泛用于各种机械,如金属切削机床、金属成型机床、机器人、电梯等。
3)、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。现代的大、中型PLC一般都有闭环PID控制模块,这一功能可以用PID子程序来实现,而更多的是使用专用PID模块来实现。
4)、数据处理
PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以通过通信接口传送到指定的智能装置进行处理,或将它们打印备用。数据处理一般用于大型控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5)、通信及联网
PLC通信括PLC相互之间、PLC与上位机、PLC与其它智能设备间的通信。PLC与其它智能控制设备一起,可以构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,满足工厂自动化系统发展的需要。
● PLC控制系统与继电器控制系统的区别 :
⑴ 组成器件不同:继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成,而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。
⑵ 触点数量不同:硬继电器的触点数量有限,用于控制的继电器的触 点数一般只有4~8对;而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。
⑶ 实施控制的方法不同:在继电器控制线路中,实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的。而PLC控制是通过梯形图即软件编 程解决的。
⑷ 工作方式不同:在继电器控制线路中,采用并行工作方式;而在梯形图的控制线路中,采用串行工作方式。
1.3 PLC可编程控制器的基本组成
PLC种类繁多,功能虽然多种多样,但其组成结构和工作原理基本相同。PLC的控制系统由硬件和软件两大部分组成,硬件指PLC本身及其外围设备,软件是指管理PLC的系统软件和PLC的应用程序
1.3.1 PLC的硬件系统组成
PLC实质上是一种工业控制计算机,PLC与计算机的组成十分相似。只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口,以及更直接的适应控制要求的编程语言。从硬件结构看,它由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等组成。PLC的基本组成框图如图1所示。下面对PLC控制系统的主要硬件部分进行介绍。
图1 PLC的基本组成框图
1)、中央处理器(CPU)
一般由控制器、运算器和寄存器组成,这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
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