可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC或PC,是从初期的熔断器逻辑控制系统发展而至,它不断吸收微计算机技术使之功能不断提高,逐渐适宜复杂的控制任务。
PLC之所以有生命力,在于它愈发适宜工业现场和市场的要求:高可靠性、强抗各类干扰的能力、编程安装使用简便、低价钱长寿命。比之单片机,它的输入输出端更接近现场设备,不需添加太多的中间部件或须要更多的插口,这样节约了用户时间和成本。PLC的左端(输入端)为熔断器、晶体管和二极管等控制部件,而下端通常是面向用户的微型计算机。人们在应用它时,可以毋须进行计算机方面的专门培训,就能对可编程控制器进行操作及编程。用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
自1836年熔断器问世,人们就开始用导线将它同开关元件巧妙地联接,构成用途各异的逻辑控制或次序控制。至今,在PLC的编程语言——梯形图中还可以见到这种布线的影子。直到60年代末、70年代初可编程控制器问世,随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的急速发展,以及微处理器的出现,PLC产品朝大型和超小型化方面进行了一次飞越,最终使初期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制,发展成为具有逻辑判定、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通讯及PID回路调节等功能的现代PLC。
一、可编程控制器的主要功能
PLC是应用面很广,发展十分迅速的工业自动化装置,在鞋厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能,远除了是取代传统的熔断器逻辑。
PLC系统通常由以下基本功能构成:·多种控制功能·数据采集、存储与处理功能·通信联网功能·输入/输出插口调养功能·人机界面功能·编程、调试功能1、控制功能逻辑控制:PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能,可以取代熔断器进行开关量控制。
定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器,用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等形式。
计数控制:用脉冲控制可以实现加、减计数模式,可以联接码盘进行位置测量。
顺序控制:在前道工序完成以后,就转到下一道工序,使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
数据采集、存储与处理功能物理运算功能:
基本算术:加、减、乘、除。
扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算。
比较:大于、小于和等于。
数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出。
模拟数据处理:PID、积分和混频。3、输入/输出插口调养功能具有A/D、D/A转换功能,通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以依据用户要求选择。
具有体温检测插口,直接联接各类内阻或电偶。4、通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通讯、网络技术,有RS232或RS485接口,可进行远程I/O控制,多台PLC可彼此间联网、通信,外部元件与一台或多台可编程控制器的讯号处理单元之间,实现程序和数据交换,如程序转移、数据文档转移、监视和确诊。
通信插口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通讯合同完成程序和数据的转移。如西门子S7-200的Profibus现场总线口,其通讯速度可以达到12Mbps。
在系统构成时,可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网路,以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统,现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。5、人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用,以便作决策和调整。
实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示,到单机的CRT显示与按键操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。6、编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏,进行编程、调试、监视、试验和记录,并通过打印机复印出程序文件。
二、可编程控制器的主要特征
1、可靠性高PLC的MTBF通常在40000~50000h以上,西门子、ABB、松下等微大型PLC可达10万h以上,而且均有建立的自确诊功能,判断故障迅速,便于维护。2、模块化组合灵活可编程控制器是系列化产品,通常采用模块结构来完成不同的任务组合。I/O从8~8192点,有多种型号、多种功能模板可灵活组合,结构方式也是多样的。3、功能强PLC应用微电子技术和微计算机,简单型式都具有逻辑、定时、计数等次序控制功能。基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式不仅具有基本型式的功能外,还具有扩充的估算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通讯能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。4、编程便捷PLC适用针对工业控制的矩形图、功能块图、指令表和次序功能表图(SFC)编程,不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包,并可在任何兼容的个人计算机上编程。5、适应工业环境PLC的技术条件能在通常低温、振动、冲击和烟尘等恶劣环境下工作,能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。6、安装、维修简单与计算机系统相比,PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各类元件联接无误,系统便可工作,各个模件上设有运行和故障指示装置,便于查找故障,大多数模件可以带电拔插,模件可更换,使用户可以在最短的时间内查出故障,并排除,最大限度地压缩故障停机时间,使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修补,这对大规模生产场合尤为适合。
一些PLC壳体由可在不良工作环境下工作的合金组成,结构简单,上面带有散热槽,在低温下,该壳体不像塑料制品那样变型,还可抗无线电频度(RF高频)电磁干扰、防火等。7、运行速度快随着微处理器的应用,使PLC的运行速率增快,使它更符合处理高速度复杂的控制任务,它与微型计算机之间的差异不是很明显。8、总价钱低PLC的重量、体积、功耗和硬件价钱仍然在增加,虽然软件价钱占的比重有所降低,但是各厂商为了竞争也相应地增加了价钱。另外,采用PLC还可以大大减短设计、编程和投运周期,使总价钱进一步增加。
PLC系统与工业总线计算机和DCS系统互相渗透,互为借鉴,相互竞争而发展。促进了工业的进步。
PLC产品面临现场总线的发展,将再度革新,满足工业与民用控制的更高须要。三、PLC的通讯及联网PLC的通讯包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通讯。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通讯处理单元、通信转接器相连构成网路,以实现信息的交换,并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,满足鞋厂自动化(FA)系统发展的须要,各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制,然后采用网路联接构成集中管理的分布式网路系统。
以西门子公司的SIMATICNET为例,在其提出的全集成自动化(TIA)的系统概念中,核心内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通讯的集成。通信网路是这个系统重要的、关键的组件,提供了部件和网路间建立的工业通讯。
SIMATICNET包含了三个主要层次:
AS-I网——传感器和执行器通讯的国际标准,扫描时间5ms,传输媒体为未屏蔽的双绞线,线路宽度为300m,最多为31个从站。
PROFIBUS——工业现场总线,用于车间级和现场级的国际标准,传输率最大12m/s,传输媒体为屏蔽双线线缆(最长9.6km)或光缆(最长90km),最多可接127个从站。
工业以太网——用于区域和单元联网的国际标准,网络规模可达1024站1.5km(电气网路)或200km(光学网路)。
在这一网路体系中,尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线,PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一,已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线,各种各样的自动化设备均可通过同样的插口交换信息。为数诸多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品,用户可以自由地选择最合适的产品。PROFIBUS早已成为美国国家标准DIN19245和法国标准prEN50170,并在世界拥有了最多的用户数目。四、PLC与工业控制计算机(IPC)和集散控制系统(DCS)的比较1、各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面,总线标准化程度高,兼容性强,软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,故对要求快速、实时性强、模型复杂和估算工作量大的工业对象的控制占有优势。
集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统,所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势,初期主要用在连续过程控制,侧重回路调节功能。
PLC是由熔断器逻辑系统发展而至,主要用在离散制造、工序控制,初期主要是取代继电器控制系统可编程控制器的由来,侧重于开关量次序控制方面。
近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通讯技术等的发展,PLC在技术和功能上发生了飞越。在早期逻辑运算的基础上,增加了数值运算、闭环调节等功能,增加了模拟量和PID调节等功能模块;运算速率提升,CPU的能力赶上了工业控制计算机;通信能力的提升发展了多种局部总线和网路(LAN),因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。
PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线可编程控制器的由来,暨向上拓展功能,开放总线。2、相同点在微电子技术发展的背景下,从硬件的角度来看,PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差异正在缩小,都将由类似的一些微电子器件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有好多相同点。3、区别点因为PLC和计算机属于两类产品,经过几十年的发展都产生了自身的装置特性和软件工具。实际上的区别继续存在。
PLC用编程器或计算机编程,编程语言是矩形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构产生组态构成开发系统环境。
特别提出的是与STD总线工控机的区别,无论从修理、安装和模件功能都很相像。PLC更适用于黑模式下运行,但在线运行时若要进行较大的程序更改,其能力略逊于STD工控机,但是从开关量控制而言,PLC的性能优于STD工控机。
总的来说,在选择控制器时,首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪些控制器绝对建立,也没有哪种产品绝对差,只能说选择更适用的产品。