通用型PLC的应用于多品种、 小批量、 高质量生产设备

1. PLC 的产生及定义

20 世纪60 年代末期, 在技术改造浪潮的冲击下, 为使汽车结构及外形不断改进, 品种不断增加, 经常需要变更汽车的生产工艺。 1968 年, 美国通用汽车公司(GM 公司) 为了在每次汽车改型或改变工艺流程时能不改动原有电气控制柜内的接线以便降低生产成本, 缩短新产品的开发周期, 提出了研制新型逻辑顺序控制装置的设想, 以及该装置的研制指标要求。 1969 年, 美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC (Programmable Logic Controller),并在美国GM 公司的汽车自动装配线上试用且获得成功。 此后, 这项研究技术迅速发展, 在世界各国的工业领域得到推广应用。

1987 年2 月, 国际电工委员会(IEC) 通过了对PLC 的定义, 即PLC 是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境应用而设计。 它采用一类可编程的存储器, 用于其内部存储程序, 执行逻辑运算、 顺序控制、 定时、 计数与算术操作等面向用户的指令, 并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关外部设备, 都按易于与工业控制系统连成一个整体, 易于扩充其功能的原则设计。

2. PLC 的特点、 分类及应用

1) PLC 的特点

PLC 能如此迅速发展, 除了工业自动化的客观需要外, 还因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、 安全、 灵活、 方便、 经济等问题。 以下是其主要特点:

(1) 可靠性高, 抗干扰能力强;

(2) 控制功能强, 性价比高;

(3) 组成灵活, 系统的设计、 安装、 调试工作量少;

(4) 操作方便, 适应性强, 编程方法简单易学。

2) PLC 的分类

(1) 按I/O 点数和功能分类, PLC 可分为:

①小型PLC: I/O 点数在256 点以下, 以开关量控制为主;

②中型PLC: I/O 点数在256 ～2 048 点之间, 功能比较丰富, 兼有开关量和模拟量的控制能力;

③大型PLC: I/O 点数在2 048 点以上, 用于大规模过程控制、 集散式控制和工厂自动化网络。

(2) 按结构形式分类, PLC 可分为整体式结构和模块式结构两类。

①小型PLC 一般采用整体式结构, 即将所有电路安装于一个箱内, 另外, 可以通过并行接口电路连接I/O 扩展单元。

②中型以上PLC 多采用模块式结构, 不同功能的模块, 可以组成不同用途的PLC, 适用于不同要求的控制系统。

(3) 按用途分类, PLC 可分为通用型PLC 和专用型PLC 两类。

①通用型PLC 作为标准装置, 可供各类工业控制系统选用。

②专用型PLC 是专门为某类控制系统设计的。 由于专用性, 专用型PLC 的结构设计更为合理, 控制性能更完善。

3) PLC 的应用

自PLC 在汽车装配生产线上首次成功应用以来, PLC 在多品种、 小批量、 高质量的生产设备中得到了广泛的推广应用。 PLC 控制已成为工业控制的重要手段之一, 与CAD/CAM、 机器人技术一起成为实现现代自动化生产的3 大支柱。 目前, PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、 水泥、 石油、 化工、 电力、 机械制造、 汽车、 装卸、 造纸、 纺织、 环保和娱乐等行业。

3. PLC 的基本组成

PLC 的实际组成与一般微型计算机系统基本相同, 也由硬件系统和软件系统两大部分组成。

1) 硬件系统

PLC 的硬件系统由CPU (Central Processing Unit, CPU)、 存储器、 I/O 接口电路、 外部设备(外设) 接口、 电源、 I/O 扩展接口等部分组成, 如图3 -1 -3 所示。

图3-1-3　PLC 的硬件系统

(1) CPU。 CPU 是PLC 的核心部分, 是PLC 的逻辑运算和控制指挥中心。 它以扫描的方式工作, 监视并接收现场输入信号, 从存储器中逐条读取并执行用户程序, 完成用户程序所规定的逻辑或算术等操作, 根据运算结果控制输出。(www.xing528.com)

(2) 存储器。 存储器是具有记忆功能的半导体集成电路, 用于存放系统程序、 用户程序、 逻辑变量和其他信息, 包括只读存储器(ROM)、 随机存储器(RAM)。

(3) I/O 接口电路分类如下。

①输入接口电路。 输入接口电路是连接PLC 与其他外设之间的桥梁。 生产设备的控制信号通过输入接口电路传送给CPU。 图3 -1 -4 给出了直流及交流两类输入接口电路, 图中虚线框内的部分为PLC 内部电路, 框外为用户接线。

图3-1-4　输入接口电路

(a) 直流输入接口电路; (b) 交流输入接口电路

②输出接口电路。 输出接口电路用于连接继电器、 接触器、 电磁阀线圈, 是PLC 的主要输出口, 是连接PLC 与外部执行元件的桥梁。 PLC 有3 种输出接口电路: 晶体管输出电路、 双向晶闸管输出电路、 继电器输出电路, 如图3 -1 -5 所示。

图3-1-5　输出接口电路

(a) 晶体管输出电路; (b) 双向晶闸管输出电路; (c) 继电器输出电路

(4) 外设接口。 外设接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座, 通过电缆线可配接编程器、 计算机、 打印机、 扫描仪、 可编程终端等。

(5) 电源。 电源是将交流电压信号转换成CPU、 存储器及I/O 部件正常工作所需要的直流电源。 供电电源的电压等级常见的有: AC 200 V、 380 V, DC 36 V、 24 V 等。

(6) I/O 扩展接口。 I/O 扩展接口是PLC 主机为了扩展I/O 点数和类型的部件。 I/O 扩展单元、 远程I/O 扩展单元、 智能I/O 扩展单元等都通过它与主机相连。 I/O 扩展接口有并行接口、 串行接口等多种形式。

2) 软件系统

PLC 除了硬件系统外, 还需要软件系统的支持, 它们相辅相成, 缺一不可, 共同构成PLC。 PLC 的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成。 系统程序的主要功能是时序管理、 存储空间分配、 系统自检和用户程序编译等。 用户程序是用户根据控制要求, 按系统程序允许的编程规则, 用厂家提供的编程语言编写的程序。

4. PLC 的工作过程与工作原理

1) PLC 的扫描工作方式

PLC 采用“顺序扫描、 不断循环” 的工作方式。 CPU 连续执行用户程序, 任务的循环序列称为扫描。 一个扫描周期包含读输入、 执行程序、 处理通信请求、 执行CPU 自诊断及写输出。

2) PLC 的工作过程

PLC 的工作过程如图3 -1 -6 所示。

图3-1-6　PLC 的工作过程

(1) 输入采样阶段。 CPU 读取(采样) 每个输入端子的信号, 存入输入映像寄存器中,作为程序执行的条件。 若外部端子所连元件为闭合状态, 则输入端子读取信号为“1”; 若外部端子所连元件为断开状态, 则输入端子读取信号为“0”。

(2) 程序执行阶段。 根据PLC 梯形图程序扫描原则, PLC 按先左后右, 先上后下的步序逐句扫描程序。 当指令中涉及I/O 状态时, 对于输入指令, 从输入映像寄存器中读取数据, 读入“1” 的触点状态改变, 读入“0” 的触点状态不变; 然后进行相应的运算, 将输出值存入输出映像寄存器中。

(3) 处理通信请求。 CPU 处理从通信端口接收到的任何信息。 处理通信请求的时间是可以调节的。

(4) 执行CPU 的自诊断。 CPU 检查其硬件、 I/O 模块状态、 用户存储器等, 若发现故障, 及时报警或停止程序运行。

(5) 输出刷新阶段。 将输出映像寄存器中的输出值转存到输出锁存器中, 然后通过一定方式输出, 以驱动外部负载。

3) PLC 的工作原理

PLC 的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。 它通过执行用户程序来实现控制任务。 但是在时间上, PLC 执行的任务是串行的, 这与继电-接触器控制系统中控制任务的执行有所不同。