PLC的工作原理

【專家解說】：可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），一種具有微處理機(jī)的數(shù)位電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)位邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)位類比等單元所模組化組合成。 廣泛應(yīng)用于目前的工業(yè)控制領(lǐng)域。在可編程邏輯控制器出現(xiàn)之前，一般要使用成百上千的繼電器以及計數(shù)器才能組成具有相同功能的自動化系統(tǒng)，而現(xiàn)在，經(jīng)過編程的簡單的可編程邏輯控制器模塊基本上已經(jīng)代替了這些大型裝置?？删幊踢壿嬁刂破鞯南到y(tǒng)程序一般在出廠前已經(jīng)初始化完畢，用戶可以根據(jù)自己的需要自行編輯相應(yīng)的用戶程序來滿足不同的自動化生產(chǎn)要求。 最初的可編程邏輯控制器只有電路邏輯控制的功能，所以被命名為可編程邏輯控制器，后來隨著不斷的發(fā)展，這些當(dāng)初功能簡單的計算機(jī)模塊已經(jīng)有了包括邏輯控制，時序控制、模擬控制、多機(jī)通信等許多的功能，名稱也改為可編程控制器（Programmable Controller），但是由于它的簡寫也是PC與個人電腦（Personal Computer ）的簡寫相沖突，也由于多年來的使用習(xí)慣，人們還是經(jīng)常使用可編程邏輯控制器這一稱呼，并在術(shù)語中仍沿用PLC這一縮寫。 現(xiàn)在工業(yè)上使用可編程邏輯控制器已經(jīng)相當(dāng)接近于一臺輕巧型電腦所構(gòu)成，甚至已經(jīng)出現(xiàn)整合個人電腦(采用嵌入式操作系統(tǒng))與PLC架構(gòu)的PC-base控制器，能透過數(shù)位或類比輸入/輸出模組控制機(jī)器設(shè)備、制造處理流程、及其它控制模組的電子系統(tǒng)。PLC可接收(輸入)及發(fā)送(輸出)多種型態(tài)的電氣或電子訊號，并使用他們來控制或監(jiān)督幾乎所有種類的機(jī)械與電氣系統(tǒng)。 發(fā)展歷史 可編程控制器的興起與美國現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)發(fā)展的要求密不可分的。PLC 源起于1960 年代，當(dāng)時美國美國通用汽車公司，為解決工廠生產(chǎn)線調(diào)整時，繼電器順序控制系統(tǒng)之電路修改耗時，平時檢修與維護(hù)不易等問題。在可編程邏輯控制器出現(xiàn)之前，汽車制造業(yè)中的一般控制、順序控制以及安全互鎖邏輯控制必須完全依靠眾多的繼電器、定時器以及專門的閉回路控制器來實現(xiàn)。它們體積龐大、有著嚴(yán)重的噪音，不但每年的維護(hù)工作要耗費大量的人力物力，而且繼電器-接觸器系統(tǒng)的排線檢修等工作對維護(hù)人員的熟練度也有著很高的要求。 針對這些問題，美國通用汽車公司在1968年向社會公開招標(biāo)，要求設(shè)計一種新的系統(tǒng)來替換繼電器系統(tǒng)，并提出了著名的“通用十條”招標(biāo)指標(biāo)。隨后，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)這一設(shè)想，于1969年研制成功了第一臺PDP-14控制器，并在汽車自動裝配線上使用并獲得成功。由于當(dāng)時系統(tǒng)主要用于順序控制、職能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，所以被命名為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。最早期的PLC只具有簡易之邏輯開/關(guān)(on/off)功能，但比起傳統(tǒng)繼電器之控制方式，已具有容易修改、安裝、診斷與不占空間等優(yōu)點。 1970 年代初期，PLC引進(jìn)微處理機(jī)技術(shù)，使得PLC具有算術(shù)運(yùn)算功能與多位元之?dāng)?shù)位信號輸出/輸入功能，并且能直接以階梯圖符號進(jìn)行程式之編寫。這項新技術(shù)的使用，在工業(yè)界產(chǎn)生了巨大的反響。日本在1971年從美國引進(jìn)了這項技術(shù)，并很快研制成功了自己的DCS-8可編程邏輯控制器，德、法在1973年至1974年間也相繼有了自己的該項技術(shù)。中國則于1977年研制成功自己的第一臺可編程邏輯控制器，但是使用的微處理器核心為MC14500。1970 年代中期，PLC功能加入遠(yuǎn)距通訊、類比輸出輸入、NC 伺服控制等技術(shù)。1980 年代以后更引進(jìn)PLC 高速通訊網(wǎng)絡(luò)功能，同時加入一些特殊輸出/輸入界面、人機(jī)界面、高功能函數(shù)指令、資料收集與分析能力等功能。 PLC之功能早已不止當(dāng)初數(shù)位邏輯之運(yùn)算功能，因此近年來PLC常以可編程控制器 PLC內(nèi)部運(yùn)作方式 雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個的掃描過程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”說明如下： 步驟一“輸入狀態(tài)檢查”： PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對應(yīng)之位置Xn。 步驟二“程式執(zhí)行”： 將階梯圖程式逐行取入CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕?。輸出線圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端Yn。 步驟三“輸出狀態(tài)更新”： 將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC 之反應(yīng)時間，PLC 輸入訊號之時間若小于此反應(yīng)時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生”。 硬件結(jié)構(gòu) 一般講，PLC分為箱體式和模組式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模組式PLC，有CPU模組、I/O模組、內(nèi)存、電源模組、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。