PLC基本常识

PLC是自动控制技术的核心产品。据PLC的全球市场的领导者AB公司（现被ROCKWELL收购）的定义，“PLC是一种固态控制系统，有一个用户可编程的内存，其中的指令可以用来实现特定的功能，如I/O控制逻辑，延时，计数，算法和数据处理。”

   可编程控制器最早是用来代替硬接线的继电器板的，由于这些继电器板体积庞大而且接线复杂，每次控制方案改变都要重新接线，早期的PLC用逻辑关系来代替这些接线。后来，PLC的功能被大大扩充了。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，现在的PLC也开始进入过程自动化领域，已经具有复杂数据运算、PID控制以及与企业商业系统的通讯功能。

   PLC的基本硬件配置通常由CPU模块、电源模块、I/O模块和通讯模块组成，这些模块通常有一个外壳，并且都插在一块底板上，也有采用模块之间的接口，而不用底板，模块的安装都在一个标准的DIN导轨上。对于规模较小的微型和小型PLC来说，以上模块没有单独的外壳，电源、CPU和I/O板以线路板的形式被装在同一个外壳之内。

   除了以上的基本硬件配置外，PLC还包括人机界面、监控计算机、编程器（现在一般用普通的笔记本电脑代替），以及I/O扩展模块和一些特殊模块。

   PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如下：

表1.1：典型PLC分类

   PLC种类       外观                 典型I/O点数范围    典型应用

   微型PLC       固定I/O，砖块式      <32点              替代继电器，分布式I/O
   小型PLC       砖块式，模块式       33—128点          工业机器开关控制和商业用途
   中型PLC       模块式，小机架       129—512点         复杂机器控制和一些分布式系统
   大型PLC       大机架                   >513点            分布式系统，监控系统
   PC插卡式PLC    ISA或PCI总线卡式    >129点             机器控制，监控系统
   PC兼容控制器    模块式，大或小机架  >129点            机器控制，监控系统

   根据最新的IEC61131-3的PLC的标准，PLC的编程方式通常分为文本方式和图形方式；文本方式有指令集和结构文本两种方式，图形方式为梯形图和功能块图方式。

                                  图2.1 梯形图的概念

   PLC的最基本和常用的编程方式是梯形图方式。梯形图是一种程序，对设备的动作指令逻辑以一种类似在一个梯形（相当于线圈的母线）上的线圈来表示。在一个梯子上的线圈数通常是有限的，而每个线圈的动作的数量也是有限的。在图2.1中，示出了一个梯形图，有N个线圈，每个线圈有三个功能动作。PLC在由最上面的线圈1开始解释和执行该梯形图，先执行功能1，然后移到线圈2，执行线圈2的功能1，然后移到线圈3、4、，。。。。。。直到线圈N，执行完线圈N的功能1后，返回到线圈1，执行功能2，这样，当N个线圈上的三个动作执行完毕后，这个梯形图的任务就算完成了。

   新的PLC还有结构功能图（SFC）和流程图组态功能（FLOW-CHART BLOCK），但通常使用较少。

   PLC通常都具备安全关机功能，指在掉电或故障时，整个PLC的关机是按照一定的安全顺序进行停机的，保证PLC不会发生损坏。

   通常，PLC在操作时，内部的运行程序有五个步骤组成：1) 执行自检程序；2）写I/O； 3）处理逻辑程序；4）读I/O；5）处理通讯程序。见图2.2。

                                 图2.2  PLC的程序操作步骤

   每次PLC一上电，它就立即开始运行一系列的自检程序，确认各部件可以正常工作，在自检时，如果发现异常，它将自动关机，以防损坏。当所有的自检程序通过后，就执行步骤2，同时，启动看门狗定时器以防系统失败，看门狗定时器监视CPU送出的信号，只要能够收到该信号，表示系统正常，一旦收不到该信号，则PLC就知道有问题发生，PLC执行什么动作取决于编程时对它的规定。

   步骤2指将输出缓冲器的I/O数据输出到I/O模块中去。这些数据是经过处理的，因此其会将I/O点设置在一个合适的状态，PLC在试图读取I/O之前总是先执行这个指令，以确保它开始于一个正确的状态。

   步骤3的逻辑解析指对梯形图的解析。PLC从逻辑图的最上端的线圈开始先执行第一个功能，然后到第2个线圈的第一个功能，当所有的线圈的第一个功能解析完后，又回到第一个线圈开始解析第二个功能，这样依次，直到梯形图中所有的线圈的所有功能都解析完。

   步骤4：一旦所有的梯形图程序解析完毕，就开始执行步骤4，即读取I/O模块的信号。这时，送到I/O模块和来自I/O模块的信息都会被检验两次，以确认在这一时刻的解释无误。这一步完成后，PLC就进入步骤5，这一步检查所有的外部通讯接口，比如计算机、人机界面、或任何形式的外部连接设备，此时，PLC也可以检测到外部来的输入信号。

   到此，PLC执行完了一次扫描，图2.2的每个步骤都执行一遍就称为一次扫描。从第二次扫描开始，只要不是刚开机，步骤1就可以不执行。因此，只要看门狗给出系统正常的信号，后面的扫描只执行步骤2到5。有时，步骤5也可以不执行或者多个周期才执行一次，这样，PLC的运行速度会快一些。

   PLC比较擅长的领域是机器工具，机器人，自动装配系统，物流系统，柔性制造单元和大量的其它的系统。近年来，随着PLC的CPU处理能力的提高，早已不局限于开关的的控制，也具备常规的PID控制的功能，PLC开始进入原来只有DCS才能进行的以模拟控制为主的连续流程领域。