PLC系統簡介
作為離散控制的首選產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發展，世界範圍內的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數的不斷擴大，近年來PLC在工業已開發國家的增長速度放緩。但是，在中國等開發中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。PLC是由模仿原繼電器控制原理髮展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先套用的是汽車製造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；並通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程式表達了生產過程的工藝要求，並事先存入PLC的用戶程式存儲器中。運行時按存儲程式的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程式步存儲地址的程式計數器，在程式運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程式從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然後再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程式不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。
相同I/O點數的系統，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟體和硬體都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、迴路很少，採用PLC較為合適。PLC由於採用通用監控軟體，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。
近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始採用PLC進行控制，PLC在我國的套用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發展和基礎自動化水平的不斷提高，今後一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。
通用PLC套用於專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的穩定性。實際工作中碰到的一些用戶原來採用嵌入式控制器，現在正逐步用通用PLC或定製PLC取代嵌入式控制器。
什麼是PLC?
它是一種即時系統有別於個人電腦 .傳統式以繼電器為主的電機控制系統中, 每當變更設計時,整個系統幾乎都要重新製作, 不但費時又費力;同時由於繼電器還有接點接觸不良、磨損、體積大之缺點, 因此造成成本升高、可靠性低、不易檢修等問題.為了改善這些缺點, 美國DEC在1969年首度發表：可程式控制器(Programmable Controller).程式控制器在發表初期被稱為(Programmable Logic -Controller)簡稱PLC, 最先的目的是取代繼電器,。從而執行繼電器邏輯及其他計時或計數等功能的順序控制為主, 所以也稱順序控制器,其結構也像一部微電腦,所以也可稱為微電腦可程式控制器(MCPC),直到1976年,美國電機製造協會正式給予命名為Programmable Controller, 即可程式控制器,簡稱PC,由於目前個人電腦(Personal Computer)極為普遍, 加上常與可程式控制器配合使用,為了區分兩者, 所以一般都稱可程式控制器為PLC 以加以分別.
目前市面上之PLC種類繁多,依照製造廠商及適用場所的不同而有所差異, 但是每種廠牌可依機組複雜度分為大、中、小型;而一般工廠及學校通常使用小型PLC, 其中以日系MITSUBISHI三菱F系列及我國士林電機所生產之A系列PLC較受國人愛用. 而本CAI將以三菱FX2 PLC 為主加以介紹,望使用者能對PLC有更深的瞭解, 在使用PLC時能更得心應手. 可程式控制器內部基本結構可用下圖來表示, 其內部處單元包括CPU、輸入模組、輸出模組三大部門, PLC的CPU 會經由輸入模組取得輸入元件所產生的訊號, 再從記憶體中逐一取出原先以程式書寫器中輸入的控制指令, 經由運算部門邏輯演算後,再將結果過輸出模組加以驅動外在的輸出元件.
PLC 內部結構圖
程式輸入裝置
:負責提供操作者輸入、修改、監視程式用作的功能中央處理單元(CPU)
負責PLC管理、執行、運算、控制等功能.程式記憶體
負責儲存使用者設計的順序程式參數及註解等.資料記憶體
負責儲存輸入、輸出裝置的狀態及順序程式的轉換資料.系統記憶體
儲存PLC執行順序控制所需的系統程式.輸入迴路
負責接收外部輸入元件信號.輸出迴路
負責接收外部輸出元件信號.在工業用途非常廣泛,如半導體晶圓廠的各種自動化設備的控制 大樓電梯 機械停車設備 路邊的紅綠燈變換控制 自動化生產線.
PLC的基本結構
PLC實質是一種專用於工業控制的計算機，其硬體結構基本上與微型計算機相同．中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程式賦予的功能接收並存儲從編程器鍵入的用戶程式和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，並能診斷用戶程式中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，並分別存入I/O映象區，然後從用戶程式存儲器中逐條讀取用戶程式，經過命令解釋後按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據暫存器內。等所有的用戶程式執行完畢之後，最後將I/O映象區的各輸出狀態或輸出暫存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可*性，近年來對大型PLC還採用雙CPU構成冗餘系統，或採用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。
存儲器
存放系統軟體的存儲器稱為系統程式存儲器。存放套用軟體的存儲器稱為用戶程式存儲器。
電源
PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的製造商對電源的設計和製造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)範圍內，可以不採取其它措施而將PLC直接連線到交流電網上去。PLC的工作原理
掃描技術
當PLC投入運行後，其工作過程一般分為三個階段，即輸入採樣、用戶程式執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重複執行上述三個階段。(一) 輸入採樣階段
在輸入採樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，並將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入採樣結束後，轉入用戶程式執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈衝信號，則該脈衝信號的寬度必須大於一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
(二) 用戶程式執行階段
在用戶程式執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程式(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，並按先左後右、先上後下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然後根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
即，在用戶程式執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程式執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程式起作用。
(三) 輸出刷新階段
當掃描用戶程式結束後，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。
同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，採用掃描用戶程式的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯並行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什麼區別了。
一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等於自診斷、通訊、輸入採樣、用戶程式執行、輸出刷新等所有時間的總和。
PLC的套用領域
目前，PLC在國內外已廣泛套用於鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的套用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用於單台設備的控制，也可用於多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合工具機、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。
模擬量控制
在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可程式控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模組，使可程式控制器用於模擬量控制。
運動控制
PLC可以用於圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用於開關量I/O模組連線位置感測器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模組。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模組。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用於各種機械、工具機、機器人、電梯等場合。過程控制
過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程式，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模組，目前許多小型PLC也具有此功能模組。PID處理一般是運行專用的PID子程式。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的套用。
數據處理
現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函式運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的採集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智慧型裝置，或將它們列印制表。數據處理一般用於大型控制系統，如無人控制的柔性製造系統；也可用於過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。
通信及聯網
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智慧型設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網路發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網路系統。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
PLC未來展望
21世紀，PLC會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地套用於可程式控制器的設計和製造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智慧型更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求.從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的程式語言；從網路的發展情況來看，可程式控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可程式控制器技術的發展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可程式控制器套用。伴隨著計算機網路的發展，可程式控制器作為自動化控制網路和國際通用網路的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。
PLC是一種專門為在工業環境下套用而設計的數字運算操作的電子裝置。它採用可以編製程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，並能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC已經廣泛套用於鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。
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