可编程逻辑控制器（PLC）的应用综述外文翻译资料

 2022-04-07 11:04

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可编程逻辑控制器（PLC）的应用综述

Ephrem Ryan Alphonsus, Mohammad Omar Abdullah

1.介绍

可编程逻辑控制器[PLC]是基于计算机的固态单处理器设备，可模拟电气梯形图的行为，能够控制许多类型的工业设备和整个自动化系统。PLC通常是工业自动化系统的主要部分。它们在涉及顺序控制和制造，化学和加工行业过程和辅助元件同步的应用中非常有效和可靠。除了具有使用PLC的技术优势之外，它还降低了先进水平和复杂控制系统的价格。如今，用于执行系统逻辑的大多数控制元件都由PLC代替。

使用术语逻辑是因为编程主要涉及实现逻辑和交换操作。诸如开关之类的输入设备和诸如电动机之类的输出设备被连接到PLC，然后控制器根据机器或过程监视输入和输出。最初，PLC被设计为硬接线继电器和定时器逻辑控制系统的替代品（硬接线意味着所有组件都通过电线手动连接）。PLC由两部分组成，即PLC硬件和编程。有关硬件和编程的细节将分别在下面第3节和4节讨论。

PLC在20世纪60年代后期首次被汽车行业使用其自动化设备主要由分立的不可控电路控制，该电路由机电继电器和面板上硬连线的线圈组成。 通用汽车开发了可编程控制器的技术指标可以取代硬接线的继电器电路。最激进的想法是实现基于继电器原理图的编程语言，输入（来自限位开关，按钮等）由继电器触点表示，输出（电磁阀，电机启动器，灯等）由继电器线圈表示。图1（a）显示了一个简单的液压缸，可以通过按钮伸出或缩回。 其行程由行程结束时打开的限位开关设定，电磁阀只能在液压泵运行时才能运行。 这将由计算机程序控制图1（b）与控制气缸所需的继电器电路相同。这些程序看起来像梯子上的梯级，因此被称为“梯形图”。

图1.简单的PLC应用：（a）由PLC控制的液压缸; （b）用于控制气缸的“梯形图”程序

在20世纪60年代中期，Hydramatic是通用汽车的一个部门公司设想可以使用计算机执行由继电器执行的逻辑功能。工程团队编写了拟议计算设备的功能列表。通用汽车通过指定某些设计标准来启动计算设备的开发，其中包括：

（1）该设备必须耐用，以便能够在工厂遇到的恶劣环境（脏空气，湿度，振动，电气噪声等）下工作。

（2）它必须通过软件更改快速轻松地实现电路修改来提供灵活性。

（3）它必须设计成使用技术人员和电工熟悉的梯形图编程语言。

（4）它必须允许现场接线在控制器的输入/输出端子上终止。

通用汽车在请求感兴趣的公司开发满足其设计要求的设备时使用了该列表。迪克莫利于1968年1月1日构思了第一个可编程控制器。他的公司Gould Modicon公司开发出第一台PLC，第一台084型PLC安装在通用汽车公司的奥兹莫比尔分部和宾夕法尼亚州兰迪斯的Landis公司。第一台PLC大而昂贵。 他 们只能开关控制，这限制了他们的应用程序需要重复运动的操作。

微处理器技术和软件编程技术的创新和改进为PLC增加了更多特性和功能。这种增强功能使PLC能够执行更复杂的运动和过程控制应用程序，并且速度更快。

目前，十多家制造商生产PLC（表格1）这些公司中的大多数制造了多种型号，尺寸，成本和复杂程度各不相同的型号，以满足特定应用的需求。

生产厂家

生产厂家

1

西门子

9

松下

2

ABB

10

Idec公司

3

施耐德（Modicon）

11

基恩士

4

罗克韦尔（Allen-Bradley）

12

东芝

5

三菱

13

富士

6

GE-Fanuc公司

14

倍福

7

欧姆龙

15

博世力士乐

8

光洋

16

罗克韦尔/艾伦 - 布拉德利

表格1： 全球PLC制造商名单

2.个人电脑（PC）与PLC

可编程逻辑控制器的原始设计被称为可编程控制器或PC[14]。 直到个人计算机被广泛使用并且还采用了PC的缩写，这个缩写才引起了混淆。为了避免混淆，可编程控制器行业在标题中增加了逻辑，产生PLC的新术语可编程逻辑控制器。

现代PLC是一种基于计算机的设备，旨在控制过程[1,15]。 它将来自监控过程状态的传感器的信息与能够改变过程的一些执行器的状态联系起来。虽然PLC和个人电脑（PC）都是电脑，但有一些显着的差异。

让我们看看相似之处。PC和PLC系统的架构相似，都具有主板，处理器，内存和扩展插槽。不同之处在于PLC处理器具有通过并行地址，数据和控制总线与存储器和I / O（输入/输出）芯片相连的微处理器芯片。通常，PLC不具有可移动或固定存储介质，如oppy和硬盘驱动器，但它们具有固态存储器来存储程序。

PLC没有监视器，而是人机界面（HMI）屏幕显示通常用于显示过程或生产机器状态。 他们还配备了用于输入和输出现场设备以及通信端口的端子。另一方面，PC在家中做许多工作，而且是复杂的计算机器，它们能够同时并以任何顺序执行几个程序或任务，但是PLC仅以有序且顺序的方式执行仅一项任务指令，制造机器和过程的控制。任何用于工业用途的计算机必须能够承受极端的温度和湿度，忽略电源线上的电压尖峰和跌落，在经常含有腐蚀性蒸气，油和污垢的气氛中生存，并承受冲击和振动。PLC控制系统的设计很容易安装并保持。 通过使用编程器屏幕上显示的故障指示器和消息传递来简化故障排除。 用于连接现场设备的输入/输出模块很容易连接和更换。

PLC被设计为用原理图或梯形图进行编程而不是通用的计算机语言。PLC带有内置在其内存中的程序语言。

3.PLC硬件

梯形逻辑系统的现代版本是可编程控制器。 所有的PLC系统都包含相同的基本构建模块，用于检测输入数据，处理数据并控制各种输出[2]。 基本的块是;

  • 机架组装
  • 电源
  • 编程设备
  • 输入/输出部分
  • 中央处理器（CPU）

3.1机架组装

大多数具有大量输入和输出端子的可编程控制器通过使用各种模块来构建。这些模块包括电源，处理器单元和输入/输出模块。Allen-Bradley控制器区分PLC机箱和机架。包含输入/输出（I/O）模块，处理器模块和电源的硬件组件被称为机箱。这些模块安装在机架中。 PLC机架具有多种功能。 它实际上将模块固定在位，并且还通过使用背面的印刷电路板或机架组件在模块之间提供电连接。

模块很容易插入机架上的通道。 它们插入主板上的插座，与其他电路电接触。将模块插入机架的能力使维护人员能够快速更换有缺陷的设备。

3.2电源

电源为插入机架的其他模块提供直流（DC）电源。对于较大的系统，外部设备的电源由外部交流电（AC）或直流电源提供。对于一些小型的微型PLC系统，可以使用电源为现场设备供电。

3.3编程单元/设备/终端

编程终端或加载终端用于编程CPU，使用的终端类型取决于制造商以及客户的偏好。 一些是使用液晶显示器或发光二极管来显示节目的小型手持设备。这些小单位中的一些将一次显示一行程序，而另一些则需要使用称为布尔的语言输入程序。

另一种类型的编程终端包含显示器和键盘。这种类型的终端通常一次显示多行程序，并可用于观察电路运行时的操作。许多行业都喜欢使用笔记本或笔记本电脑进行编程。一个允许计算机连接到PLC输入端和软件程序的接口通常可从PLC制造商处获得。

3.4输入/输出部分

PLC的I / O部分是所有现场设备所连接的部分，并提供它们与CPU之间的接口。输入/输出布置内置于固定PLC中，而模块化类型使用插入PLC的外部I/O模块。PLC中使用的I/O接口可以采用两种形式：固定式和模块式。固定类型与小型或微型PLC系统相关，所有功能都集成在一个单元中。每个型号内的I/O端口数量不可更改。模块化类型使用机架来保存I/O模块，因此I/O模块的数量和类型可以变化。输入接口模块接受来自机器或过程设备的信号，并将它们转换为控制器可以使用的信号。输出接口模块将控制器信号转换为用于控制机器或过程的外部信号。I/O系统提供了现场硬连线组件和CPU之间的接口。输入接口允许有关过程的状态信息传送给CPU，从而允许CPU通过输出接口将操作信号传送到其控制下的过程设备。

3.4.1输入模块

计算机内部通常工作电压为5 V dc，外部设备（电磁阀，电动机起动器，限位开关等）的工作电压最高可达110 V ac。这两种电压的混合会对PLC电子元件造成不可修复的损坏。可编程逻辑控制器的中央处理单元对电压尖峰和电气噪声非常敏感。出于这个原因，I/O使用光电隔离来电隔离来自CPU的输入信号。

3.4.2输出模块

输出模块用于将中央处理单元连接到负载。输出模块提供CPU和外部电路之间的线路隔离。隔离通常以两种方式之一提供。最流行的是光学隔离与输入模块非常相似。在这种情况下，CPU控制发光二极管。LED用于发信号通知固态设备将负载连接到线路。如果负载由直流电操作，则使用功率光电晶体管将负载连接到线路。如果负载是交流设备，则使用三端双向可控硅开关将负载连接到线路。没有电压尖峰或电气噪声可以传输到CPU。

3.4.3离散量I/O模块

最常见的I/O接口模块类型是离散型。这种类型的接口连接开/关性质的现场输入设备，例如选择开关，按钮和限位开关。同样，输出控制仅限于需要简单开/关切换的设备，如灯，继电器，螺线管和电机启动器。

3.4.4模拟I/O模块

早期的PLC仅限于分立或数字I/O接口，这些接口只允许连接开/关型设备。 这种限制意味着PLC只能部分控制许多过程应用。今天提供模拟接口，可以使控制器适用于任何类型的控制过程。图15说明如何使用PLC模拟量输入和输出模块来测量和显示储罐中的液位。由PLC模拟量模块测量的常见物理量，包括温度，速度，水平，流量，重量，压力和位置。

3.4.5特殊的I/O模块

已经开发了许多不同类型的I/O模块以满足特殊需求。这些包括:

1.高速计数器模块

2.指轮模块

3.编码器 - 计数器模块

4.基本或ASCII模块

5.步进电机模块

6.BCD输出模块

7.PID模块

8.运动和位置控制模块

9.通信模块

3.5中央处理单元（CPU）

CPU协调并控制整个可编程控制器系统的操作。处理器模块通常位于机架组件的一侧。它包含集成电路芯片，其中包括一个或多个微处理器，存储器芯片和电路，使数据能够存储到内存中并从内存中检索。

处理器由三个主要部分组成：中央处理单元（CPU），算术逻辑单元（ALU）和存储器。

中央处理单元是PLC的大脑。CPU的主要功能是解释和执行永久存储在处理器内存中的基于计算机的程序。 这些程序是由PLC制造商编写的，以启用该程序PLC执行梯

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