可编程逻辑控制器的应用综述外文翻译资料

 2022-03-29 09:03

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可编程逻辑控制器的应用综述

摘要：随着自动化需求的显着增加，控制系统需要变的易于编程，灵活，可靠，强大且经济高效。本文讨论了可编程逻辑控制器（PLC）在当前市场中的应用情况。本文综述了PLC在能源研究，工程研究，工业控制应用和植物监测方面的应用情况。PLC确实有其自身的局限性，但研究结果表明PLC具有更多的优点而不是限制。本文的结论是，无论是简单还是复杂的控制系统，PLC均可用于任何应用。 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

目录

第一章.介绍 2

第二章.个人电脑vs PLC 4

第三章.PLC的硬件 8

3.1． 机架组装 8

3.2 电源 9

3.3． 编程单元/设备/终端 9

3.4．输入/输出部分 10

第四章．PLC编程 16

第五章．其他可编程器件 17

5.1控制模式 19

5.2可编程器件 20

第六章．PLC应用程序 21

6.1水和废水管理控制 21

6.2能源研究 23

6.2.1太阳跟踪系统 23

6.2.2 风能 24

6.2.3光伏应用 24

6.2.4加热，通风和空调（HVAC）控制 24

6.3研究，培训和教育 24

6.4制造业 26

6.5控制和监测植物和其他应用 36

第七章．PLC的优点和局限性 41

7.1PLC的优点 41

7.2 PLC的限制 43

第八章.结论 46

第一章.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，可模拟控制多种工业设备和整个自动化系统的电梯图[1]的行为[2]。 PLC通常是工业自动化系统的主要部分[3]。在涉及顺序控制和制造，化学和加工工业中工艺和辅助元件同步的应用中，它们非常有效和可靠[4,5]。除了具有使用PLC的技术优势外，还降低了先进水平和复杂控制系统的价格[5-7]。目前，用于执行系统逻辑的大多数控制元件都被PLC取代[8]。

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以及受控的输出设备（如电机）与PLC连接，然后控制器根据机器或过程监视输入和输出[9]。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第3节和第4节中讨论。

PLC在20世纪60年代后期首次被汽车工业所采用[2,10-13]，其自动化设备主要由离散的不灵活电路控制，这些电路由机电继电器和面板上硬连线的线圈组成。通用汽车提高了可编程控制器的精度，可以取代硬接线继电器电路[2,11,12]。最激进的想法是实现基于继电器原理图的编程语言，其输入（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）由继电器线圈代表[12]。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。这将由图1（b）的计算机程序控制，该程序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[12]。

在20世纪60年代中期，通用汽车公司的一个部门Hydramatic设想计算机可以用来执行继电器执行的逻辑功能[2]。 工程团队编写了拟议计算设备的功能列表。 通用汽车通过设定某些设计标准来启动计算设备的开发，其中包括：

~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

~ 它必须通过软件更改快速轻松地实施电路修改来提供灵活性。

~ 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。

~ 它必须允许现场接线终止在控制器的输入/输出端子上。

通用汽车在请求感兴趣的公司开发符合其设计要求的设备时使用了这份规格列表。 迪克莫利构想了1968年1月1日的第一台可编程控制器[14]。 当他的公司Gould Modicon公司开发出第一台PLC [2,11,14]时，第一台084 PLC安装在通用汽车公司的Oldsmobile分部和位于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。

表1.1 全球市场上的PLC制造商名单

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，见表1.其中大多数公司生产的多种PLC型号，尺寸，成本和复杂程度各不相同，以满足特定应用的需求。

。

第二章.个人电脑vs 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和个人计算机（PC）都是计算机，但有一些显着的不同之处[10,14,16]。

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，

图5.典型零件的可编程控制器。

（a）三菱自动化（b）罗克韦尔自动化公司[16]。

图6.CJ1型PLC，欧姆龙[18]

内存和扩展插槽[14]。不同之处在于PLC处理器具有通过并行地址，数据和控制总线连接到存储器和I / O（输入/输出）芯片的微处理器芯片。通常，PLC不具有可移动或固定的存储介质，如软盘驱动器和硬盘驱动器，但它们具有存储程序

的固态存储器。 PLC没有显示器，但人机界面（HMI）平面显示器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在家庭，办公室中做许多工作，并且是复杂的计算机器，其能够以任何顺序同时执行多个程序或任务，但是PLC仅以有序且顺序的方式执行一个任务，从开始到最终控制制造机器和过程。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[14,16]：忽略电源线上的电压尖峰和跌落;存在于经常含有腐蚀性蒸汽，油和污垢的大气中;并承受冲击和振动。

PLC控制系统的设计易于安装和维护。使用编程器屏幕上显示的故障指示器和消息传送简化了故障排除。用于连接现场设备的输入/输出模块很容易连接和更换[16]。PLC被设计为用原理图或梯形图代替普通计算机语言编程[1,10,14,16,17]。 PLC带有内置在其存储器中的程序语言（图5）。

图7.CJ1 PLC系统配置，欧姆龙[18]。

图8. CJ系列CPU机架由CPU单元，电源单元，配置单元（基本I / O单元，特殊I/O单元和CPU总线单元）和端盖组成。[18]。

第三章.PLC的硬件

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[2]。 Allen-Bradley控制器区分PLC机箱和机架[16]。 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机架提供多种功能。 它实际上将模块固定在位，并且还通过在背面或机架组件上使用印刷电路板提供模块之间的电气连接[2,14,16]。

模块很容易插入机架上的通道。 它们适合安装在主板上的插座，以便与其他电路进行电气接触。 模块可以插入机架的特性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，如图3.1所示。对于较大的系统，通过外部交流（AC）或直流电源为现场设备供电。 对于一些小型微型PLC系统，电源可用于为现场设备供电[2,16]。

3.3． 编程单元/设备/终端

编程终端或加载终端用于编程CPU [2,10,14,16]。 使用的终端类型取决于制造商以及客户的偏好。 有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布尔型语言（图3.2）输入程序。

另一种类型的编程终端包含一个显示器和键盘，如图3.3所示。这种类型的终端通常一次显示多行程序，可用于观察电路工作时的操作[19]。

许多行业倾向于使用笔记本或便携式计算机[20]进行编程，图3.4。允许计算机连接到PLC的输入端和软件程序的接口通常可以从PLC [10]。

图9.模块从背板接收电压和电流[16]。

3.4．输入/输出部分

PLC的I / O部分是所有现场设备连接的部分，并提供它们与CPU之间的接口。输入/输出配置内置于一个固定的PLC中，而模块化类型使用插入PLC的外部I / O模块[16]。

PLC中使用的I / O接口可以采用两种形式：固定式和模块式[14]。固定类型与小型或微型PLC系统相关，其中所有功能都集成到一个单元中。每个型号的I / O端口数量是固定的，不能更改。模块化类型使用机架来固定I / O模块，因此可以改变I / O模块的数量和类型。

输入接口模块接受来自机器或过程设备的信号，并将它们转换成控制器可以使用的信号[16]。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系统提供了现场硬接线组件与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。

图10.典型的手持编程设备[16]。

图11.欧姆龙编程终端，NS15-TX01 [19]。

图12.戴尔公司的戴尔笔记本电脑[20]。

图13.基于机架的I / O部分[16]。

3.4.1输入模块

计算机内部通常以5伏直流电运行。外部设备（电磁阀，电动机起动器，限位开关等）在高达110V的交流电压下运行。[12]。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极其敏感[10]。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[10,12,14,16]。

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[10]。 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（图13）。

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，如图15所示。这种类型的接口连接ON/OFF性质的现场输入设备，如选择开关，按钮和限位开关[16]。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，这些接口仅允许开/关型设备连接。 这种限制意味着PLC只能部分控制许多过程应用。今天的模拟接口可以使控制器适用于任何类型的控制过程

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