1 绪论
工业生产的各个领域,无论是过程控制系统还是传动控制系统,都包含着大量的开关量和模拟量。开关量也称数字量,如电动机的启停、阀门的开闭、电子线路的转置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量,如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。
从生产机械所应用的电器与控制方法看,最初是采用一些手动电器来控制执行电器,这类手动控制适用于一些容量小、操作单一和场合。随后发展为采用自动控制电器的继电-接触器控制系统。这种控制系统的特点是结构简单,价格低廉,维护方便,抗干扰强,因而广泛应用于各类机械设备上。但由于该控制形式是固定接线,通用和灵活性差,又由于采用有触点的开关动作,工作频率低,触点易损坏,可靠性差。
随着生产力的发展和科学技术的进步,人们对所用控制设备不断提出新的要求。具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强等优点的由集成电路组成的顺序控制器应运而生。
所谓顺序控制,是以预先规定也的时间或条件为依据,按预先规定好的动作次序,对控制过程各阶段顺序地进行以开关量为主的自动控制。曾经流行的顺序控制器主要有3种类型:基本逻辑型、条件步进型和时间步进型。其特点是:通用性和灵活性强,通过更改程序可以很方便地适应经常更改的控制要求,容易对大型、复杂系统进行控制,但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变,仍然是对硬件进行设置和更改。
1.1 选题背景
1969年,结合计算机技术与继电器接触控制技术诞生出了可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller) ,它具有逻辑控制、定时、计数等功能,并取代了继电-接触器控制。PLC采用计算机存储程序和顺序执行的原理；编程语言采用直观的类似继电-接触器控制电路图的梯形语言,这使得控制现场的工作人员可以很容易地学习和使用。控制程序的更改可以通过直接改变存储器中的应用软件来实现,由于软件的更改极易实现,从而在实现方式上有了本质的飞跃,其通用性和灵活性进一步增强。
随着时代的发展,PLC技术也在不断的发展,相继出现了以微处理器为核心的可编程序控制ICU(Industrial Control Unit)和由中央微处理器(CPU) 、大规模集成电路、电子开关、功率输出器件等组成的可编程控制器PC(Programmable Controller) 。在其
技术发展迅猛的今天,这个课题值得我们去仔细研究与学习应用 [1,2] 。
图1－1 PLC的基本组成
1.2 可编程控制器（PLC）历史与发展趋势
1.2.1 可编程控制器的历史
1969年,美国数字设备公司(DEC公司)研制出第一台可编程序控制器PDP-14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,并取得了满意的效果,可编程序控制器自此诞生。
可编程序控制器自问世以来,发展极为迅速。1971年,日本开始生产可编程序控制器。1973年,欧洲开始生产可编程序控制器。到现在世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程序控制器装置。可编程序控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中,成为当代电控制装置的主导。 1.2.2 可编程控制器的发展趋势
早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,它采用了一些计算机技术但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展,可编程序控制器也在不断的发展。可编程序控制器的发展趋势主要体现在以下几个方面:
(1)速度更快,体积更小； (2)工业控制技术的集成；
(3)开放性及与主流计算机的结合； (4)仿真软件的开发； (5)实现远程服务[3,4]。
1.3 PLC的工作原理
PLC是基于电子计算机的工业控制器,从PLC产生的背景来看,PLC系统与继电-接触器控制系统有着极深的渊源,因此,可以比照继电-接触器控制系统来学习PLC的工作原理。
1.3.1 PLC的等效电路
一个继电-接触器控制系统必然包括3个部分:输入部分、逻辑电路部分、输出部分。输入部分的组成元件大体上是各类按钮、转换开关、行程开关、接近开关、光电开关等；输出部分则是各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯等执行元件。将输入与输出联系起来的就是逻辑电路部分,一般由继电器、计数器、定时器等元件的触点、线圈按照要求的逻辑关系连接而成,能够根据一定的输入状态输出所要求的控制动作。
PLC系统也同样包含这3个部分,唯一的区别是:PLC的逻辑电路部分用软件来实现, 用户所编制的控制程序体现了特定的输入/输出逻辑关系。
图1－2 PLC等效电路
当用PLC来完成控制任务时,可将输入条件接入PLC,而用PLC的输出单元驱动接触器KM,它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。如图1－2所示,输入按钮信号经过PLC的接线端子进入输入接口电路,PLC的输出经过输出接口、输出端子驱动接触器KM；用户程序所采用的编程语言为梯形图语言。输入映像对应的是PLC内部的