PLC是英文Programmable Logic Controller的缩写,意为可编程序逻辑控制器, 是一种专为工业应用而设计的控制器。世界上第一台PLC于1969年由美国数字设备公司(DEC)研制成功,随着技术的发展,PLC的功能越来越强大,不仅限于逻辑控制,因此美国电气制造协会NEMA于1980年对它进行重命名,称为可编程控制器(Programmable Controller,PC),但由于PC容易和个人计算机PC(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯将PLC作为可编程控制器的缩写。图1-1所示为几种常见的PLC,从左往右依次为三菱PLC、欧姆龙PLC和西门子PLC。
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图1-1 几种常见的PLC
PLC控制是在继电器控制基础上发展起来的,为了更好地了解PLC控制方式,下面以电动机正转控制为例对两种控制系统进行比较。
1.继电器正转控制
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图1-2所示为一种常见的继电器正转控制电路,可以对电动机进行正转和停转控制,左图为控制电路,右图为主电路。
2.PLC正转控制
图1-3所示为PLC正转控制电路,可以实现图1-2所示的继电器正转控制电路相同的功能。PLC正转控制电路也可分作主电路和控制电路两部分,PLC与外接的输入、输出设备构成控制电路,主电路与继电器正转控制主线路相同。
图1-2 继电器正转控制电路
在组建PLC控制系统时,除了要硬件接线外,还要为PLC编写编写控制程序,并将程序从计算机通过专用电缆传送给PLC。PLC正转控制电路的硬件接线如图1-3所示,PLC输入端子连接SB1(起动)、SB2(停止)和电源,输出端子连接接触器线圈KM和电源,PLC本身通过L、N端子获得供电。
图1-3 PLC正转控制电路硬件接线
电路工作过程如下:
按下起动按钮SB1,有电流流过X0端子(电流途径:DC24V正端→COM端子→COM、X0端子之间的内部电路→X0端子→闭合的SB1→DC24V负端),PLC内部程序运行,运行结果使Y0、COM端子之间的内部触点闭合,有电流流过接触器线圈(电流途径:AC220V一端→接触器线圈→Y0端子→Y0、COM端子之间的内部触点→COM端子→AC220V另一端),接触器KM线圈得电,主电路中的KM主触点闭合,电动机运转,松开SB1后,X0端子无电流流过,PLC内部程序维持Y0、COM端子之间的内部触点闭合,让KM线圈继续得电(自锁)。
按下停止按钮SB2,有电流流过X1端子(电流途径:DC24V正端→COM端子→COM、X1端子之间的内部电路→X1端子→闭合的SB2→DC24V负端),PLC内部程序运行,运行结果使Y0、COM端子之间的内部触点断开,无电流流过接触器KM线圈,线圈失电,主电路中的KM主触点断开,电动机停转,松开SB2后,内部程序让Y0、COM端子之间的内部触点维持断开状态。
当X0、X1端子输入信号(即输入端子有电流流过)时,PLC输出端会输出何种控制是由写入PLC的内部程序决定的,比如可通过修改PLC程序将SB1用作停转控制,将SB2用作起动控制。
PLC种类很多,但结构大同小异,典型的PLC控制系统组成框图如图1-4所示。PLC内部主要由CPU、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口电路和扩展接口电路等组成。PLC通过输入接口接收输入设备送来的信号,PLC产生的控制信号通过输出接口送给输出设备。如果需要与其他设备通信,则可在PLC的通信接口连接其他设备;如果希望增强PLC的功能,则可给PLC的扩展接口连接扩展单元。
图1-4 典型的PLC控制系统组成框图
1.CPU
CPU又称中央处理器,是PLC的控制中心,它通过总线(包括数据总线、地址总线和控制总线)与存储器和各种接口连接,以控制它们有条不紊地工作。 CPU的性能对PLC工作速度和效率有较大的影响,故大型PLC通常采用高性能的CPU。CPU的主要功能如下:
1)接收通信接口送来的程序和信息,并将它们存入存储器。
2)采用循环检测(即扫描检测)方式不断检测输入接口电路送来的状态信息,以判断输入设备的状态。
3)逐条运行存储器中的程序,并进行各种运算,再将运算结果存储下来,然后通过输出接口电路对输出设备进行相关的控制。
4)监测和诊断内部各电路的工作状态。
2.存储器
存储器的功能是存储程序和数据。PLC通常配有ROM(只读存储器)和RAM(随机存储器)两种存储器。ROM用来存储系统程序,RAM用来存储用户程序和程序运行时产生的数据。
系统程序由厂商编写并固化在ROM存储器中,用户无法访问和修改系统程序。系统程序主要包括系统管理程序和指令解释程序。系统管理程序的功能是管理整个PLC,让内部各个电路能有条不紊地工作。指令解释程序的功能是将用户编写的程序翻译成CPU可以识别和执行的代码。
用户程序是用户通过编程器输入存储器的程序,为了方便调试和修改,用户程序通常存放在RAM中,由于断电后RAM中的程序会丢失,所以RAM专门配有后备电池。有些PLC采用EEPROM(电可擦写只读存储器)来存储用户程序,由于EEPROM存储器中的内容可用电信号擦写,并且掉电后内容不会丢失,因此采用这种存储器可不要备用电池供电。
输入接口电路是输入设备与PLC内部电路之间的连接电路,用于将输入设备的状态或产生的信号传送给PLC内部电路。
PLC的输入接口电路分为开关量(又称数字量)输入接口电路和模拟量输入接口电路。开关量输入接口电路用于接收开关通断信号,模拟量输入接口电路用于接收模拟量信号。 模拟量输入接口电路采用A-D转换电路,将模拟量信号转换成数字信号。开关量输入接口电路采用的电路形式较多,根据使用电源不同,可分为内部直流输入接口电路、外部交流输入接口电路和外部直/交流输入接口电路。三种类型的开关量输入接口电路如图1-5所示。
图1-5 三种类型的开关量输入接口电路
图1-5 三种类型的开关量输入接口电路(续)
输出接口电路是PLC内部电路与输出设备之间的连接电路,用于将PLC内部电路产生的信号传送给输出设备。
PLC的输出接口电路也分为开关量输出接口电路和模拟量输出接口电路。 模拟量输出接口电路采用D-A转换电路,将数字量信号转换成模拟量信号。 开关量输出接口电路主要有三种类型,即继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和双向晶闸管(也称双向可控硅)输出接口电路。 三种类型开关量输出接口电路如图1-6所示。
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图1-6 三种类型开关量输出接口电路
图1-6 三种类型开关量输出接口电路(续)
1.通信接口
PLC配有通信接口,通过通信接口可与监视器、打印机、其他PLC和计算机等设备进行通信。 PLC与编程器或写入器连接,可以接收编程器或写入器输入的程序;PLC与打印机连接,可将过程信息、系统参数等打印出来;PLC与人机界面(如触摸屏)连接,可以在人机界面直接操作PLC或监视PLC的工作状态;PLC与其他PLC连接,可组成多机系统或连成网络,实现更大规模控制;PLC与计算机连接,可组成多级分布式控制系统,实现控制与管理相结合。
2.扩展接口
为了提升PLC的性能,增强控制功能,可以通过扩展接口给PLC加接一些专用功能模块, 如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。
3.电源
PLC一般采用开关电源供电,与普通电源相比,PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。PLC的电源对电网提供的电源稳定度要求不高,一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。有些PLC还可以通过端子向外提供24V直流电源。
PLC是一种由程序控制运行的设备,其工作方式与微型计算机不同。微型计算机运行到结束指令END时,程序运行结束; PLC运行程序时,会按顺序依次逐条执行存储器中的程序指令,当执行完最后的指令后,并不会马上停止,而是又重新开始再次执行存储器中的程序,如此周而复始,PLC的这种工作方式称为循环扫描方式。 PLC的工作过程如图1-7所示。
PLC有两个工作模式,即RUN(运行)模式和STOP(停止)模式。 当PLC处于RUN模式时,系统会执行用户程序,当PLC处于STOP模式时,系统不执行用户程序。PLC正常工作时应处于RUN模式,而在下载和修改程序时,应让PLC处于STOP模式。PLC两种工作模式可通过其面板上的开关进行切换。
PLC工作在RUN模式时,执行输入采样、处理用户程序和输出刷新所需的时间称为扫描周期,一般为1~100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
图1-7 PLC的工作过程
PLC的用户程序执行过程很复杂,下面以PLC正转控制电路为例进行说明。图1-8所示为PLC正转控制电路与内部用户程序,为了便于说明,图中画出了PLC内部等效图。
图1-8所示PLC内部等效图中的X0(也可用X000表示)、X1、X2称为输入继电器,它由线圈和触点两部分组成,由于线圈与触点都是等效而来的,故又称为软件线圈和软件触点,Y0(也可用Y000表示)称为输出继电器,它也包括线圈和触点。PLC内部中间部分为用户程序(梯形图程序),程序形式与继电器控制电路相似,两端相当于电源线,中间为触点和线圈。
图1-8 PLC正转控制电路与内部用户程序
电路工作过程如下:
当按下起动按钮SB1时,输入继电器X0线圈得电(电流途径:DC24V正端→X0线圈→X0端子→SB1→COM端子→24V负端),X0线圈得电会使用户程序中的X0常开触点(软件触点)闭合,输出继电器Y0线圈得电(电流途径:左等效电源线→已闭合的X0常开触点→X1常闭触点→Y0线圈→右等效电源线),Y0线圈得电一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点闭合,对Y0线圈供电进行锁定,另一方面使输出端的Y0硬件常开触点闭合(Y0硬件触点又称物理触点,实际是继电器的触点或晶体管),接触器KM线圈得电(电流途径:AC220V一端→KM线圈→Y0端子→内部Y0硬件触点→COM端子→AC220V另一端),主电路中的接触器KM主触点闭合,电动机得电运转。
当按下停止按钮SB2时,输入继电器X1线圈得电,它使用户程序中的X1常闭触点断开,输出继电器Y0线圈失电,一方面使用户程序中的Y0常开自锁触点断开,解除自锁;另一方面使输出端的Y0硬件常开触点断开,接触器KM线圈失电,KM主触点断开,电动机失电停转。
若电动机在运行过程中长时间电流过大,则热继电器FR动作,使PLC的X2端子外接的FR触点闭合,输入继电器X2线圈得电,使用户程序中的X2常闭触点断开,输出继电器Y0线圈马上失电,输出端的Y0硬件常开触点断开,接触器KM线圈失电,KM主触点闭合,电动机失电停转,从而避免电动机长时间过电流运行。