数学模型与计算机控制 第七章 可编程控制器.docx
《数学模型与计算机控制 第七章 可编程控制器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数学模型与计算机控制 第七章 可编程控制器.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数学模型与计算机控制第七章可编程控制器
第七章可编程控制器
7．1可编程控制器概述
可编程控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制，故其最初被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
现代的可编程控制器已发展到以微处理器为基础高度集成化的工业控制装置，它是计算机技术与工业控制技术相结合的控制设备。
7．1．1可编程控制器的产生
在60年代初期，顺序控制器还主要是由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先规定的时间或条件顺序地工作，若要改变控制顺序就必须改变控制器的硬件接线，这不仅阻碍了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制来说，不但设计制造困难，其可靠性不高，查找排除故障也往往是费时和困难的。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断翻新，想寻求一种新方法，以便尽可能地减少重新设计和重新接线的工作，从而降低成本、缩短周期。
为了用新的控制装置取代继电器控制装置，通用汽车公司在公开招标中提出了十项招标指标，即：
1．编程方便，现场可修改程序；
2．维修方便，采用模块化结构；
3．可靠性高于继电器控制装置；
4．体积小于继电器控制装置；
5．数据可直接送入管理计算机；
6．成本可与继电器控制装置竞争；
7．可直接用115V交流输入；
8．输出为115V，2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
9．通用性强，要能扩展；
10．用户程序存储器容量可扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制成功第一台PLC，应用于美国通用汽车自动装配线上，取得了极大的成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、体积小、适于在工业化的环境下运行、使用寿命长等一系列优点，迅速地在各工业领域广泛使用。
1971年，日本从美国引进了这项新技术。
1973年，西欧国家也相继研制成功了可编程控制器。
我国从1974年开始研制、引进，1977年开始生产并投入使用。
目前，可编程控制器已成为增长速度最快的工业控制设备。
7．1．2可编程控制器的定义
可编程控制器出现以后，名称混乱，而且由于其初期在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器。
随着技术的发展，一些厂商采用微处理器（MPU）作为可编程控制器的中央处理单元（CPU），使可编程控制器不仅可进行逻辑控制，而且还可对模拟量进行控制。
为了使这一新型工业控制装置的生产和发展标准化，美国电气制造商协会（NationalElectricalManufacturersAssociation，简称NEMA）于1980年将它正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。
PC的定义如下：
“PC是一种数字式的电子装置，它使用了可编程序的存储器以存储指令，能完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，并通过数字或类似的输入／输出模块，以控制各种机械或生产过程。
”
国际电工委员会（IEC）于1985年在其颁布的可编程控制器标准草案第二稿中，又给PC作了如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输人／输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”这就是说，PC是一种特别适合于工业环境的，面向工程技术人员的“蓝领计算机”。
7．1．3可编程控制器的主要功能
随着PC的不断发展，它与3C技术（Computer，Control，Communication）逐渐融为一体。
目前PC已从小规模的单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PC综合控制系统。
PC的主要功能如下：
1．开关量的逻辑控制
这是PC最常用的功能，PC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，能取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。
它可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等。
例如注塑机、印刷机械、组合机床、包装流水线、电镀流水线等。
2．定时控制
PC能为用户提供几十个甚至几千个计时器。
计时器的计时值既可由用户在编制程序时设定，也可由操作人员在工业现场通过人机对话装置实时地设定。
计时器的实际计时值也可以通过人机对话装置实时地读出和修改。
例如马达空载启动运行数秒后再加入额定负载；注塑机合模后经数分钟再开模等。
3．计数控制
PC为用户提供了几十个甚至几千个计数器，其计数设定值的设定方式类似于计时器。
一般计数器的计数频率较低，如需对频率较高的信号进行计数，则需选用高速计数模块，其最高计数频率可达50kHz，如贝加莱公司的高速计数模块；或者选用具有内部高速计数模块的PC，如三菱公司的FX系列的PC，它可提供计数频率达10kHz的内部高速计数器。
4．过程控制
有些PC具有模／数（A／D）转换和数／模（D／A）转换功能，能完成对模拟量的检测、控制和调节。
例如对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环PID（ProportionalIntegralDerivative）控制。
现代的大、中型可编程控制器都有PID控制模块，为了既能完成对模拟量的PID控制，又不加重可编程控制器内的CPU负担，一般选用专门的PID模块。
5．位置控制
目前多数PC制造商都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴控制模块，这一功能可广泛地应用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。
6．步序控制
PC为用户提供了若干个移位寄存器，可用于步序控制，即一道工序完成后，再进行下一道工序。
例如高炉上料系统、供电保护系统、货物存放与提取等。
7．数据处理
现代的PC具有数据处理功能。
它能进行数学运算（矩阵运算、函数运算、逻辑运算等）、数据传递、数据转换、排序和查表、位操作等功能，还能完成数据采集、分析、处理。
这些数据可通过通讯接口传送到其它智能装置。
8．通讯和联网
新一代的PC都具有通讯功能。
PC的通讯包括PC相互之间、PC与上位计算机、PC与其它智能设备间的通讯。
PC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，从而实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，满足了工厂自动化系统的发展要求。
9．监控功能
PC能对系统异常情况进行识别、记忆，或在发生异常情况时自动终止运行。
操作员可以通过监控命令监视有关部分的运行状态，可以调整定时、定数等设定值。
10．其它功能
PC还具有显示、打印、报警、对数据和程序硬拷贝等功能。
7．1．4PC的特点
PC之所以能成为当今增长速度最快的工业自动控制设备，是由于它具备了许多独特的优点。
它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
PC的主要特点如下：
1．可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是PC最突出的特点之一，PC的平均无故障时间可达几十万小时。
由于工业生产过程常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。
针对这些情况，PC采取了一系列措施，其主要方法是对所有输入／输出（I／O）接口电路均采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PC影响。
（1）各输入端均采用R－C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms，对于一些高速输入端则采用数字滤波，其滤波时间常数可用指令设定。
（2）各模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰。
（3）采用优良的开关电源。
（4）对器件进行严格的筛选。
（5）具有自诊断功能，一旦电源或软件、硬件发生异常情况，CPU立即采取措施防止故障扩大。
（6）大型PC还采取双CPU构成冗余结构或由三CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。
目前的PC可以承受幅值为1000V，上升时间为1ns，脉冲宽度为lμs的干扰脉冲。
由于PC可以连续工作几十万小时无故障，工业界称之为无故障设备，故现在的PC性能指标不再列出MTBF（平均无故障工作时间）了。
2．编程简单易学
PC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图。
对于企业中一般的电气技术人员和技术工人，这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易被接受，故梯形图被称为面向“蓝领的编程语言”，PC也被称为“蓝领计算机”。
尽管现代的PC也可用高级语言编制复杂的程序，但梯形图仍广泛地被使用。
3．设计、安装容易，调试周期短，维护简单
PC已实现了产品的系列化、标准化、通用化，设计者可在规格繁多、品种齐全的PC产品中选用高性价比的产品。
PC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、记数器等器件，从而使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
用户程序的大部分可以在实验室模拟进行，调试好后再将PC控制系统放到生产现场联机调试，这样既快速又安全方便，从而就大大缩短了设计和调试周期。
在用户维修方面，由于PC本身的故障率极低，维修的工作量很小，而且各种模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。
又由于许多PC采用模块式结构，因此一旦某模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。
有些PC如贝加莱的产品还允许带电插拔I／O模块。
4．模块品种丰富、通用性好、功能强大
除了单元式小型PC外，多数PC均采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。
常见的模块有各类电源模块、CPU模块、直流I／O模块、交流I／O模块、温度模块、数字量混合模块、模拟量混合模块、网络模块、接口模块、定位模块、PID模块、空模块、高速记数模块、鼓序列发生器模块等。
现代的PC具有工业控制所要求的各种控制功能，它既可控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺过程。
PC具有通讯联网功能，可与相同或不同厂家和类型的PC联网，并可与上位机通信构成分布式控制系统。
5．体积小、能耗低
以奥地利贝加莱公司2005系列的PCC机为例，若选用电源模块PS794，开关量模块DI477（32路输入，功耗1．5W），DO479（16路输出，功耗1W），模拟量模块AI350（8路输入，功耗5W），AO350（8路输出，功耗5W），整个外形尺寸为165mm×360mm×123mm。
由于体积小，重量轻，很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
7．1．5PC与其它工业控制装置的比较
7．1．5．1PC与继电器控制系统的比较
以下几个方面说明了PC取代传统的继电器控制系统已成必然趋势。
1．控制方式
继电器的控制是采用硬件接线实现的，它是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，它只能完成既定的逻辑控制。
其连线多而复杂，且体积大，功耗大，一旦系统设计制造完成后，再想改变或增加功能将十分困难。
此外继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差。
而PC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称“软接线”。
其连线少，体积小，且PC中每只软继电器的触点理论上可使用无限次，因而灵活性和扩展性极佳。
又由于PC是由大规模集成电路组成，所以功耗很小。
2．控制速度
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，其工作频率低，触点的开合动作一般在几十毫秒，此外机械触点还会出现抖动现象。
而PC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。
PC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。
3．延时控制
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难。
PC用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度高，用户可根据需要在程序中设定定时值，定时精度小于10ms，定时时间不受环境影响。
4．其它控制方式
继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制，且没有计数功能。
PC除了能进行开关量逻辑控制外，还能对模拟量进行控制，而且能完成多种复杂控制。
5．设计与施工
用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行。
周期长，且修改困难，工程越大，这一点就越突出。
用PC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
6．可靠性和可维护性
继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。
触点的开闭会受到电弧的损坏，还有机械磨损，寿命短，可靠性和维护性都差。
而PC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，因此寿命长，可靠性高。
又由于PC的自检和监测功能，为现场调试和维护提供了方便。
7．价格
使用继电器控制价格便宜，而用PC价格较高。
7．1．5．2PC与微型计算机的比较
1．应用范围
微机除了用于控制领域外，其主要是用于科学计算、数据处理、计算机通讯等方面。
而PC主要用于工业控制。
2．使用环境
微机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定温度和湿度要求的机房内使用。
而PC适应于工程现场环境。
3．输入和输出
微机系统的I／O设备与主机之间采用微电联系，一般不需电气隔离，但外部控制信号需经A／D，D／A转换后方可与微机相联。
PC一般可控制强电设备，无需再做A／D，D／A转换接口，且PC内部有光一电耦合电路进行电气隔离，输出采用继电器、可控硅或大功率晶体管进行功率放大。
4．程序设计
微机具有丰富的程序设计语言，要求使用者具有一定的计算机硬件和软件知识。
PC有面向工程技术人员的梯形图语言和语句表，一些高级PC也具有高级编程语言。
5．系统功能
微机系统一般配有较强的系统软件，并有丰富的应用软件，而PC的软件则相对简单。
6．运算速度和存储容量
微机运算速度快，一般为微秒级，为适应大的系统软件和丰富的应用软件，其存储容量很大。
PC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度，PC的软件少，编程也短，内存容量小。
7．1．5．3PC与单板机的比较
1．单板机的优点
单板机结构简单、价格便宜，一般用于数据采集、数据处理和工业控制，它在数据采集和数据处理方面优于PC。
但它与PC相比还有一些缺点。
2．单板机的缺点
（1）不如PC容易掌握：
单板机一般用机器指令或助记符编程，要求设计者具有一定的计算机硬件和软件知识。
（2）不如PC使用简单：
用单板机来实现自动控制，一般要在输入、输出接口上做大量的工作。
例如要考虑现场与单板机的连接、接口的扩展、输入／输出信号的处理、接口的工作方式等。
其调试也比较麻烦。
（3）不如PC可靠：
用单板机进行工业控制，其突出问题在于抗干扰能力差，可靠性低。
7．1．5．4PC与集散系统比较
1．PC是由继电器逻辑控制发展而来的，而集散系统（DCS）是由回路仪表控制发展而来，但两者的发展均与计算机控制技术有关。
2．早期的PC在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定的优势。
今天，二者相互渗透，互为补充。
PC与DCS的差别已不明显，它们都能构成复杂的分级控制，从趋势来看，二者的统一将组成全分布式计算机控制系统。
7．1．5．6PC的发展趋势
PC从诞生至今，虽然只有30～40年的历史，但其发展势头迅猛。
如今我们会发现在工业自动化领域的新术语层出不穷。
如：
PC、IPC（工业控制计算机）、DCS（计算机集散控制系统）、PCC（可编程计算机控制器）、PCS（过程控制系统）、FCS（现场总线控制系统）……。
若用PC来表述当今的可编程控制系统已不再合适，这是因为其中已溶入了工业计算机和计算机集散系统的特点。
贝加莱公司已于1994年提出了“可编程计算机控制器——PCC（ProgrammableComputerController）的概念，SIEMENS公司提出了“过程控制系统——PCS（ProcessControlSystem）”的概念。
今后，PC主要朝如下几个方面发展。
1．大型网络化
今后的PC将具有DCS系统的功能。
网络化和强化通信能力是PC的一个重要发展趋势。
PC构成的网络将有多个PC、多个I／O模块相连，并可与工业计算机、以太网等相连构成整个工厂的自动控制系统。
现场总线技术（如：
PROFIBUS）在工业控制中将会得到越来越广泛地应用。
2．模块种类将丰富多彩
为了适应各种特殊功能的需要，各种智能模块将层出不穷。
智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PC的CPU并行工作，占用主机的CPU时间很少，有利于提高PC的扫描速度和完成特殊的控制要求。
3．高可靠性
一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性，因而自诊断技术、冗余技术、容错技术在PC中得到广泛地应用。
如：
贝加莱的产品可方便地实现三重或多重冗余，其电源冗余可直接由并行插电源模块来实现，其I/O模块在运行中还可热插拔。
4．良好的兼容性
PC产品的优劣除了要看其内在技术是否优良外，还需考察其满足国际标准化的程度和水平。
标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各厂家产品的相互兼容。
5．小型化、低成本
小型PC的基本特点是价格低，简单可靠，适用于回路或设备的单机控制，便于机电一体化。
除此而外，小型PC有灵活的组态特性，能与其它机型连用。
6．编程语言的高级化
除了梯形图、语句表、流程图外，一些PC增加了BASIC，C等编程语言。
另外，将出现通用的、功能更强的组态软件，进一步改善开发环境，提高开发效率。
7．2可编程计算机控制器的原理与结构
无论是可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）还是可编程计算机控制器（ProgrammableComputerController，简称PCC）其基本的组成和工作原理都是相同的。
7．2．1可编程控制器的组成及其各部分的功能
从广义上说，可编程控制器也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工艺过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。
所以PC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出（I/O）接口、电源等，如图7.1所示。
图7.1可编程控制器的基本组成
由于PC的中央处理器是由微处理器、单片机或位片式计算机组成，存储器及I／O部件的形式也多种多样，因此，也可将PC的组成以微型计算机控制系统常用的总线形式表示。
如图7.2
图7.2可编程控制器的单总线结构框图
7．2．2可编程控制器各组成部分的作用
下面结合图7.1、图7.2说明各组成部分的功能。
1．输入部件
输入部件是可编程控制器与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PC的桥梁。
该部件接收由主令元件、检测元件传来的信号。
主令元件是指用户在控制键盘（控制台）上操作的一切功能键，如开机、关机、调试或紧急停车等按键。
主令元件给出的信号称为主今信号。
检测元件的功能是检测一些物理量（如行程、距离、速度、位置、压力、流量、液位、温度、电压、电流等）在设备工作进程中的状态，并通过输入部件送入PC以控制工作程序的转换等。
常见的检测元件有：
行程开关、限位开关、光电检测开关、继电器触点及其它各类传感器等。
输入方式有两种，一种是数字量输入（也称为开关量或接点输入），另一种是模拟量输入（也称为电平输入）。
后者要经过模拟／数字变换部件进入可编程控制器。
输入部件均带有光电耦合电路，其目的是把可编程控制器与外部电路隔离开来，以提高可编程控制器的抗干扰能力。
为了方便与现场信号连接，输入部件上设有输入接线端子排。
为了滤除信号的噪声和便于PC内部对信号的处理，输入部件还有滤波、电平转换、信号锁存电路。
各PC生产厂家都提供了多种形式的I／O部件或模块，供用户选用。
2．输出部件
它也是PC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作（如电机的启、停、正转、反转；阀门的开和关；设备的转动、移动、升降等）。
对于PC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件通常有一些大功率器件，如机械触点式的继电器，无触点的交流开关（如双向可控硅）及直流开关（如晶体三极管）等。
与输入部件类似，输出部件上也有输出锁存器、显示、电平转换和输出接线端子排。
输出部件或模块也有多种类型供选用。
3．中央处理器（CPU）
与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个PC系统的核心，它按PC中系统程序赋予的功能，指挥PC有条不紊地进行工作。
其主要任务有：
控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I／O部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑运算或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。
与通用微型计算机不同的是，PC具有面向电气技术人员的开发语言。
通常以虚拟的输入继电器、输出继电器、中间辅助继电器、时间继电器、计数器等交给用户使用，这些虚拟的继电器也称为“软继电器”或“软元件”，理论上具有无限的常开、常闭触点，可在且只能在PC编程时使用，至于具体结构，对用户透明。
目前，小型PC为单CPU系统，而中型及大型PC则为双CPU甚至多CPU系统。
对于双CPU来说，一般具有一个位处理器和一个字处理器，字处理器CPU这个核心之核心，常由通用的8位、16位或32位微处理器担任，如Z80，8085，MCS－51等。
字处理器执行所有的编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器在有的系统中也称为布尔处理器，如美国TI公司的TI－530等，位处理器采用半用户设计的专用芯片来实现，不仅使PC增加了功能，提高了速度，也加强了PC的保密性能。
PC中位处理器的主要作用有两个：
一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度，减少了位指令对字处理器的压力；二是将PC的面向工程技术人员的编程语言（梯形图、控制系统流程图等）转换成机器语言。
4．存储器及存储器扩展
与普通微机系统的存储器功能相似，PC的存储器也是用来存储系统和用户的程序与数据。
系统程序存储器是指用来存放系统管理、用户指令解释、标准程序模块、系统调用等程序的存储器，常用EPROM（或称重写只读存储器）构成。
用户存储器用来存储用户编制的程序或用户数据。
存储用户程序的称为用户程序存储器，常用EPROM。
存储用户数据的称为用户数据存储器，常用RAM，为防止掉电时信息的丢失，有后备电池作保护。
由于PC系统的存储器关系到PC的性能，不能由用户直接存取，因而，PC产品样本或使用手册中所列存储器形式及其容量系指用户存储器而言。
PC中已提供一定容量的存储器供用户使用，但对有些用户，可能还不够用，因此大部分PC都提供了存储器扩展功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU模板中，也有一些PC是要求将扩展模板插入中央基板中。
5．通讯接口
为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PC配有多种通讯接口，PC通过这些通讯接口可以与监视器、打印机、其它的PC或计算机相连。
当PC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印。
当与监视器（CRT）相连时，可将过程图像显示出来。
当与其它PC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制。
当
升级会员 