PLC在工业环境下的发展历程与应用

PLC Programmable Logic Controller：PLC的英文全称是Programmable Logic Controller，中文全称是Programmable Logic Controller。它使用一种可编程存储器，用于内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，通过数字或模拟输入/输出或生产过程控制各类机械. DCS分布式系统：DCS英文全称是DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM，中文全称是Distributed Control System。DCS可以理解为一种自动化高科技产品，广泛应用于模拟回路控制较多的行业，力图分散控制带来的危险，集中管理和显示功能。

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DCS一般由五部分组成：1：控制器2：I/O板3：操作站4：通讯网络5：图形和过程软件。

一、PLC的历史

在工业生产过程中，大量的开关量是顺序控制的，它根据逻辑条件执行顺序动作，根据逻辑关系控制连锁保护动作可编程控制器的定义，以及大量离散的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统实现的。1968年，美国GM（通用汽车）公司提出更换电气控制装置。次年，美国数字公司开发了一种基于集成电路和电子技术的控制装置。它是第一代可编程控制器，称为可编程控制器（PC）。

个人计算机（简称PC）发展后，为了方便和体现可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器被命名为Programmable Logic Controller（PLC）。现在，PLC通常被简称为PC。

PLC有很多定义。国际电工委员会 (IEC) 将 PLC 定义为：可编程控制器是一种以数字方式运行的电子系统，专为在工业环境中使用而设计。它使用可编程存储器来存储用于执行诸如逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字和模拟输入和输出来控制各种类型的操作。机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则进行设计。

1980年代至1990年代中期，PLC是增长最快的时期，年增长率为30-40%。在此期间，PLC处理模拟量、数字计算、人机界面和网络的能力有了很大提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在一些应用中取代了过程控制领域的主导DCS。系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制，尤其是顺序控制中的地位，在可预见的未来是不可替代的。

二、PLC的结构

PLC在结构上分为固定式和组合式（模块化）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等。这些元件组合成一个不可拆卸的整体。模块化PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、背板或机架，这些模块可以按照一定的规则组合配置。

三、CPU的组成

CPU是PLC的核心，充当神经中枢。每个 PLC 至少有一个 CPU。它根据PLC系统程序分配的功能接收和存储用户程序和数据。状态或数据存储在指定寄存器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态以及编程过程中的语法错误。进入操作后，从用户程序存储器中一一读取指令，分析后根据指令指定的任务产生相应的控制信号，命令相关控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器和实现它们之间连接的数据、控制和状态总线组成。CPU单元还包括外围芯片、总线接口及相关电路。存储器主要用于存储程序和数据，是PLC不可缺少的组成部分。

从用户的角度来看，没有必要详细分析CPU的内部电路，但应该很好地了解各个部分的工作机制。 CPU的控制器控制CPU的工作，它读取指令、解释指令并执行指令。但工作节奏是由振荡信号控制的。计算器用于执行数字或逻辑运算，并在控制器的指挥下工作。寄存器参与运算，存储运算的中间结果，同时也在控制器的指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定了PLC的工作速度、IO数量和软件容量等，从而限制了控制规模。

四、I/O 模块

PLC与电路之间的接口是通过输入输出（I/O）来实现的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映了输入信号的状态，输出点反映了输出锁存器的状态。输入模块将电信号转换成数字信号进入PLC系统，输出模块则相反。I/O分为数字输入（DI）、数字输出（DO）、模拟输入（AI）、模拟输出（AO）等模块。

开关量是指只有on和off（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指不断变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压等级分有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA、0-20mA）、电​​压型（0-10V、0-5V、-10-10V）等，按精度分有12bit、14bit 、16位等。

除了以上通用IO外，还有特殊的IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

根据 I/O 点数确定模块规格和数量。I/O 模块的数量可多可少，但最大数量受限于 CPU 可以管理的基本配置能力，即背板或机架插槽的最大数量。

五、电源模块

PLC电源用于为各个PLC模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC）、直流电源（常用于24VAC）。

六、背板或机架

大多数模块化PLC使用背板或机架，其作用是：电气上实现模块之间的连接，使CPU可以访问背板上的所有模块，机械上实现模块之间的连接，使每个模块构成一个整体。

七、PLC系统其他设备

1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监控运行、检查和维护不可缺少的设备。用于编程，对系统进行一些设置，监控PLC和PLC控制的系统的工作状态。不直接参与现场控制操作。小型编程器PLC一般都有手持编程器，目前一般使用电脑（运行编程软件）作为编程器。

2、人机界面：最简单的人机界面就是指示灯和按键。目前，液晶屏（或触摸屏）一体化操作终端应用越来越广泛，计算机（运行组态软件）作为人机界面非常普遍。

3、输入输出设备：用于永久存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器、输入模拟量的电位器、打印机等。

八、PLC通讯组网

依托先进的工业网络技术，可以快速有效地采集、传输生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越明显，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点。

PLC具有通讯和联网功能，使PLC与PLC、PLC与上位机等智能设备之间进行信息交换，形成统一的整体可编程控制器的定义，实现分散集中控制。大多数 PLC 具有 RS-232 接口，有些具有支持各自通信协议的内置接口。

PLC的通讯还没有实现互通。IEC 规定了多种现场总线标准，被所有 PLC 制造商采用。

对于一个自动化项目（尤其是中大型控制系统）来说，选择网络非常重要。第一，网络要开放，方便不同设备的集成和未来系统规模的扩展；其次，要根据不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这需要在对网络标准协议、机制有更深入了解的前提下；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、站点环境适用性等具体问题，确定不同层次使用的网络标准。