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12月 6 2016

热控技术|深度分析PLC技术应用及发展


       早期的工业生产过程中,由继电器搭建的控制系统逐渐成为工业生产领域最早的控制系统,并且应用越来越广泛。但继电器控制系统通常只能针对某一确定的动作顺序或生产工艺而设计,其控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制需求,还存在着布线多、接线复杂的情况, 一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须重新进行设计、布线、装配和调试,造成时间和资金的严重浪费。因此随着生产规模的逐步扩大,继电器控制系统由于其体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等原因,已越来越难以适应现代工业生产的要求。

1 PLC 的产生和定义

1 9 6 8 年美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新的需求,并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势,提出要研制一种新型的

工业控制装置来取代继电器控制装置,为此,拟定了10项公开招标的技术要求,即:

1)编程简单,可在现场修改程序。

2)维护方便,最好是插件式。

3)可靠性高于继电器控制柜。

4)体积小于继电器控制柜。

5)可将数据直接送入管理计算机。

6)在成本上可与继电器控制柜竞争。

7)输入可以是交流115V。

8)输出可以是交流115V,2A以上,可直接驱动电磁阀等。

9)在扩展时,原有系统只要很小变更。

10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

根据招标的技术要求,第二年,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC,并在通用汽车公司自动装配线上试用成功。这种新型的工控装置,以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点,很快就在美国的许多行业里得到推广应用,也受到了世界上许多国家的高度重视。1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了他们的第1台PLC。1973年,西欧国家也研制出他们的第1台PLC。而我国也从1974年开始研制了相应的产品,并于1977年开始应用于工控领域。

早期的PLC上采用了计算机的设计思想,但功能上比较简单,只能完成顺序控制,仅有逻辑运算等简单功能,所以人们将它称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC。

到了20世纪70年代末至20世纪80年代初期,微处理器日趋成熟,PLC的处理速度也大大提高,同时增加了许多功能。例如:在软件方面,保持了原有的逻辑运算、计时、计数等功能的基础上,还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能;在硬件方面,在保持原有的开关量模块的基础上,还增加了模拟量模块、远程I/O模块以及各种特殊功能的模块,并扩大了存储器的容量,并且还提供一定数量的数据寄存器,因此功能上有了较大的提升,为此,美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器正式命名为可编程序控制器(Programmable Controller),简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。

1985年,国际电工委员会(IEC)对PLC作了如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在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的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

2 PLC的特点

20世纪70年代中末期,可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段,计算机技术全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。其更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及其极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。具体来讲,PLC具有以下几个特点。

2.1 可靠性高,抗干扰能力强

工业生产一般对控制设备的可靠性要求很高,并且要有很强的抗干扰能力。PLC在设计过程中,就遵循了最严格的电磁兼容的设计标准,其主要模块均采用大规模和超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护电路。在结构设计上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确的考虑,在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,在软件上采用数字滤波等措施,保证其能在恶劣的工业环境中可靠的工作。而PLC的平均无故障时间也可以达到数万小时以上,并具有较强的自我诊断和保护功能,已被公认为最可靠的工业控制设备之一。

2.2 硬件齐全,适应性强,使用方便

PLC是通过执行用户程序实现控制的。当控制要求发生改变时,只需要修改程序即可,最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间。另外,PLC的产品已标准化、系列化、模块化,PLC及配套产品的模块品种多,用户可以灵活方便地进行系统配置,组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。另外,在PLC控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,并且无需随着程序的修改而修改,节省了大量的查线、改线时间,并且PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般小型的电磁阀和交流接触器,也可以通过继电器来连接大型的用电设备。

2.3 编程直观、易学易会

PLC提供了多种编程语言,可根据编程者的喜好和实际应用来选择,其中梯形图使用最普遍。PLC是面向用户的设备,梯形图与继电原理图相似,这种编程语言形象直观,易学易懂,不需要专门的计算机知识和语言,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,因此PLC程序的编制采用梯形图的简单指令形式。现场工程技术人员可在短时间内学会使用。用户在购买PLC后,只需按说明书的提示,做少量的接线和进行简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

2.4 体积小,系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便

PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使得自身以及整个控制系统体积大为减小,并且使外围控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少。同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试,模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机调试,既安全,又快捷方便。

PLC的故障率很低,并且有完善的自诊断和显示功能。当发生故障时,可以根据PLC的状态指示灯显示或编程器提供的信息迅速查找到故障原因,排除故障,维护方便。

3 PLC的分类

PLC可以按照多种方法进行分类,但一般情况下,可以按照以下两种方法进行划分:

3.1 按I/O点数分类

PLC所能接收的输入信号和输出信号数量分别称为PLC的输入点数和输出点数。其输入、输出点数的数目之和称为PLC的输入/输出点数,简称I/O点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。

一般而言,PLC控制系统处理的I/O点数较多时,则控制关系比较复杂,用户要求的程序存储器容量也较大,要求PLC指令及其他功能比较多。按PLC输入、输出点数的多少可将PLC分为以下3类。

3.1.1 小型PLC

小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下,用户程序存储器容量在16K字节左右。小型PLC的功能一般以开关量控制为主,适合单机控制和小型控制系统。

3.1.2 中型PLC

中型PLC的输入、输出总点数在256~1K点之间,用户程序存储器容量达到8M字节左右。中型机适用于组成多机系统和大型控制系统。

3.1.3 大型PLC

大型PLC的输入、输出总点数在1K以上,用户程序存储器容量达到64M字节以上。大型机适用于组成分布式控制系统和整个工厂的集散控制网络。

上述划分没有一个十分严格的界限,随着PLC技术的飞速发展,一些中小型PLC也具备中型或大型PLC的功能,这也是PLC的发展趋势。

3.2 按结构形式分类

按照PLC 的结构特点可分为整体式、模块式两大类。

3.2.1 整体式结构

把PLC的CPU、存储器、输入/输出单元、电源等集成在一个基本单元中,其结构紧凑,体积小,成本低,安装方便。基本单元上设有扩展端口,通过电缆与

扩展单元相连,可配接特殊功能模块。微型和小型PLC一般为整体式结构。

3.2.2 模块式结构

模块式结构的PLC由一些模块单元构成,这些标准模块包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种特殊功能模块等。使用时将这些模块插在标准机架内即可。各模块功能是独立的,外形尺寸是统一的。模块式PLC的硬件组态方便灵活,装配和维修方便,易于扩展。

目前,中、大型PLC多采用模块式结构形式,如西门子的S7-300和S7-400系列。

4 PLC的应用

目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,随着其性能价格比的不断提高,应用的范围还在不断扩大。总体来讲,PLC的应用大致可归纳为以下几类。

4.1 开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域。PLC的逻辑控制取代传统的继电系统控制电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单机控制,也可用于多机群控及自动化生产线的控制等。如机床电气控制、装配生产线、电梯控制、冶金系统的高炉上料系统以及各种生产线的控制。

4.2 运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。目前,大多数的PLC制造商都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,这一功能可广泛用于各种机械,如金属切削机床、金属成型机床、机器人、电梯等。

4.3 过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。现代的大、中型PLC一般都有闭环PID控制模块,这一功能可以用PID子程序来实现,而更多的是使用专用PID模块来实现。

4.4 数据处理

PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以通过通信接口传送到指定的智能装置进行处理,或将它们打印备用。数据处理一般用于大型控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

4.5 通信及联网

PLC通信包括PLC相互之间、PLC与上位机、PLC与其他智能设备间的通信。PLC与其他智能控制设备一起,可以构成“集中管理,分散控制”的分布式控制系统,满足工厂自动化系统发展的需要。

5 PLC的发展现状

目前,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展,PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC,而且实现了多处理器的多通道处理。如今,PLC技术已非常成熟,不仅控制功能增强,功耗和体积减小,成本下降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示的发展,使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展,成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在,世界上有200多家PLC生产厂家,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国、欧洲和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色。其中,美国有100多家PLC厂商,著名的有A-B(Allen-Bradley)公司、通用电气(GE)公司等。欧洲PLC产品著名的制造商有德国的西门子(SIEMENS)公司、法国的施耐德公司等。日本也有许多PLC制造商,如三菱、欧姆龙、松下、富士等,韩国的三星(SAMSUNG)、LG等,这些生产厂家的产品占有全球80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展,国内PLC生产厂家也达到有30家。但国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。不过,国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势,如:需求优势、产品定制优势、成本优势、政策优势等等。

6 PLC的发展趋势

随着PLC应用领域日益扩大,PLC技术及其产品结构都在不断改进,功能日益强大,性价比越来越高。

6.1 在产品方面,向高处理速度、大容量发展

一方面,大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC,以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面,向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展,人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高,要求用户存储器容量也越来越大。

6.2 向通信网络化、实时化发展

PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前,PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准,以构成更大的网络系统。另外,随着实时性控制需求的不断增加,各大厂商对于实时性网络的研发投入也在不断地增加。相应的标准都在制定中,例如西门子的ProfiNet实时以太网标准已经正式成为我国的国家标准。

6.3 系统向集成化发展

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时,逐渐使PLC的基本部件,包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化,并逐步进行统一和精简,使得用户采用相同的软件、硬件平台,就可以完成从上位机到控制器再到执行机构等设备的编程、组态和调试,提高系统的集成度,提高系统集成效率,减少用户工程实施的工作量和系统维护的工作量。

6.4 向大数据采集、节能、高效的系统应用发展

节能高效是未来自动化发展的方向。现在PLC自身的模板已经能够提供节能功能,而PLC系统则会向着易于进行大数据采集、节能高效、按需生产的方向发展。未来的PLC及工控系统将更加易于操作、更加智能、易于维护,从而实现节约能效,按需生产的未来自动化发展的目标。

文章来源仪控工程网。

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Written by yuefabo


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