(9.1.1)--1-1项目1工作任务1PLC的产生、发展与特点.pdf
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1、工作任务工作任务 1 PLC 的产生、发展与特点的产生、发展与特点 教学导航教学导航 能力和知识目标:能力和知识目标:1.了解 PLC 的产生;2.熟悉 PLC 的历史和发展;3.掌握 PLC 的分类与性能指标;4.掌握 PLC 的特点。任务引入任务引入 可编程控制器(Programmable logic Controller 简称 PLC 或 PC),是随着现代社会生产的发展和技术进步,现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展,在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置,是将微型计算机技术.控制技术及通信技术融为一体,应用到工业控制领域的一种高可靠控制器,是现代工业生产自
2、动化的重要支柱。知识链接知识链接 一、一、PLC 的产生的产生 在可编程控制器产生以前,以各种继电器为主要元件的电气控制线路,承担着生产过程自动控制的艰巨任务,可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统,需要用成千上万根导线连接起来,安装这些继电器需要大量的继电器控制柜,且占据大量的空间。当这些继电器运行时,又产生大量噪声,消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行,需安排大量的电气技术人员进行维护,有时某个继电器的损坏,甚至某个继电器的触点接触不良,都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障,要进行检查和排除故障又是非常困难的,全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是生产工艺发生变化时,
3、可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜,重新接线或改线的工作量极大,甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此,这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此,人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统,使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工作要求。1968 年,美国量大汽车制造商通用汽车公司(GM)为满足市场需求,适应汽车生产工艺不断更新的需要,将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装置配线上各种继电器的控制线路问题,要寻求一种比继电器更可靠,响应速度更快、功能更强大的通
4、用工业控制器。GM 公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标,要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器,它应具有以下特点:编程简单,可在现场方便地编辑及修改程序。价格便宜,其性能价格比要高于继电器控制系统。体积要明显小于继电器控制柜。可靠性要明显高于继电器控制系统。具有数据通信功能。输入可以是 AC115V。输出为 AC115V,2A 以上。硬件维护方便,最好是插件式结构。扩展时,原有系统只需做很小改动。用户程序存储器容量至少可以扩展到 4K。于是可编程控制器应运而生:1969 年,美国数字设备公司(DEC)根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器,型号为 PDP-14,并在
5、 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功,取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC)。可编程控制器这一新技术的出现,受到国内外工程技术界的极大关注,纷纷投入力量研制。第一个把 PLC 商品化的是美国哥德公司(GOULD),相继日本德国从美国引进了这项新技术,研制出了各自的可编程控制器。我国从 1974 年开始研制,1977 年开始工业应用。早期的 PLC 主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成,它采用了一些计算机的技术,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能,但它简化了计算机的内部结构,使之能够很好地适应
6、恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展,20 世纪 70 年代中期以来,由于大规模集成电路(LSI)和微处理器在 PLC 中的应用,使 PLC 的功能不断增强,它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、计时及计数控制,还还增加了算术运算、数据处理、通信等功能,具有处理分支、中断、自诊断的能力,使 PLC 更多地具有了计算机的功能。目前世界上著名的电气设备制造厂商几乎都生产 PLC 系列产品,并且使 PLC 作为一个独立的工业设备成为主导的通用工业控制器。可编程控制器从产生到现在,尽管只有四十几年的时间,由于其编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点,使其得到了迅猛的发展,在冶金、机械、石
7、油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。二、二、PLC 的定义的定义 1980 年,美国电气制造商协会(National Electronic Manuracture Association 简称 NEMA)将可编程控制器正式命名为 Programmablk ontroller,简称为 PLC或 PC。关于可编程控制器的定义,1980 年,NEMA 将可编程控制器定义为:“可编程控制器是一咱带有指令存储器,数字的模拟的输入/输出接口,以位运算为主,能被动局面逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能,用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”1985 年 1 月,国际电工委员会
8、(International Electro-technical Commission 简称 IEC)在颁布可编程控制器标准草案第二稿时,又对 PLC 作了明确定义:“可编程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,用来在其内问存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的或模拟的输入和输出接口,控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统连成一个整体和具有扩充功能。”该定义强调了强编程控制器是“数字运算操作的电子系统”,它是一种计算机,它是“专为工业环境下应用而设计”的
9、工业控制计算机。虽然可编程控制器的简称为 PC,但它与近年来人们熟知的个人计算机(Personal Computer,也简称为 PC)是完全不同的概念。为加以区别,国内外很多杂志,以及在工业现场的工程技术人员,仍然把可编程控制器称为 PLC。为了照顾到这种习惯,在本书中,我们仍称可编程控制器为 PLC。三三PLC 的发展的发展 1可编程控制器的发展过程 可编程控制器从诞生至今,大体经历了四次更新换代,其发展过程大致如下:1969-1972 年是第一代可编程控制器发展和应用时期。此时期的特点是:CPU多采用 1 位微处理器,采用磁芯存储器存储,机种单一,没有形成系列,功能简单,仅具有逻辑控制、定
10、时、计数功能。1973-1975 年是第二代 PLC 发展时期。此时期的特点是:使用了 8 位微处理器及半导体存储器,产品逐步系列化,功能也有所增加,增加了数字运算、传送、比较等功能,并能完成模拟量的控制。1976-1983 年是第三代 PLC 发展时期。此时期的特点是:采用了高性能微处理器及位片式 CPU,工作速度大幅度提高,同时向多功能和联网方向发展,并具有较强的自诊断能力。1983 年至今是第四代 PLC 发展时期。此时期的特点是:CPU 不仅全面使用了 16 位、32 位微处理器,内存容量也有较大的增加,可直接用于一些规模较大的复杂控制系统,编程语言除了使用传统的梯形图、流程图外,还可
11、以使用高级语言,外设也更加多样化。2可编程控制器的发展趋势 PLC 技术的发展与微电子技术和计算机技术密切相关,随着可编程控制器技术越来越广泛的应用,PLC 技术应用领域的不断扩大以及工业生产对自动控制系统需求的多样性,它本身也在不断发展。目前,PLC 主要朝着三个方向发展。一是朝着小型化的方向发展。这种小型的 PLC 结构紧凑,外形体积小,CPU和 I/O 部件组装在一个箱体内,价格低廉,经济可靠,而且功能也大有提高。过去一些大型 PLC 才有的功能,如模拟量的处理、通信、PID 调节运算等,均可以被移植到这种小型机上,从而使它真正的成为继电器控制系统的替代产品,可以应用于单机控制和小型生产
12、线的控制等。二是朝着大型化的方向发展。这种类型的 PLC 采用了高性能的微处理器,存储容量大,处理速度快,响应时间短,功能强大,各种功能模块种类齐全,使各种规模的自动化系统功能更强、更可靠,组成和维护更加灵活方便,使 PLC 应用范围更加扩大。三是 PLC 产品更加规范化、标准化。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,日益向 MAP(制造自动化协议)靠拢,并使PLC 基本部件,如输入输出模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具等方面的技术规格规范化、标准化,使不同产品间能相互兼容、易于组网,以方便用户真正利用 PLC 实现工厂生产的自动化。四、四、PLC 的分类的分
13、类 可编程控制器具有多种分类方式,了解这些分类方式有助于 PLC 的选型及应用。1、根据控制规模分类 PLC 的控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的。PLC 的输入/输出点数表明了 PLC 可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号,实际上也就是 PLC 的输入、输出端子数。根据 I/O 点数的多少可将 PLC 分为小型机、中型机和大型机。一般来说,点数多的 PLC,功能也相应较强。(1)小型机 I/O 点数(总数)在 256 点以下的,称为小型机,一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能,适用于小规模开关量的控制,可用它实现条件控制、顺序控制等。有些小型 PLC(例如立石的
14、 C 系列,三菱的 F1 系列,西门子的 S5-100U,S7-200 系列等),也增加了一些算术运算和模拟量处理等功能,能适应更广泛的需要。目前小型 PLC 一般也具有数据通信等功能。小型机的特点是价格低,体积小,适用于控制自动化单机设备,开发机电一体化产品。(2)中型机 I/O 点数在 2561024 点之间的,称为中型机。它除了具备逻辑运算功能,还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能,可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富,在已固化的程序内,一般还 PID(比例、积分、微分)调节,整数/浮点运算等功能模板。中型机的特点是功能强,配置灵活,适用
15、于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械,以及连续生产过程控制场合。(3)大型机 I/O 点数在 1024 点以上的,称为大型机。大型 PLC 的功能更加完善,具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。大型机的内存容量超过 640KB,监控系统采用 CRT 显示,能够表示生产过程的工艺流程,各种记录曲线,PID 调节参数选择图等。能进行中断控制、智能控制、远程控制等。大型机的特点是 I/O 点数特别多,控制规模宏大,组网能力强,可用于大规模的过程控制,构成分布式控制系统,或者整个工厂的集散控制系统。2.根据结构形式分类 从结构上看,PLC
16、 可分为整体式、模板式及分散式 3 种形式。(1)整体式 一般小型机多为整体式结构。这种结构 PLC 的电源,CPU,I/O 部件都集中配置在一个箱体中,有的甚至全部装在一块印刷电路板上。(2)模板式 这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设置,如电源模板PS、CPU模板、输入/输出模板 SM、功能模板 FM 及通信模板 CP 等。这种 PLC 一般设有机架底板(也有的 PLC 为串行联结,没有底板),在底板上有若干插座,使用时,各种模板直接插入机架底板即可。这种结构的 PLC 配置灵活,装备方便,维修简单,易于扩展,可根据控制要求灵活配置所需模板,构成功能不同的各种控制系统。一般大、中型 P
17、LC 均采用这种结构。模板式 PLC 的缺点是结构较复杂,各种插件多,因而增加了造价。(3)分散式 所谓分散式的结构就是将可编程控制器的 CPU、电源、存储器集中放置在控制室,而各 I/O 模板分散放置在各个工作站,由通信接口进行通信连接,由 CPU集中指挥。3.根据用途分类(1)用于顺序逻辑控制 早期的可编程控制器主要用于取代继电器控制电路,完成如顺序、联锁、计时和计数等开关量的控制,因此顺序逻辑控制是可编程控制器的最基本的控制功能,也是可编程控制器应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动,或者自动化生产线
18、的多机控制等,这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制,不要求可编程控制器有太多的功能,只要有足够数量的 I/O 回路即可,因此可选用低档的可编程控制器。(2)用于闭环过程控制 对于闭环控制系统,除了要用开关量 I/O 点实现顺序逻辑控制外,还要有模拟量的 I/O 回路,以供采样输入和调节输出,实现过程控制中的 PID 调节,形成闭环过程控制系统。而中期的可编程控制器由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能,可以设计出各种 PID 控制器。现在随着可编程控制器控制规模的增大,PLC 可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个,因此可实现比较复杂的闭环控制系统,实现对温度、压力、流量、位置、速度等物
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- 9.1 项目 工作任务 PLC 产生 发展 特点
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