可编程逻辑控制器(PLC) : 基础、类型和应用

PLC 是什么？
PLC 代表“可编程序控制器”。PLC 是一种专门设计的计算机，可以在恶劣的工业环境下可靠地工作，例如极端的温度、潮湿、干燥和/或尘土飞扬的条件。PLC 用于自动化工业过程，如制造厂的装配线，矿石加工厂，或废水处理厂。
PLC 和你家里的个人电脑有很多共同的特点。它们都有一个电源，一个 CPU (中央处理器) ，输入输出(I/O) ，内存和操作软件(尽管它是一个不同的操作软件)。
最大的区别在于，PLC 可以执行 PC 无法完成的离散和连续功能，而且 PLC 更适合于粗糙的工业环境。可编程序控制器可以被认为是一个“坚固的”数字计算机，管理工业环境的机电过程。
PLC 在自动化领域发挥着至关重要的作用，它构成了一个更大的 SCADA 系统的一部分。可根据工艺操作要求编制 PLC 程序。在制造业中，由于生产性质的变化，将需要重新编程。为了克服这一困难，引入了基于 PLC 的控制系统。在讨论 PLC 的各种应用程序之前，我们将首先讨论 PLC 的基础知识。
PLC 是迪克 · 莫利在1964年发明的。从那时起，PLC 使工业和制造业发生了革命性的变化。PLC 的功能范围很广，包括定时、计数、计算、比较和处理各种模拟信号。
PLC 相对于“硬连线”控制系统的主要优势在于，你可以在编写完 PLC 程序后回去更换它，而且成本很低(仅仅是程序员的时间成本)。在一个硬接线控制系统中，你基本上不得不拔掉电线，从头开始(这更昂贵，需要更长的时间)。让我们看一个例子来更好地理解这一优势。
想象你有一盏灯连接到一个开关。一般来说，光在两种情况下工作-开和关。现在给你一个任务，当你打开开关，灯光应该只有在30秒后发光。有了这个硬接线装置，我们就被困住了。实现这一点的唯一方法是完全重新布线我们的电路，添加一个定时继电器。对于一个小小的改变来说，这是一个很大的麻烦。

灯光开关

这就需要一个可编程序控制器，不需要任何额外的线路和硬件来确保改变。相反，它需要一个简单的代码更改，编程 PLC 只打开灯后30秒开关打开。因此，通过使用 PLC，很容易合并多个输入和输出。
这只是一个简单的例子-PLC 有能力控制更大和更复杂的过程。可以根据用户的应用程序和需要定制 PLC。

由 PLC 控制的灯

PLC 是如何工作的？
可编程序控制器的工作可以很容易理解为一种被称为扫描周期的循环扫描方法。
PLC 扫描过程包括以下步骤

• 操作系统开始循环并监控时间。
• CPU 开始从输入模块读取数据，并检查所有输入的状态。
• CPU 开始执行用继电梯逻辑或任何其他 PLC 编程语言编写的用户或应用程序。
• 接下来，CPU 执行所有的内部诊断和通信任务。
• 根据程序结果，将数据写入输出模块，更新所有输出。
• 只要 PLC 处于运行模式，这个过程就会继续。
  PLC 的物理结构
  PLC 的结构几乎与计算机的结构相似。

PLC 框图

可编程逻辑控制器连续监测各种输入传感器(如加速度计、称重秤、硬连线信号等)的输入值，并根据生产和工业的性质产生相应的输出。PLC 的典型框图由以下五部分组成:

• 机架或底盘
• 电源模组
• (CPU) 中央处理器
• 输入及输出模组
• 通讯接口模块
  机架或底盘

在所有的 PLC 系统中，PLC 机架或底盘是最重要的模块，是系统的主干。PLC 有不同的形状和大小。当涉及到更复杂的控制系统时，它需要更大的 PLC 机架。
小型 PLC 配备有固定的 I/O 引脚配置。因此，他们选择了模块化的机架 PLC，它可以接受不同类型的 I/O 模块与滑动和适合的概念。所有的 I/O 模块将驻留在这个机架/底盘。

PLC 机架

电源模组
该模块用于为整个 PLC 系统提供所需的电源。它将可用的交流电源转换为 CPU 和 I/O 模块所需的直流电源。PLC 通常工作在24V 直流电源上。很少有 PLC 使用隔离电源。

模块和内存
CPU 模块有中央处理器，ROM 和 RAM 存储器。ROM 存储器包括操作系统、驱动程序和应用程序。RAM 存储器用于存储程序和数据。CPU 是带有八进制或六进制微处理器的 PLC 的大脑。
作为一个基于微处理器的 CPU，它取代了计时器、继电器和计数器。两种类型的处理器作为一个单位或字处理器可以与 PLC 结合。一个位处理器用于执行逻辑函数。而文字处理器用于处理文本、数字数据、控制和记录数据。
CPU 从传感器中读取输入数据，进行处理，最后将命令发送到控制设备。直流电源，正如前面讨论中提到的，是所需的电压信号。中央处理
器还包含其他电气部分，以连接其他单位使用的电缆。

输入输出模块
你有没有想过如何感觉物理参数，如温度，压力，流量等？使用 PLC？当然，PLC 有一个专用的输入输出接口模块，称为输入输出模块。
输入装置可以是启动和停止按钮、开关等，输出装置可以是电加热器、阀门、继电器等。I/O 模块有助于接口的输入和输出设备与微处理器。PLC 的输入模块如下图所示。

PLC Input Module PLC 输入模块

PLC 输入模块电路图

PLC 的输入模块主要完成四个功能。

1. 输入模块接口接收来自220V 交流电处理设备的信号
2. 将输入信号转换成可供 PLC 使用的5伏直流电
3. 隔离块用于隔离/防止 PLC 发生波动
4. 然后信号被发送到输出端即 PLC

在输入模块中有两个主要部分，即电源部分和逻辑部分。两部分都是电气隔离的。最初按钮是关闭的。因此，通过电阻 R1和 R2向桥路提供220V 交流电源。
桥式整流器(如二极管桥式整流器)用于将交流信号转换为直流，齐纳二极管用于向 LED 提供低电压电源。当 LED 发出的光落在光电晶体管上时，它在传导区工作。最后，给出了一个5V 直流电源的处理器。
PLC 的输出模块与输入模块工作原理相似，但工作过程是相反的。它接口输出负载和处理器。这里的第一部分是逻辑会话，然后是电源部分。输出模块的工作如下图所示

PLC 输出模块

因此，当程序逻辑高信号从处理器产生时，LED 将打开并允许光照射到光敏晶体管上。当晶体管到达传导区域时，它产生一个脉冲到 Triac 的栅极。隔离块用于隔离逻辑部分和控制部分。

通讯接口模块
为了在 CPU 和通信网络之间传输信息，采用了智能 I/O 模块。这些通信模块有助于与放置在远程位置的其他 PLC 和计算机连接。

PLCs的类别
两种主要类型的 PLC 是固定/紧凑型 PLC 和模块化 PLC。

紧凑型 PLC
在一个案例中，将有许多模块。它有固定数量的 I/O 模块和外部 I/O 卡。因此，它不具备扩展模块的能力。每一个输入和输出将由制造商决定。

模块化 PLC
这种类型的 PLC 允许通过“模块”进行多重扩展，因此称为模块化 PLC。可以增加 I/O 组件。它更容易使用，因为每个组件彼此独立。

模块式 PLC

PLC 按输出分为继电器输出、晶体管输出和三交流输出三种类型。继电器输出类型最适合交流和直流输出设备。晶体管输出型 PLC 采用开关操作，用于微处理器内部。
根据物理尺寸的不同，PLC 可分为微型 PLC、微型 PLC 和纳米 PLC。
可编程序控制器有多种应用和用途，包括:过程自动化工厂(例如采矿、石油和天然气)/锅炉. 热电厂

PLC 程序设计
在使用 PLC 时，根据您的特定用例设计和实现概念非常重要。要做到这一点，我们首先需要了解更多关于 PLC 编程的细节。
PLC 程序由一组文本或图形形式的指令组成，这些指令表示控制 PLC 所控制的过程的逻辑。PLC 编程语言主要有两种类型，又进一步分为许多子类型。

1. 文本语言

• Instruction list 指令表
• Structured text 结构化文本

2. 图形表格

• 梯形图(LD)(即梯形逻辑)
• (FBD)功能区块图
• (SFC) 顺序功能流程图

尽管所有这些 PLC 编程语言都可以用来编写 PLC 程序，但图形语言(如梯形逻辑)通常比文本语言(如结构化文本编程)更受欢迎。

阶梯逻辑
梯形逻辑是 PLC 编程的最简单形式。它也被称为“中继逻辑”。继电器控制系统中使用的继电器触点用梯形逻辑表示。下图显示了一个简单的梯形图示例。

PLC 梯形逻辑

在上述示例中，使用两个按钮来控制相同的灯负载。当任何一个开关关闭时，灯就会发光。
这两条水平线被称为阶梯，而这两条垂直线被称为轨道。每一级构成正电导轨§和负电导轨(N)之间的电气连接。这允许电流在输入和输出设备之间流动。

功能块图
功能块图(FBD)是一种简单、图形化的 PLC 多功能程序设计方法。PLCOpen 在标准 IEC 61131-3中描述了使用 FBD。函数块是一个程序指令单元，在执行时产生一个或多个输出值。
它由一个块表示，如下所示。它表示为一个矩形块，输入在左边，输出在右边。它给出了输入和输出状态之间的关系

功能块

使用 FBD 的优点是可以在功能块上使用任意数量的输入和输出。当使用多个输入和输出时，可以将一个函数块的输出连接到另一个函数块的输入。建造一个功能区块图。

函数框图示例
下图显示了 FBD 编程中使用的各种函数块。

函数块编程

下图显示了用西门子符号表示的梯形图

结构化文本编程
结构化文本是一种文本编程语言，它利用语句来决定执行什么。它遵循更传统的编程协议，但不区分大小写。一系列语句(逻辑)是由使用几个运算符表达赋值和关系构成的。结构文本运算符在下面的图像中列出。

结构化文本编程

PLC 编程实例
如果泵正在运行并且压力令人满意，或者如果灯测试开关关闭，则需要打开信号灯。在这种应用中，如果应该有一个输出从灯输入泵和压力传感器都是必需的。因此，使用 AND 逻辑门。
OR 逻辑用于测试输入条件，不管是否有来自 AND 系统的信号，都需要给出一个灯的输出。通过在梯形图中使用 END 或 RET 指令，可以看出 PLC 已经达到了程序的末尾。功能区块图和梯形图如下图所示。

灯泡发光测试的 PLC 程序设计
举另一个例子，考虑一个阀门，当泵运行时，如果启动升降开关或启动开关，表明负载尚未被提升，并且位于其升降通道的底部，则操作该阀门以提升负载。
OR 逻辑用于两个开关，AND 逻辑用于两个开关和泵。只有当泵处于开启状态并且有两个开关处于运行状态时，阀门才会运行。

PLC 程序控制阀门

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