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可编程控制器
器将其扩展。
思考题:
1.单片机由哪几部分组成?
2.单片机有哪些突出特点?
3.单片机中的Harvard结构是指什么?
为什么采用Harvard结构?
4.8098单片机的CPU由哪几部分组成?
各部分的主要功能是什么?
5.8098存储器是如何编址的?
6.8098单片机串行I/0接口是通过哪个引脚作数据输入输出口,有几种工作方式?
7.在A/D转换过程中是如何判断A/D转换结束的?
8.8098单片机的中断源分为几类?
其优先级是怎样排列的?
第五章可编程控制器
第一节概述
教学内容:
可编程控制器是60年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。
最初叫做可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicControler),即PLC。
经过十几年的发展,PLC已不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能,同时还具有了执行算术运算、对模拟量进行控制等功能。
所以美国电气制造商协会经过4年的调查,于1980年将其正式命名为可编程控制器(ProgrammableComputer),简写为PC。
后来由于PC这个名称常常被用来称呼个人电脑(PersonalComputer),为了区别,现在也把可编程控制器仍然称为PLC。
一、可编程控制器的由来及发展
第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。
当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘,在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上,同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。
这一设想提出后,美国数字设备公司(DEC)于1969年研制成第一台PLC,型号为PDP-14,投入通用汽车公司的生产线控制中,取得了令人满意的效果,从此开创了PLC的新纪元。
第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。
这些控制器易于安装,占用空间小,可重复使用。
尽管控制器编程有些琐碎,但它具有公共的工厂标准一一梯形图编程语言,这样使得不熟悉计算机的人也能方便地使用它。
在短时间内,PLC在其他工业部门也得到应用。
到70年代初,食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备,迈出了其实用化阶段的第一步。
70年代中期,由于大规模集成电路的出现,使8位微处理器和位片处理器相继问世,使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上,增加了数值运算、闭环控制,提高了运算速度,扩大了输入输出规模。
在这个时期,日本、西德(原)和法国相继研制出自己的PLC,我国在1974年也开始研制。
70年代末由于超大规模集成电路的出现,使PLC向大规模、高速性能方向发展,形成了多种系列化产品。
这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟,出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上,PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。
进入八九十年代后,PLC的软硬件功能进一步得到加强,PLC已发展成为一种可提供
诸多功能的成熟的控制系统,能与其他设备通信,生成报表,调度产出,可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强,但它仍保留了先前的简单与易于使用的特点。
PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发,还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。
无疑,PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。
在未来的工业生产中,PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
二、可编程控制器的特点
一个PLC可以简单地视为具有特殊体系结构的工业计算机,只不过它比一般的计算机
具有更强的与工业过程相连的接口,具有更适用于控制要求的编程语言。
由于有特殊的接口器件及监控软件,因此其外形不像计算机,编程语言甚至工作原理与一般的计算机也有一定的差别。
总而言之,PLC的特点表现为以下几个方面:
1.硬件的可靠性高
PLC专为在工业环境的恶劣条件下应用而设计,一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大地环境中。
在硬件设计方面,首先是选用优质器件,再就是采用合理的系统结构,加固、简化安装,使它易于抗振动冲击,对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施,而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如,在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施,做到电浮空,既方便接地,又提高了抗干扰性能;各个I/O端口都除采用常规模拟器滤波以外,还加上数字滤波;内部采用了电磁屏蔽措施,防止辐射干扰;采用了较先进的电源电路,以防止由电源回路串入的干扰信号;采用了较合理的电路程序,一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性,因此发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上,以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁阀、电机等外围装置上。
据统计,在PLC控制系统的故障中,CPU故障率占5%,I/O板故障率占15%,传感器及开关故障率占45%,执行装置故障率占30%,接线方面故障率占5%。
由此可见,故障的80%以上是出现在外围,能快速准确地诊断故障将大大减少维修时间和提高开机率。
为了及时诊断故障,有的公司研制了智能可编程I/O系统,供用户了解I/O组件状态和监测系统的故障,也有的公司研制了故障检测程序。
近来还发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技木。
2.编程简单,使用方便
用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。
例如,目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路地清晰直观感,又顾及大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平,很容易被电气技术人员所接受。
易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式,与目前微机控制常用的汇编语言相比,虽然在PLC内部增加了解释程序,增加了程序执行时间,但对大多数的机电控制设备来说,这是微不足道的。
3.接线简单,通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接。
接线简单、工作量少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”,这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。
4.可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类:
一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为500~2500m;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M~10Mbps,传输距离为500~1000m,网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络。
5.易于安装,便于维护
PLC安装简单而且功能有效,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器控制系统改换到PLC系统的情况下,PLC小的模块结构使之
能安装在继电器箱附近并将连线接向已有接线端,其实改换很方便,只要将输入/输出设备
连向接线端口即可。
在大型安装中,长距离输入/输出站安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆或双扭线
连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可
在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术员的现场安装
时间。
从一开始,PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示器件是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,像其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
从以上各点可见,在工业应用中使用PLC的好处是很多的。
通过使用PLC,用户可获得高性能、高可靠性带来的高质量和低成本。
三、可编程控制器在工业中的应用概况
从PLC诞生以来,它已成功地应用于工业中几乎所有领域,包括钢铁厂、纸浆厂、食品加工厂、化工和石油化工厂、汽车厂和电厂。
PLC完成各种控制任务,从重复开关控制单一机器到复杂的制造加工控制,以下列出的是已应用PLC的一些主要领域及一些典型应用。
(1)化工/石油化工
批处理、原料处理、称重、混合成品处理、水/废水处理、管理控制、海上钻井。
(2)制造/机械
能源需求、车床、物料传输机、装配机、测试架、碾磨、健床、磨床、起重设备、焊接、电镀、喷漆、喷射/吹模、金属铸造。
(3)采矿业
大物件传输设备、矿石处理、装/卸机械、水/废水管理。
(4)纸浆/木浆
批蒸煮锅、碎片处理、涂层、包装/贴标签。
(5)玻璃/胶片
加工成型、完成包装、装盘、物件处理、废碎玻璃称重。
(6)食品/饮料
大量物件处理、酿造、蒸馏、混合、桶处理、包装、装填、称重、产品处理、分类传输机、累积传输机、装盘、货包存贮/提取。
(7)金属业
鼓风炉控制、连续铸造、轧钢、热处理。
(8)电力
煤处理、燃烧炉控制、烟道控制分类、吹风/处理、木工活、切割成型。
PLC的应用很多,难以一一罗列。
这里列出的应用领域是最常见的,下面按照PLC的不同控制类型,进一步说明这一点。
1.逻辑控制
这是PLC最基本的控制功能,可用来取代继电器控制装置,如机床电器控制、电动机控制中心等;还可用来进行顺序控制和程序控制,如高炉上料系统、电梯控制、港口码头的货物存放与提取、采矿的皮带运输等。
可见,它既可用于单机控制,又可用于多机群控以及自动化生产线的控制。
2.生产监控
PLC配置了较强的监控功能,它能记忆某些异常情况,或在发生异常情况时自动中止
运行。
在控制系统中,操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态,可以调整计
时、计数等设定值,为调试和维护提供方便。
PLC还可以连接打印机,对程序和数据进行硬复制。
3.模拟量控制
模拟量(如电流、温度、压力、液位等等)的大小是连续变化的。
工业生产中,经常要对这些物理量进行监控。
PLC的模拟量输人模块具有D/A、A/D转换及运算功能,可以实现模拟量的控制。
用PLC进行模拟量控制的好处是,在进行模拟量控制的同时,也可控制开关量。
这个
优点是继电器控制盘所不具备的,或继电器控制盘的实现不如PLC方便。
4.闭环调节控制
现代的大型PLC,都配有PID子程序。
也有的厂家把PID功能独立出来,如GE公司
的PROLOOP过程控制器,可执行PID控制、比例控制和级联控制。
有单回路、8回路和自动调试三种方式供任选。
每一回路计算时间为36ms,用GE-Ⅱ系列PLC最多可监控256
个回路。
PLC的PID调节控制,已经广泛用于锅炉、冷冻、反应堆、水处理器、酿酒等。
PLC还可用于闭环的位置控制和速度控制中。
5.组成大型控制网络
近几年来,随着计算机控制技术的发展,已兴起工厂自动化(FA)网络系统。
PLC联网、通信能力很强,不断有新的联网的结构推出。
PLC可与个人计算机相连接进行通信,可用计算机参与编程及对PLC进行控制和管理,使PLC用起来更方便。
为了充分发挥计算机的作用,可实行一台计算机控制和管理多台PLC,甚至多达几十台。
PLC与PLC也可通信。
可一对一通信,也可在多个PLC之间通信,甚至多到几十、几百。
可联接远程控制系统,系统范围可达10km。
可组成局部环网,不仅PLC,而且高档计算机、各种外设也都可进网。
环网还可套非环网。
环网与环网还可桥接。
可把成千上万的PLC、计算机、外部设备组织在一个网中。
网间的结点可直接或间接地通信、交换信息。
联网、通信,正适应了当今计算机集成制造系统(CIMS)及智能化工厂发展的需要。
它可使工业控制从点(Point)到线(Line)再到面(Aero),使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体,进而可创造更高的效益。
这些无限美好的前景,已越来越清楚地展现在我们的面前了。
四、可编程控制器的性能指标
用户在选用PLC时,首先要了解PLC的结构和功能。
如果只是大致地了解PLC的性能,一般可用CPU芯片、编程语言、用户程序容量、扫描速度(ms/k)、I/O点数这五方面的情况予以反映。
一般地,CPU档次高、编程语言完善、用户程序容量大、扫描速度快、I/O点数多,则PLC性能就好,功能就强,自然它的价格也就较高了。
1.可编程控制器的规模
PLC的规模,按照输入/输出(I/O)点数的多少可分为表5-1所示的五种类型
表5-1PLC的规模与性能
机型
性能
超小型PLC
小型PLC
中型PLC
大型PLC
超大型PLC
I/O能力
64点以下
64-128点
128-512点
512-8192点
大于8192点
CPU
8位处理器
8位处理器
8位字处理器位处理器
16位字、位浮点处理器理器
多个16位字、位浮点处理器理器
存储器
1KB-2KB(字节)
2KB-4KB
4KB-16KB
16KB-64KB
64KB-128KB
机型举例
AB公司SLC-500
三菱F-40
MODICONPC-085
ABSLC-502
PLC-5/10
ABPLC-5/60
三菱A系列
ABPLC-3
PLC的规模划分并无严格界限,多数PLC的输入/输出接口和存贮器容量都有扩展能力,用户可以根据自己的需要配置适合的系统。
2.主要技术性能
A、PLC的基本性能
(1)基本的控制功能
顺序控制、定时、计数、逻辑运算和四则运算等。
(2)存贮器
多数采用CMOSRAM存贮器,有保护电源(多数用锂电池)。
也可采用可擦写的EPROM存贮器。
(3)输入/输出(I/O)
I/0规模划分见表2-1。
关于输入/输出组件一般都提供有交流115V、220V的功率输入/输出组件;直流24V、48V和115V以及TTL电平输入/输出组件;有的还提供继电器触点(常开或常闭)输出组件
(4)编程语言
最常用的是继电器梯形图编程方式,美国把它定为国家标准,国际电工委员会颁布的标准草案中规定,除用梯形图编程方式外,还可采用功能块、指令表或布尔代数等编程语言。
(5)扫描时间
扫描时间是指执行一次解读用户逻辑程序所需的时间。
一般1000条指令执行时间为10ms左右,小型和超小型的机器扫描时间可能大于40ms。
(6)诊断功能
一般提供通电检查和指示故障软件。
(7)通信接口
一般都提供RS232-C串行通信接口,以便连接打印机或其他类型的机器,如管理计算机等。
(8)电源
机器动力电源既可用115V交流电源,也可用220V交流电源,可通过跨接短路片进行选择。
(9)工作环境
一般都能在下列环境条件下工作:
温度0~60℃;
湿度<95%(无结霜)。
(10)编程器
PLC采用的编程器有下面三种类型:
①简易编程器。
用于小型和超小型的PLC。
②CRT编程器。
用于中、大规模的PLC,可显示逻辑阶梯图、数据信息和报警信息指示等。
③计算机编程。
随着个人计算机的大力普及,有些中、大规模的PLC已采用计算机编程,多数用IBM-PC或类似的个人计算机。
这种场合,计算机除用作编程外,还兼有管理和操作指导功能。
B、PLC的高级性能
一般超小规模和小规模的PLC只具有基本功能,高级功能只有中型机以上的机型才有。
(1)数据传送和矩阵处理功能
可适应工厂管理的需要。
(2)PID调节功能
备有模拟量输入/输出组件和PID调节软件包,以满足化工等部门批量控制的要求。
(3)ASCII代码操作功能
可适应连接多种终端设备,且可用ASCII代码直接编程。
(4)远程I/O功能
I/O通道可以分散安装在被控设备附近,以减少现场电缆布线和系统成本。
(5)智能I/O组件
目前高档机提供的智能I/O组件有:
高速计数器、热电偶或热电阻直接输入组件、PID调节功能组件、BCD码输入组件、温度控制组件、阀门控制组件、位置控制组件等。
(6)图形显示功能
借助于图形显示软件包和计算机CRT屏幕显示,可方便和直观地显示被控机械或过程的运行工况。
(7)联网功能
通过数据公路(DATAHIGHWAY)连接多台PLC,或将PLC和管理计算机连接,以构成控制网络。
五、当前流行的可编程控制器
当前PLC的生产厂家有数百家,各厂家的产品又按小型到大型分为许多系列和型号,想要详细列举各种型号的PLC几乎是不可能的。
下面所介绍的是世界上产销量大、尤其是
我国较为熟悉的厂家及其产品型号、功能。
1.AB公司的PLC
ALLEN-BRADLEY公司是世界上最大的可编程控制器、工业计算机和通信系统供应商之一。
1990年AB公司占领了美国国内市场总销售量的50%。
该公司取得了“PLC”的注册商标许可证和相应专利。
即只有该公司的可编程控制器可标为PLC字样。
在国际自动控制领域中享有盛名的AB公司提供了各类型PLC,以适应从单机到大型工厂自动化方面的不同需要。
例如该公司的适用于单机和小系统控制的SLC100型PLC的主机自带I/O点仅为16个,可扩展的最大I/O点为112个,而适用于大型复杂控制系统的PLC-3型PLC,具有8192个远程I/0控制点,存贮容量可扩充到1.92MB。
丰富的指令集和强有力的软件功能是AB公司PLC的显著特点。
例如,最大I/O点仅
为72个的小型SLC500型PLC,具有基于PLC-5型PLC的先进指令系统,包括BCD/二进制转换、文件传送、逻辑功能等等。
PLC-2、PLC-3、PLC-5等系列PLC一般都具有计时、计数、数据传送比较、文件传送、诊断、浮点算术运算、逻辑判断等指令。
此外,PLC-5型PLC还具有顺序功能流程图(SFC)作结构编程和PID指令。
AB公司还为工业应用提供了可在通用框架上安装的80余种数字及智能I/O模块,诸
如数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通信模块、定位模块等等。
这些通用I/O模块与该公司PLC系列处理器兼容。
该公司的PLC机具有先进的通信和数据处理功能。
例如,PLC-2/20、PLC-2/30等系列PLC可以方便地组成本地或远程、或本地与远程组合的系统。
1772-SD2远程I/O扫描器/集散控制模块有两个通道,每个通道的最远距离可达10000ft(即3048m),且每个通道最多可接16个远程I/O框架。
2.日本立石(OMRON)公司的PLC
日本立石(OMRON)公司是一家生产控制设备达到多年历史的企业,该公司生产的SYSMACC系列的PLC产品也己广泛地应用于材料处理、食品加工和包装、机械加工、自动化制造和过程控制等行业;OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。
微型PLC以C20P和C20代表,是整体结构,I/O容量为十几点,最多可扩充120点。
小型PLC又分为C120和C200H两种,C120最多可控制256点I/O,是紧凑型整体结构。
而C200H虽然也是小型PLC,但它是紧凑型模块结构,最多可控制384点I/O,同时还可以配置智能I/O模块,是一种小型高功能PLC。
中型PLC有C500和C1000H两种,I/O容量分别为512点和1024点。
此外,C1000HPLC采用多处理器结构,功能齐全而且处理速度快。
大型PLC目前只有C2000H一种,I/O点数可达2048点,同时多处理器和双冗余结构使得C2000H不仅功能全,容量大,而且速度快。
3.日本三菱(MITSUBlSHl)公司的PLC
三菱公司是日本生产PLC产品的主要厂家之一。
该公司所研制的PLC在产品微型化及低成本方面具有特色,早在1981年推出的F系列PLC,由于有较高的性能价格比,因而赢得了相当广泛的用户。
继F系列之后,该公司又推出了功能更强的F1、F2系列和K系列PLC产品,其中F1系列和K系列都带模拟量控制,F1系列在F系列的基本指令基础上,增加了许多应用指令。
三菱公司最新推出的A系列(MELSECA)PLC是一种新型的带有智能接口的PLC。
A系列产品包括有AOJ2、A1、A2、A3系列等,其中AOJ2系列为单元式结构,A1、A2、A3系列为模块结构。
它们的最大I/0点分别是:
AOJ2系列336点,A1系列256点,A2系列512点,A3系列2048点。
A系列PLC具有控制多模拟量系统的PID回路调节功能,并有很强的通信能力。
它既有同轴电缆通信接口,又有光纤通信接口。
A系列可扩展的I/O网络,可实现与F、F1、F2系列和FREQROL-Z系列变换器之间的数据交换,可与CRT和计算机相连,并配有丰富的软件系统。
第二节可编程控制器的结构
教学内容:
一、硬件结构及其基本形式
可编程控制器的构成框图和计算机是一样的,都由中央处理器(CPU)、存贮器和输入/输出接口等构成。
因此,从硬件结构来说,可编程控制器实际上就是计算机,图5-1是其硬件系统的简化框图。
图5-1PLC硬件系统的简化框图
由图5-1可见,PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。
PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
下面具体介绍PLC的各组成部分。
二、中央处理器CPU
CPU是可编程控制器的核心部件之一,由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成。
常用的有Intel8080、8086、8088,Motorola6800、68000,Z80、Z-8000和双极型位片式的芯片,如AMD2901、2903等。
中央处理器的功能是:
(1)读入现场状态。
(2)控制存贮和解读用户逻辑。
(3)执行各种运算程序。
(4)输出运算结果。
(5)执行系统诊断程序。
(6)与外部设备或计算机通信等。
三、存贮器
PLC存贮系统包括两个虚拟存贮器:
第一个称系统存贮器,第二个称应用存贮器,如图5-2所示。
贮器包括永久存贮器,并视为PLC系统的一部分,这些监控程序控制所有系统活动,如控制程序执行、系统存贮区与外设通信及其他。
系统存贮器部分是PLC用于存放指令(软件)如继电器指令、块转移、算术指令等内容,这部分存贮器是用户不能访问的。
应用存贮器为用户输入的应用控制程序提供存贮区,PLC应用存贮区包括几个部分,每一部分都有特定的功能和用途。
系统存储器
应用存储器
图5-2PLC存贮系统简单块图
1.存贮器的结构
存贮器是由多个位寄存器构成的。
寄存器就相当于货栈中的摊位,用于寄存货物(数字)供以后调用。
1位寄存器就相当于1个摊位,仅能存放1位数字(二进制的“1”或“0”);如果要存放4位数字,则需要4个寄存器;如果需放n位数字则需要N个寄存器。
这也寄存器的时钟(置位信号)为目一信号,所以把它叫做并行寄存器,简称N位寄存器。
如果把一个寄存器看作一个存贮单元,使用成千上万个寄存器,就可以构成成千上万个存贮单元,计算机中把它叫做存贮器。
计算器或计算机中,常用十进制表示一个数字。
如表5-2所示,1位十进制数至少要用
4位二进制数表示,也就是说要寄存1位十进制的数只要用4个并行的寄存器,要寄存4位十进制数则要用16个寄存器(即16位二进制数)。
可见,位
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