1.2 PLC的基本應(yīng)用與分類

1.2.1 PLC的基本應(yīng)用

PLC最初主要用于開關(guān)量的邏輯控制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在現(xiàn)代工業(yè)控制和商用控制場合，PLC不僅用于開關(guān)量控制，還用于模擬量及脈沖量的控制，可采集與存儲數(shù)據(jù)，還可對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；還可聯(lián)網(wǎng)、通信，實(shí)現(xiàn)大范圍、跨地域的控制與管理。PLC已日益成為現(xiàn)代電氣控制裝置家族中一個重要的角色。

1.用于開關(guān)量控制

PLC控制開關(guān)量的能力是很強(qiáng)的，所控制的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，少的十幾點(diǎn)、幾十點(diǎn)，多的可到幾百、幾千，甚至幾萬點(diǎn)。由于它能聯(lián)網(wǎng)，點(diǎn)數(shù)幾乎不受限制，不管多少點(diǎn)都能直接或間接控制。

PLC所控制的邏輯問題可以是多種多樣的：組合的、時序的；即時的、延時的；不需計(jì)數(shù)的，需要計(jì)數(shù)的；固定順序的，隨機(jī)工作的等，都可進(jìn)行控制。

PLC的硬件結(jié)構(gòu)是可變的，軟件程序是可編的，用于控制時，非常靈活。必要時，可編寫多套，或多組程序，依需要調(diào)用。它很適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場多工況、多狀態(tài)變換的需要。

用PLC進(jìn)行開關(guān)量控制的實(shí)例很多，如冶金、機(jī)械、輕工、化工和紡織等行業(yè)，幾乎所有工業(yè)行業(yè)都需要用到它。

如圖1-11所示為冰淇淋包裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC的輸入觸點(diǎn)和延時功能來控制冰淇淋包裝設(shè)備。PLC的功能如下：①利用變頻器的輸出控制變頻器，以調(diào)節(jié)運(yùn)行速度；②鄰近傳感器On后，一定時間后電磁閥動作；③時間的設(shè)定是根據(jù)鄰近兩個傳感器的輸入頻率來計(jì)算的；④鄰近傳感器信號On后，經(jīng)過一定時間后電磁閥再動作150ms，最后切割成品。

圖1-11 冰淇淋包裝系統(tǒng)

2.用于模擬量控制

模擬量如電流、電壓、溫度和壓力等，其大小是連續(xù)變化的。工業(yè)生產(chǎn)特別是連續(xù)型生產(chǎn)過程，常要對這些物理量進(jìn)行控制。

PLC進(jìn)行模擬量控制，要配置有模擬量與數(shù)字量相互轉(zhuǎn)換的A-D、D-A單元。A-D單元是把外電路的模擬量，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送入PLC。D-A單元是把PLC的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，再送給外電路。

有了A-D、D-A單元，余下的處理都是數(shù)字量，這對有信息處理能力的PLC并不難。中、大型PLC處理能力更強(qiáng)，不僅可進(jìn)行數(shù)字的加、減、乘、除，還可開方、插值，并可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。有的還有PID指令，可對偏差制量進(jìn)行比例、微分、積分運(yùn)算，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。

用PLC進(jìn)行模擬量控制的好處是，在進(jìn)行模擬量控制的同時，開關(guān)量也可控制。這個優(yōu)點(diǎn)是別的控制器所不具備的，或控制的實(shí)現(xiàn)不如PLC方便。

圖1-12 污水池流量控制系統(tǒng)

圖1-13 鋼鐵和圓鋼內(nèi)孔的加工

如圖1-12所示為污水池流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC的模擬量輸入模塊和輸出模塊，適用于水處理廠的污水池。其控制過程為：①利用A-D模塊輸入污染度信號并測量污染度；②根據(jù)污染程度調(diào)整運(yùn)行速度和輸入到污水池的空氣量。

3.用于脈沖量和運(yùn)動控制

實(shí)際的物理量，除了開關(guān)量、模擬量，還有脈沖量，如機(jī)床部件的位移，常以脈沖量表示。

PLC可接收計(jì)數(shù)脈沖，頻率可高達(dá)幾千到幾十千赫茲，可用多種方式接收這種脈沖，還可多路接收。有的PLC還有脈沖輸出功能，脈沖頻率也可達(dá)幾十千赫茲。有了這兩種功能，加上PLC有數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算能力，若再配備相應(yīng)的傳感器（如旋轉(zhuǎn)編碼器）或脈沖伺服裝置（如環(huán)形分配器、功放、步進(jìn)電動機(jī)），則完全可以依數(shù)控（NC）的原理實(shí)現(xiàn)步進(jìn)或伺服傳動控制。

當(dāng)然，高中檔的PLC還開發(fā)有NC單元，或運(yùn)動單元，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。運(yùn)動單元還可實(shí)現(xiàn)曲線插補(bǔ)，可控制曲線運(yùn)動。

如圖1-13所示為鋼鐵和圓鋼內(nèi)孔的加工，其PLC功能如下：①通過X軸往返運(yùn)動實(shí)現(xiàn)加工件的移動位置和速度控制；②通過Y軸正反旋轉(zhuǎn)速度的控制實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的一般加工；③通過Z軸正反旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)矩改變指令實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的精密加工。

4.用于數(shù)據(jù)采集和測控

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)存儲區(qū)越來越大。數(shù)據(jù)采集可以用計(jì)數(shù)器，累計(jì)記錄采集到的脈沖數(shù)，并定時轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)存儲區(qū)（DM）中去。數(shù)據(jù)采集也可用A-D單元，當(dāng)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再定時轉(zhuǎn)存到DM區(qū)中去。PLC可與計(jì)算機(jī)通信，由計(jì)算機(jī)把DM區(qū)的數(shù)據(jù)讀出，并由計(jì)算機(jī)再對這些數(shù)據(jù)作處理。這時，PLC即成為計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)終端。

如圖1-14所示為凈水廠流量計(jì)測控系統(tǒng)，利用PLC和數(shù)據(jù)交換器的變換功能，接收各地流量計(jì)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到中央控制室系統(tǒng)。各個地方通過PLC內(nèi)置的RS-485通信接收流量計(jì)數(shù)據(jù)，并用數(shù)據(jù)交換器連接到以太網(wǎng)，通過上位機(jī)的組態(tài)軟件收集各地方的流量計(jì)的數(shù)據(jù)。

5.用于聯(lián)網(wǎng)、通信

PLC可與個人計(jì)算機(jī)相連接進(jìn)行通信，可用計(jì)算機(jī)參與編程及對PLC進(jìn)行控制和管理，使PLC用起來更方便。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，可實(shí)行一臺計(jì)算機(jī)控制與管理多臺PLC，多的可達(dá)32臺。也可一臺PLC與兩臺或更多的計(jì)算機(jī)通信，交換信息，以實(shí)現(xiàn)多地對PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

PLC與PLC也可通信。可一對一PLC通信，也可幾臺PLC通信，可多到幾十、幾百臺。PLC與智能儀表、智能執(zhí)行裝置（如變頻器），也可聯(lián)網(wǎng)通信，交換數(shù)據(jù)，相互操作。可連接成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)范圍面可大到10千米或更大。聯(lián)網(wǎng)可把成千上萬的PLC、計(jì)算機(jī)、智能裝置等組織在一個網(wǎng)中。

聯(lián)網(wǎng)、通信，正適應(yīng)了當(dāng)今計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及智能化工廠發(fā)展的需要。它可使工業(yè)控制從點(diǎn)到線再到面，使設(shè)備級的控制、生產(chǎn)線的控制、工廠管理層的控制連成一個整體，進(jìn)而可創(chuàng)造更高的效益。這個無限美好的前景，已越來越清楚地展現(xiàn)在面前。

事實(shí)上，PLC已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。從行業(yè)看，冶金、機(jī)械、化工、輕工、食品和建材等，幾乎沒有不用到它的。不僅工業(yè)生產(chǎn)用它，一些非工業(yè)過程，如樓宇自動化、電梯控制也用到它。農(nóng)業(yè)的大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控、水利灌溉也用到它。

圖1-14 凈水廠流量計(jì)測控系統(tǒng)

1.2.2 PLC的基本類型

PLC的類型很多，可從不同的角度進(jìn)行分類。

1.按控制規(guī)模分

控制規(guī)模主要指控制開關(guān)量的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)及控制模擬量的模擬量輸入和輸出，或兩者兼而有之（閉路系統(tǒng)）的路數(shù)，但主要以開關(guān)量計(jì)。模擬量的路數(shù)可折算成開關(guān)量的點(diǎn)，大致一路相當(dāng)于8～16點(diǎn)。依這個點(diǎn)數(shù)，PLC大致可分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)及超大型機(jī)。

微型機(jī)控制點(diǎn)僅十幾點(diǎn)，如西門子LOGO，如圖1-15a所示。

小型機(jī)控制點(diǎn)可達(dá)幾十點(diǎn)到100多點(diǎn)，如西門子S7-200和S7-1200，如圖1-15b和圖1-15c所示。

中型機(jī)控制點(diǎn)數(shù)可達(dá)近幾百點(diǎn)到500點(diǎn)，以至于千點(diǎn)，如西門子S7-300，如圖1-15d所示。

大型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)一般在1000點(diǎn)以上，如西門子S7-400，如圖1-15e所示。

超大型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)可達(dá)萬點(diǎn)，以至于幾萬點(diǎn)。

圖1-15 西門子PLC類型

a）LOGO b）S7-200 c）S7-1200 d）S7-300 e）S7-400

以上這種劃分只是大致的，目的是便于系統(tǒng)的配置及使用。一般來講，根據(jù)實(shí)際的I/O點(diǎn)數(shù)選用相應(yīng)的機(jī)型，其性能價(jià)格比必然要高；相反，肯定要差些。

2.按結(jié)構(gòu)劃分

PLC可分為無背板及有背板兩大類。微型機(jī)、小型機(jī)多為無背板的，如西門子S7-200和S7-1200系列PLC等。無背板的PLC把電源、CPU、內(nèi)存、I/O系統(tǒng)都集成在一個小模塊內(nèi)，一個主機(jī)模塊就是一臺完整的PLC，就可用以實(shí)現(xiàn)控制。控制點(diǎn)數(shù)不符需要，可再接擴(kuò)展模塊，由主模塊及若干擴(kuò)展模塊組成較大的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對較多點(diǎn)數(shù)的控制。

背板式PLC是按功能分成若干獨(dú)立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等，并直接安裝在背板上，通過背板進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)系。該類型PLC的模塊功能更單一、品種更多，可便于系統(tǒng)配置，使PLC更能物盡其用，達(dá)到更高的使用效益。如西門子S7-300/400等中、大型機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)。

1.2.3 PLC的品牌及市場占有率

PLC的品牌與類型很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同品牌的PLC全球市場占有率見表1-2，餅圖如圖1-16所示。顯然，西門子品牌的PLC遙遙領(lǐng)先于其他品牌，占31%左右。因此，本書將以西門子的S7-200/300/400系列PLC為例進(jìn)行介紹。

表1-2 不同品牌的PLC全球市場占有率

圖1-16 不同品牌的PLC市場占有率餅圖