PLC的工作原理

【专家解说】：可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），一种具有微处理机的数位电子设备，用于自动化控制的数位逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比等单元所模组化组合成。 广泛应用于目前的工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。 最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controller），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（Personal Computer ）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。 现在工业上使用可编程逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑(采用嵌入式操作系统)与PLC架构的PC-base控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。PLC可接收(输入)及发送(输出)多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。 发展历史 可编程控制器的兴起与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。PLC 源起于1960 年代，当时美国美国通用汽车公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。 针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标。随后，美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。由于当时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。最早期的PLC只具有简易之逻辑开/关(on/off)功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。 1970 年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多位元之数位信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程式之编写。这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的反响。日本在1971年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技术。中国则于1977年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为MC14500。1970 年代中期，PLC功能加入远距通讯、类比输出输入、NC 伺服控制等技术。1980 年代以后更引进PLC 高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。 PLC之功能早已不止当初数位逻辑之运算功能，因此近年来PLC常以可编程控制器 PLC内部运作方式 虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”： PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。 步骤二“程式执行”： 将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。 步骤三“输出状态更新”： 将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 硬件结构 一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。