可编程逻辑控制器

主题

PLC 历史
梯形图和继电器
PLC 编程
PLC 操作
一个示例

目标

了解一般的 PLC 问题
能够编写简单的梯形图程序
理解 PLC 的工作原理

简介

控制工程随着时间的推移而发展。过去，人类是控制系统的主要方法。最近，电力被用于控制，早期的电气控制基于继电器。这些继电器允许在没有机械开关的情况下打开和关闭电源。通常使用继电器来进行简单的逻辑控制决策。低成本计算机的发展带来了最新的革命，即可编程逻辑控制器 (PLC)。PLC 的出现始于 1970 年代，并已成为制造控制中最常见的选择。

PLC 在工厂车间越来越受欢迎，并且可能会在未来一段时间内保持主导地位。这主要是因为它们提供的优势。

· 控制复杂系统的成本效益高。

· 灵活，可以快速轻松地重新应用于控制其他系统。

· 计算能力允许更复杂的控制。

· 故障排除辅助工具使编程更容易，并减少停机时间。

· 可靠的组件使这些设备可能在出现故障之前运行数年。

梯形图

梯形图是 PLC 使用的主要编程方法。如前所述，梯形图的开发是为了模拟继电器逻辑。选择使用继电器逻辑图是一个战略性的决定。通过选择梯形图作为主要编程方法，工程师和技术人员所需的再培训量大大减少。

现代控制系统仍然包括继电器，但这些继电器很少用于逻辑。继电器是一种简单的设备，它使用磁场来控制开关，如图所示参见简单的继电器布局和原理图。当电压施加到输入线圈时，产生的电流会产生磁场。磁场将金属开关（或簧片）拉向它，触点接触，闭合开关。当线圈通电时闭合的触点称为常开触点。当输入线圈不通电时，常闭触点接触。继电器通常在原理图中用一个圆圈表示输入线圈。输出触点用两条平行线表示。常开触点用两条线表示，当输入不通电时，它们将打开（不导通）。常闭触点用两条线表示，并且有一条对角线穿过它们。当输入线圈不通电时，常闭触点将闭合（导通）。

简单的继电器布局和原理图

继电器用于让一个电源为另一个（通常是高电流）电源闭合开关，同时保持它们隔离。参见一个简单的继电器控制器中显示了继电器在简单控制应用中的一个示例。在这个系统中，最左侧的第一个继电器用作常闭，并且将允许电流流动，直到电压被施加到输入 A。第二个继电器是常开的，并且直到电压被施加到输入 B 时才会允许电流流动。如果电流流过前两个继电器，那么电流将流过第三个继电器中的线圈，并闭合输出 C 的开关。该电路通常以梯形图的形式绘制。这可以从逻辑上理解为 C 将在 A 关闭且 B 打开时开启。

一个简单的继电器控制器

参见一个简单的继电器控制器中的示例没有显示整个控制系统，而只是显示了逻辑。当我们考虑一个 PLC 时，有输入、输出和逻辑。参见用继电器说明的 PLC 显示了 PLC 的更完整的表示。这里有两个来自按钮的输入。我们可以想象输入激活了 PLC 中的 24V 直流继电器线圈。这反过来驱动一个输出继电器，该继电器切换 115V 交流电，从而打开灯。注意，在实际的 PLC 中，输入永远不会是继电器，但输出通常是继电器。PLC 中的梯形图实际上是用户可以输入和更改的计算机程序。请注意，两个按钮输入都是常开的，但 PLC 中的梯形图有一个常开触点和一个常闭触点。不要认为 PLC 中的梯形图需要与输入或输出匹配。许多初学者会陷入试图使梯形图与输入类型匹配的困境。

用继电器说明的 PLC

许多继电器也有多个输出（投掷），这允许一个输出继电器同时也是一个输入。参见自保持电路中所示的电路就是一个例子，它被称为自保持电路。在这个电路中，电流可以流过电路的任一支路，通过标记为 A 或 B 的触点。输入 B 仅在输出 B 打开时才会打开。如果 B 关闭，A 通电，那么 B 将打开。如果 B 打开，则输入 B 将打开，并将保持输出 B 打开，即使输入 A 关闭。B 打开后，输出 B 不会关闭。

自保持电路

编程

早期的 PLC 使用一种基于继电器逻辑布线原理图的技术进行编程。这消除了教授电工、技术人员和工程师如何编程计算机的需要——但是，这种方法一直沿用至今，并且是如今编程 PLC 的最常见技术。在参见一个简单的梯形图中可以看到一个梯形图的示例。要解释这个图，想象一下电源位于左侧的垂直线上，我们称之为热轨。右侧是中性轨。在图中，有两条梯级，每条梯级上都有输入（两条垂直线）和输出（圆圈）的组合。如果输入以正确的组合打开或关闭，则电源可以从热轨流过输入，为输出供电，最后流到中性轨。输入可以来自传感器、开关或任何其他类型的传感器。输出将是 PLC 外部的某些被打开或关闭的设备，例如灯或电机。在最上面的梯级中，触点是常开和常闭的。这意味着如果输入 A 打开而输入 B 关闭，那么电源将流过输出并激活它。任何其他输入值的组合都会导致输出 X 关闭。

一个简单的梯形图

参见一个简单的梯形图中的第二条梯级更复杂，实际上有多种输入组合会导致输出 Y 打开。在梯级的最左侧，如果 C 关闭而 D 打开，则电源可以流过顶部。电源也可以（同时）流过底部，如果 E 和 F 都是真的。这将使电源流过梯级的一半，然后如果 G 或 H 为真，电源将被传递到输出 Y。在后面的章节中，我们将研究如何解释和构建这些图。

可编程逻辑控制器 (PLC) 的编程方法有很多种。其中最早的技术之一是助记符指令。这些指令可以从梯形图直接派生，并通过简单的编程终端输入到 PLC 中。助记符的示例见“助记符程序和等效梯形图示例”。在本例中，指令从上到下逐行读取。第一行 00000 的指令为 LDN（输入加载并取反），用于输入 A。这将检查 PLC 的输入，如果输入关闭，则将记住 1（或真），如果输入打开，则将记住 0（或假）。下一行使用 LD（输入加载）语句查看输入。如果输入关闭，它将记住 0，如果输入打开，它将记住 1（注意：这与 LD 相反）。AND 语句回忆最后记住的两个数字，如果这两个数字都为真，则结果为 1，否则结果为 0。此结果现在替换了记住的两个数字，并且只有一个数字被记住。对行 00003 和 00004 重复此过程，但是完成这些操作后，现在记住三个数字。最旧的数字来自 AND，较新的数字来自两个 LD 指令。第 00005 行的 AND 组合了最后两个 LD 指令的结果，现在记住两个数字。OR 指令取现在剩余的两个数字，如果其中一个为 1，则结果为 1，否则结果为 0。此结果替换了两个数字，现在只有一个数字。最后一条指令是 ST（存储输出），它将查看存储的最后一个值，如果为 1，则输出将打开，如果为 0，则输出将关闭。

助记符程序和等效梯形图示例

“助记符程序和等效梯形图示例”中的梯形图程序等效于助记符程序。即使您使用梯形图对 PLC 进行了编程，它也会在 PLC 使用之前转换为助记符形式。过去，助记符编程是最常见的，但现在用户很少看到助记符程序。

顺序功能图 (SFC) 已被开发用于适应更高级系统的编程。它们类似于流程图，但功能强大得多。在“顺序功能图示例”中看到的示例正在执行两件不同的事情。要阅读图表，从顶部开始，那里写着“开始”。在下面是一条双水平线，上面写着“跟随两条路径”。因此，PLC 将开始分别和同时跟随左侧和右侧的分支。左侧有两个功能，第一个是上电功能。此功能将一直运行，直到它决定已完成，然后是断电功能。右侧是闪光功能，它将一直运行，直到完成。这些功能看起来没有解释，但是每个功能（如上电）将是一个小的梯形图程序。这种方法与流程图大不相同，因为它不必在流程图中遵循单一路径。

顺序功能图示例

结构化文本编程作为一种更现代的编程语言而被开发出来。它非常类似于 BASIC 等语言。一个简单的例子见“结构化文本程序示例”。本例使用 PLC 内存位置 i。此内存位置用于整数，这将在本书后面解释。程序的第一行将值设置为 0。下一行开始循环，循环将返回到此位置。下一行回忆位置 i 中的值，对其加 1，然后将其返回到同一位置。下一行检查循环是否应退出。如果 i 大于或等于 10，则循环将退出，否则计算机将返回到 REPEAT 语句继续执行。每次程序通过此循环时，i 将增加 1，直到该值达到 10。

i := 0;

REPEAT

i := i + 1;

UNTIL i >= 10

END_REPEAT;

结构化文本程序示例

PLC 连接

当一个过程由 PLC 控制时，它使用来自传感器的输入来做出决策并更新输出以驱动执行器，如“控制器和过程的分离”中所示。该过程是一个会随时间变化的真实过程。执行器将驱动系统进入新状态（或操作模式）。这意味着控制器受到可用传感器的限制，如果某个输入不可用，控制器将无法检测到任何状态。

控制器和过程的分离

控制循环是 PLC 读取输入、解决梯形图，然后更改输出的连续循环。像任何计算机一样，这不会立即发生。“PLC 的扫描周期”显示了 PLC 的基本操作周期。当最初打开电源时，PLC 会进行快速健全性检查，以确保硬件正常工作。如果存在问题，PLC 将停止并指示存在错误。例如，如果 PLC 电源下降并且即将关闭，这将导致一种类型的故障。如果 PLC 通过健全性检查，它将扫描（读取）所有输入。在将输入值存储在内存中后，将使用存储的值（而不是当前值）扫描（求解）梯形图。这样做是为了防止输入在梯形图扫描过程中发生变化时出现逻辑问题。当梯形图扫描完成后，将扫描输出（输出值将被更改）。之后，系统会返回执行健全性检查，然后循环无限期地继续。与普通计算机不同，整个程序将在每次扫描时运行。每个阶段的典型时间以毫秒为单位。

PLC 的扫描周期

梯形图输入

PLC 输入在梯形图中很容易表示。“梯形图输入”显示了三种类型的输入。前两种是之前讨论过的常开和常闭输入。IIT（立即输入）功能允许在输入扫描之后、在梯形图扫描期间读取输入。这允许梯形图比每个周期一次更频繁地检查输入值。（注意：此指令在 ControlLogix 处理器上不可用，但在较旧的型号上仍然可用。）

梯形图输入

梯形图输出

在梯形图中，有多种类型的输出，但并非所有 PLC 都始终提供这些输出。一些输出将连接到 PLC 外部的设备，但也可以在 PLC 中使用内部内存位置。“梯形图输出”显示了六种类型的输出。第一个是正常输出，通电时输出将打开并通电。带有斜线穿过圆圈的是常开输出。通电时，输出将关闭。这种类型的输出并非所有 PLC 类型都提供。在最初通电时，OSR（单次继电器）指令将打开一个扫描周期，但在所有后续扫描周期中关闭，直到它被关闭。L（锁存）和 U（解锁）指令可用于锁定输出。当 L 输出通电时，输出将无限期地打开，即使输出线圈断电也是如此。输出只能使用 U 输出关闭。最后一条指令是 IOT（立即输出），它将允许更新输出，而无需等待梯形图扫描完成。

梯形图输出

案例研究

问题：尝试开发（不看解决方案）一个基于继电器的控制器，该控制器允许一个房间中的三个开关控制单个灯光。

总结

· 常开和常闭触点。

· 继电器及其与梯形图的关系。

· PLC 输出可以作为输入，如电路中的密封所示。

· 编程可以使用梯形图、助记符、SFC 和结构化文本完成。

· 有多种方法可以编写 PLC 程序。

练习题

1. 举一个 PLC 可用处的例子。

2. 为什么会使用继电器代替 PLC？

3. 简要描述 PLC。

4. 列出 PLC 比继电器更具优势的原因。

5. PLC 可以有效地替代多个组件。举例说明，并讨论 PLC 的一些优缺点。

6. 解释为什么梯形图输出是线圈？

7. 在下面的图中，第一级输出的电源是常开还是常闭？第二级输出的电源是常开还是常闭？

8. 为下面的梯形图编写助记符程序。

练习题答案

1. 控制传送系统

2. 用于简单的设计

3. PLC 是一种基于计算机的控制器，它使用输入来监控过程，并使用输出通过程序来控制过程。

4. 对于复杂的过程来说更便宜、调试工具、可靠、灵活、易于扩展等等。

5. PLC 可以替代几个继电器。在这种情况下，继电器可能更容易安装且更便宜。要控制更复杂的系统，控制器可能需要计时、计数和其他数学计算。在这种情况下，PLC 将是一个更好的选择。

6. 梯形图输出是根据继电器逻辑图建模的。继电器梯形图中的输出是一个继电器线圈，它切换一组输出触点。

7. 常闭，常开

8. 通用：LD A, LD B, OR, ST Y, END; Allen Bradley：SOR, BST, XIO A, NXB, XIO B, BND, OTE Y, EOR, END

作业

1. 解释在控制应用中使用继电器和 PLC 之间的权衡。

2. 开发一个简单的梯形图程序，如果输入 A 和 B 或输入 C 打开，则打开输出 X。