可编程逻辑控制器提供各种自动化应用所需的可靠、高速控制和监控。
可编程逻辑控制器 (PLC) 已在工业制造领域占据重要地位，如果这项技术没有得到应有的重视，我们将是失职。 因此，我们在这个新的 EC&M 部门推出了一系列基于 PLC 基础知识的文章，涵盖固态工业自动化技术。 在本系列 PLC 基础知识中，我们将介绍 PLC 硬件模块； 软件能力； 当前的应用程序； 安装参数； 测试和故障排除； 和硬件/软件维护。
什么是PLC？
美国电气制造商协会 (NEMA) 将 PLC 定义为“数字操作电子设备，它使用可编程存储器在内部存储指令，通过实现特定功能，例如逻辑、排序、定时、计数和算术，通过数字控制或模拟 I/O 模块各种类型的机器或过程。”
一家 PLC 制造商将其定义为“一种固态工业控制设备，它接收来自用户提供的受控设备（例如传感器和开关）的信号，并以由存储在用户内存中的基于梯形图的应用程序进度确定的精确模式执行这些信号，并且提供用于控制过程或用户提供的设备（例如继电器或电机启动器）的输出。”
基本上，它是一种固态、可编程的电气/电子接口，可以以非常快的速度操纵、执行和/或监控过程或通信系统的状态。 它基于集成微处理器系统中包含的可编程数据运行。
PLC 能够接收（输入）和传输（输出）各种类型的电气和电子信号，并且几乎可以控制和监控任何类型的机械和/或电气系统。 因此，它在与计算机、机器和许多其他外围系统或设备的接口方面具有极大的灵活性。
它通常以继电器梯形逻辑进行编程，设计用于在工业环境中运行。
它是什么样子的？
PLC 有各种尺寸。 通常，PLC 占用的空间或大小与用户系统和输入/输出要求以及所选制造商的设计/封装能力直接相关。
PLC 的机箱可以是开放式或封闭式。 各个模块插入机箱的背板。
电子元件安装在包含在模块内的印刷电路板 (PCB) 上。
它从哪里来的？
第一个 PLC 是在 1960 年代后期推出的，是可编程控制器或 PC（不要与用于个人计算机的符号混淆）的产物。 自 60 年代初以来，PC 就一直存在于该行业。
对适合更小的空间的更好更快的控制继电器的需求以及对程序不灵活性（硬接线继电器、步进开关和鼓编程器）的挫折催生了 PC。
虽然PC和PLC在语言上是互换的，但它们的区别在于PC是专用于固定程序中的控制功能，在某种意义上类似于过去能力有限的问题。 另一方面，PLC 只需要重写其软件逻辑即可满足被控制系统的任何新需求。 因此，PLC 可以适应许多过程或监控应用需求的变化。
PLC是如何工作的？
要了解 PLC 的工作原理，我们必须了解其中央处理器 (CPU) 的扫描顺序。 该方法基本上对所有 PLC 都是相同的。 但是，由于系统中添加了特殊的硬件模块，因此需要额外的扫描周期。
这是一个涉及每个 PLC 的简单扫描过程。 首先，I/O 硬件模块被梯形逻辑软件程序扫描如下。
上电后，处理器扫描输入模块并将数据内容传输到输入的图像表或寄存器。 来自输出图像表的数据被传输到输出模块。
接下来，扫描软件程序，并检查每个语句以查看是否满足条件。 如果条件满足，处理器将数字位“1”写入输出图像表，外围设备将被通电。 如果条件不满足，处理器将“0”写入输出图像表，外围设备（使用“正逻辑”）保持断电。
PLC 接口多种类型的外部电气和电子信号。 这些信号可以是交流或直流电流或电压。 通常，它们的范围为 4 到 20 毫安 (mA) 或 0 到 120VAC，以及 0 到 48VDC。 这些信号称为 I/O（输入/输出）点。 它们的总和称为 PLC 的 I/O 能力。 从电子的角度来看，该数字基于 PLC 的 CPU 在指定时间内能够查看或扫描的点数。 这种性能特性称为扫描时间。 然而，从用户的实际角度来看，所需的 I/O 模块数量以及每个 I/O 模块上包含的 I/O 点数将决定系统的 I/O 能力。
在您的 PLC 系统中拥有足够的 I/O 能力很重要。 拥有更多总比更少更好，这样当将来需要更多 I/O 点时，将现有的备用 I/O 点写入软件会更容易（因为硬件已经存在）。 有多余的 I/O 点对操作系统没有坏处； 软件可以编程忽略它们，这些点对 PLC 的扫描时间的影响可以忽略不计。
PLC的软件程序
软件程序是 PLC 的核心，由程序员编写，程序员使用元素、功能和指令来设计 PLC 要控制或监视的系统。 这些元素放置在继电器梯形逻辑 (RLL) 中单独编号的梯级上。 软件的 RLL 由 CPU 模块或控制器模块中的处理器执行（相同模块，不同名称）。
有多种类型的 PLC 软件设计包可用。 经常选择的一种软件包是 RLL 格式，包括触点、线圈、定时器、计数器、寄存器、数字比较块和其他类型的特殊数据处理功能。 使用这些元素，程序员设计控制系统。 然后将外部设备和组件连接到与程序员的软件梯形逻辑相同的系统中。 然而，并非所有软件元素都具有硬连线的物理对应物。
当 PLC 的处理器通过软件程序（逐级）扫描（自上而下）时，会执行 RLL 的每一行。 软件正在镜像的硬连线设备随后变为活动状态。 因此，该软件是控制设备，并为程序员或技术人员提供了灵活性，可以从系统操作中“强制一个状态”或“阻止一个设备”。 例如，线圈或触点可以直接从软件操作（独立于控制柜到源或现场输入设备的硬接线）。 或者，可以使设备看起来不可见（从系统操作中移除），即使它是电气硬接线并且物理就位。
单独的 PLC 部分
所有 PLC 共有四个部分，每个部分都可以细分为较小但同样重要的部分。 这些主要部分包括电源部分，它为 PLC 和 I/O 基本模块提供工作直流电源，并包括备用电池； 程序软件部分； CPU 模块，包含处理器并保存内存； 和 I/O 部分，它控制外围设备并包含输入和输出模块。
电源部分。 电源 (PS) 部分从外部 120VAC 或 240VAC 电源（线电压）获取输入电源，该电源通常熔断并通过 PS 外部的控制继电器和滤波器供电。 此外，PS 有自己的集成交流输入保险丝。
然后对该线路电压进行降压、整流、滤波、调节、电压和电流保护以及状态监控，状态指示以多个 LED（发光二极管）的形式显示在 PS 的正面。 PS 可以有一个按键开关来保护存储器或选择特定的编程模式。
PS 的输出为 PLC 的各种模块（通常具有 20A 或 50A 的总电流能力）以及用于存储备份的集成锂电池提供低直流电压。 如果 PS 出现故障或其输入线电压低于特定值，则存储器内容将不会与故障前的内容发生变化。
PS 输出为 PLC 中的每个模块供电； 但是，它不向 PLC 的外围 I/O 设备提供直流电压。
中央处理器模块。 “CPU”、“控制器”或“处理器”都是不同制造商用来表示执行基本相同功能的相同模块的所有术语。 CPU模块可以分为两个部分：处理器部分和内存部分。
处理器部分做出 PLC 所需的决定，以便它可以操作其他模块并与其他模块通信。 它通过串行或并行数据总线进行通信。 I/O 基本接口模块或单独的板载接口 I/O 电路提供与处理器通信所需的信号调节。 处理器部分还执行程序员的 RLL 软件程序。
存储器部分在存储器的三个专用位置存储（以电子方式）可检索的数字信息。 这些内存位置由处理器定期扫描。 存储器将接收（“写入”模式）数字信息或由处理器访问（“读取”模式）数字信息。 这种读/写 (R/W) 功能提供了一种更改程序的简单方法。
存储器包含多种信息类型的数据。 通常，数据表或图像寄存器和软件程序 RLL 位于 CPU 模块的内存中。 程序消息可能驻留在或可能不驻留在其他存储器数据中。
一些制造商使用备用电池来保护内存内容在电源或内存模块出现故障时不会丢失。 还有一些使用各种集成电路 (IC) 存储器技术和设计方案，以在不使用备用电池的情况下保护存储器内容。
CPU 模块的典型内存部分的内存大小为 96,000 (96K) 字节。 这个大小告诉我们内存中有多少个位置可用于存储。 当需要更大的内存时，可以将额外的内存模块添加到您的 PLC 系统中。 这些扩展模块是随着I/O模块数量的增加或软件程序的增加而添加到PLC系统中的。 完成此操作后，内存大小可高达 1,024,000 (1024K) 字节。
制造商将以“字节”或“字”来说明内存大小。 一个字节是八位，一位是二进制代码中最小的数字。 它要么是逻辑“1”，要么是逻辑“0”。 一个字的长度等于两个字节或 16 位。 并非所有制造商都使用 16 位字，因此请注意您的 PLC 制造商对其存储器字位大小的定义。
软件项目。 PLC 不仅需要电子元件来操作，还需要一个软件程序。 PLC 程序员不限于以一种格式编写软件。 有多种类型可供选择，每种类型都更适合一种应用程序而不是另一种应用程序。 典型的是前面讨论过的 RLL 类型。 其他 S/W 程序包括“C”、状态语言和 SFC（顺序功能图）。
无论选择哪种软件，都会由 PLC 的 CPU 模块执行。 软件可以在处理器处于联机状态（PLC 实际运行时）或脱机状态（其中 S/W 执行不影响 I/O 基座的当前操作）的情况下编写和执行。
在 RLL 软件程序中，我们发现了多种类型的编程元素和功能，用于控制 PLC 内部（存储器和寄存器）以及外部（现场）设备的过程。 下面列出了一些更常见的元素、函数和指令类型：
* 触点（可以常开或常闭；在监视器上突出显示表示它们处于活动状态）。
* 线圈（可以是正常的或锁定的；突出显示的表示它们已通电）。
* 定时器（线圈可以在指定的延迟时间内打开或关闭）。
* 计数器（可以向上或向下递增计数）。
* 位移位寄存器（活动时可以将数据移动一位）。
* One-shot（意味着在一次扫描时间内处于活动状态；对脉冲计时器有用）。
* 鼓（可以根据时间或事件排序）。
* 数据操作指令（启用移动，数字值的比较）。
* 算术指令（启用数字值的加法、减法、乘法和除法）。
外围设备
PLC 及其 I/O 基座的外围设备可以是从主机和控制台到电机驱动单元或现场限位开关的任何设备。 用于编程的打印机和工业终端也是外围设备。
外围设备可以生成或接收交流或直流电压和电流以及数字脉冲序列或快速长度（脉冲宽度）的单脉冲。
这些外部操作设备有时具有苛刻和/或快速的信号特性，必须能够与 PLC 的敏感微处理器接口。 可以使用各种类型的 I/O 模块（使用适当的屏蔽电缆）来完成这项工作。
输入模块
输入模块有两个功能：接收外部信号和显示该输入点的状态。 换句话说，它接收外围传感单元的信号并为该信号的状态提供信号调节、终止、隔离和/或指示。
输入模块的输入采用离散形式或模拟形式。 如果输入是 ON-OFF 类型，例如带有按钮或限位开关，则信号被认为是离散的。 另一方面，如果输入发生变化，例如随温度、压力或电平变化，则信号本质上是模拟的。
向描述外部条件的输入模块发送信号的外围设备可以是开关（限位、接近度、压力或温度）、按钮或逻辑、二进制编码十进制 (BCD) 或模数 (A/D) 电路。 这些输入信号点被扫描，它们的状态通过每个单独的 PLC 和 I/O 基座内的接口模块或电路进行通信。 下面列出了一些典型的输入模块类型。
* 直流电压（110、220、14、24、48、15-30V）或电流（4-20 mA）。
* 交流电压（110、240、24、48V）或电流（4-20 mA）。
* TTL（晶体管晶体管逻辑）输入（3-15VDC）。
* 模拟输入（12 位）。
* 字输入（16 位/并行）。
* 热电偶输入。
* 电阻温度检测器。
* 大电流继电器。
* 低电流继电器。
* 锁存输入（24VDC/110VAC）。
* 隔离输入（24VDC/85-132VAC）。
* 智能输入（包含微处理器）。
* 定位输入。
* PID（比例、整数、微分）输入。
* 高速脉冲。
输出模块
输出模块传输离散或模拟信号以激活各种设备，例如液压执行器、螺线管、电机启动器，并显示所连接输出点的状态（通过使用 LED）。 信号调理、端接和隔离也是输出模块功能的一部分。 处理器以与输入模块相同的方式处理输出模块。
目前可用的一些典型输出模块包括：
* 直流电压 (24, 48,110V) 或电流 (4-20 mA)。
* 交流电压 (110, 240v) 或电流 (4-20 mA)。
* 隔离 (24VDC)。
* 模拟输出（12 位）。
* 字输出（16 位/并行）。
* 智能输出。
* ASCII 输出。
* 双通讯口。
须知条款
A/D：将模拟信号转换为数字字的设备或模块。
地址：PLC 内存中用于存储信息的编号位置（存储编号）。
模拟输入：向模拟输入模块提供过程变化信息的变化信号。
模拟量输出：来自模拟量输出模块的变化信号传输过程变化信息。
波特率：每秒传输或接收的比特数； 也是设备可接受的数字传输速度。
BCD：二进制编码的十进制。 一种用于将 0-thru-9（基数 10）编号系统表示为二进制（基数 2）等价物的方法。
位：单个二进制数字。
字节：八位。
中央处理单元 (CPU)：解释、决定和执行指令的集成电路 (IC)。
D/A：将数字字转换为模拟信号的设备或模块
电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)：与 EPROM 相同，但可以电擦除。
Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM)：用户可以多次擦除和加载新数据的存储器，但在应用中使用时，它的作用相当于 ROM。 EPROM 不会在断电期间丢失数据。 它们是纳米易失性存储器。
图像寄存器/图像表：为 I/O 位状态保留的专用存储器位置。
输入模块：处理来自现场设备的数字或模拟信号。
I/O 点：I/O 模块上的端子点，用于连接输入和输出现场设备。
毫秒：千分之一秒（1/1000 秒，0.001 秒）。
调制解调器：调制解调器是调制器/解调器的首字母缩写词。 这是一种调制（混合）和解调（分离）信号的设备。
操作员界面：允许系统操作员访问 PLC 和 I/O 基本条件的设备。
输出模块：控制现场设备。
并行数据：传输或接收字节或字且所有位同时存在的数据。
程序：完成一项任务的一个或多个指令或语句。
编程设备：用于告诉 PLC 做什么以及何时应该做的设备。
随机存取存储器 (RAM)：可以在任何地址访问数据而无需读取多个连续地址的存储器。 数据可以从存储位置读取和写入。 RAM 具有易失性存储器，这意味着断电将导致 RAM 中的内容丢失。
只读存储器 (ROM)：可以读取但不能写入数据的存储器。 ROM 通常用于防止程序或数据因用户干预而被破坏。
软件：控制一个过程的一个或多个程序。
Edited by leiwenge