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可编程逻辑控制器(PLC)的历史发展及详细种类先容
编辑: 来源: 发布时间:2020-03-12
每个控制系统都可以分为三个通用部分:输入设备(传感器),控制器和输出设备(实行器)。输入设备感知过程中发生的事情,控制器决定如何处理,而输出设备操纵过程以达到希望的结果。

甲可编程逻辑控制器或PLC是一个通用控制器,适用于许多不同类型的过程控制应用。名称中的“可编程”一词揭示了PLC之所以如此有用的原因:最终用户能够对PLC进行编程或指令,以实行实际上可以想象的任何控制功能。

与PID回路控制器不同,PID回路控制器是旨在实行单一类型控制功能的专用设备,可以指示PLC对从输入设备接收到的信号进行几乎任何操作。

PLC作为机电继电器控制的电子替代品被引入工业。在继电器通常控制电动机和其他离散输出设备的启动和停止的应用中,电子PLC的可靠性意味着更少的系统故障和更长的使用寿命。

PLC的可重新编程性也意味着,必须比继电器电路更容易实施对控制系统策略的更改,在继电器电路中,重新布线是改变系统功能的唯一方法。

另外,PLC的基于计算机的特性意味着过程控制数据现在可以由PLC通过网络进行通信,从而可以在遥远的位置和多个操作员站监视过程状态。

PLC作为继电器替换的传统可能在其传统编程语言中最为明显:一种称为梯形图的图形约定。

梯形图PLC程序类似于梯形电气原理图,其中垂直电源“导轨”将控制电源传输到一组包含开关触点和继电器线圈的并联“梯级”电路。

对PLC进行编程的人员实际上是在屏幕上绘制该图,使用继电器触点符号表示读取PLC存储器中数据位的指令,使用继电器线圈符号表示将数据位写入PLC存储器的指令。

开发这种编程风格是为了使工业电工更容易适应PLC的新技术。尽管与其他计算机编程语言相比,梯形图编程肯定有局限性,但它相对容易学习和诊断,这就是为什么它今天仍作为PLC编程语言流行的原因。

连接到PLC输入的典型设备包括手动开关,过程开关,传感器,模拟变送器(4-20 mA),热电偶,热敏电阻和应变仪。连接到PLC输出的典型设备包括电灯,螺线管,继电器线圈,电动机接触器,模拟最终控制元件(例如节流控制阀,变速电动机驱动器)和蜂鸣器。

PLC最初是为离散(开/关)控制应用而设计的,例如传送带管理,批处理排序和装配线控制,而现代PLC同样也具有输入和输出模拟信号的能力。因此,现在找到实行PID回路控制的PLC就像找到打开和关闭离散设备的PLC一样可能。

PLC实例
可编程逻辑控制器本质上只不过是专用的工业计算机。

因此,它们的构建要比普通的个人计算机(PC)更坚固耐用,并且可以运行非常可靠的操作系统App1。PLC通常不包含磁盘驱动器,冷却风扇或任何其他活动部件。

这是一个有意的设计决策,旨在使恶劣的工业环境中的PLC机箱可能经受极端温度,振动,湿度和空气传播的微粒(灰尘,纤维和/或烟雾)的影响,从而最大程度地提高硬件的可靠性。大号

arge PLC系统由一个机架组成,电路“卡”插入其中。这些卡包括处理器,输入和输出(I / O)点,通信端口以及完整PLC系统操作所需的其他功能。

这种“模块化” PLC可以根据应用程序的特定需求进行不同配置。单个卡故障在模块化系统中也更容易修复,因为仅需要更换发生故障的卡,而不是更换所有卡或整个卡架。

小型PLC系统由包含所有处理器,I / O和通信功能的整体“砖”组成。这些PLC通常比它们的模块化表亲便宜得多,但是I / O功能也受到更多限制,并且在发生故障时必须整体上替换。

下图显示了实际PLC系统的一些示例,其中一些是模块化的,一些是整体的。这些选择绝不是全面的,因为PLC的制造商和型号比我拍摄的要多。但是,它们确实代表了当前工业用途中一些较常见的品牌和型号。

第一张照片是西门子(Texas Instruments)505系列PLC的安装在市政废水处理厂的控制面板中。

这是模块化PLC的示例,其中单个处理器,I / O和通信卡插入机架。这张照片中出现了三个架子(两个完全装满了卡片,第三个仅部分装满了):
模块化PLC
每个机架的电源和处理器卡位于左侧,I / O卡插入其余机架的插槽中。

输入设备(例如开关和传感器)通过电线连接到输入卡上的端子,而输出设备(例如灯,螺线管和电动机接触器线圈)通过电线连接到输出卡上的端子。

模块化PLC构造的好处之一是可以根据需要更换I / O卡,从而根据需要更改PLC的I / O配置。

例如,如果需要将PLC配置为监视更多的传感器,则可以将更多的输入卡插入机架,然后将其连接到这些传感器。

或者,如果需要更改传感器的类型(例如,从24伏直流传感器更改为以120伏交流电运行的传感器),则可以替换另一种类型的输入卡以匹配新传感器。

在此特定应用中,PLC用于对自清洁“垃圾架”的操作进行排序,该“垃圾架”用于在处理之前从市政废水中筛选出大块碎片,例如抹布,木棍和其他不可降解的物品。

这些垃圾架由电动机驱动,将捕获的碎屑刮掉并输送到固体废物处理系统。这些PLC负责管理垃圾架的运动,废水液位和压力的检测以及任何人为操作的超控控件的监视。

这些PLC的编程涉及计时器,计数器,定序器和其他功能,以正确管理垃圾桶的连续运行。

下一张照片显示了Allen-Bradley(Rockwell)PLC-5系统,用于监视和控制大型天然气压缩机的运行。第一张照片中出现两个机架,每个机架中插入了不同类型的I / O卡:
20200312102921.jpg
就像之前看到的Siemens 505 PLC一样,该Allen-Bradley PLC-5系统是完全模块化和可配置的。可以由熟练的技术人员更改插入机架的I / O卡的类型和位置,以适合任何所需的应用程序。如果出于任何原因需要更改控制策略,也可以更改PLC处理器卡的编程。

在此特定应用中,PLC的任务是监视气体压缩机单元上的某些变量,并在需要时采取纠正措施以保持机器的生产率和安全性。

PLC提供的自动控制可确保安全,有效地启动,关闭和处理紧急事件。PLC的联网和数据记录功能可确保适当人员查看压缩机单元上的关键数据。

对于该特定的压缩机站,数据从压缩机所在的华盛顿州一直到主要运营中心所在的犹他州进行通信。操作员能够监视压缩机的运行状况,并通过数字网络向压缩机发出命令。

西门子(以前的德州仪器)505和艾伦-布拉德利(罗克韦尔)PLC-5系统都被现代标准视为“旧式” PLC系统,上一张照片中的这两个系统分别具有大约20年的历史。


 
不过,发现“过时的” PLC仍在运行并不罕见。鉴于其极其坚固的结构和可靠的设计,这些控制系统可以继续运行数十年而不会造成重大麻烦。

Allen-Bradley制造的PLC的较新型号是SLC 500系列(通常称为“ Slick 500”),尽管SLC的机架和模块也像以前的PLC-5系统一样采用模块化设计。 500设计更紧凑。

下一张照片所示的SLC 500机架有7个“插槽”,用于插入处理器和I / O卡,编号为0到6(从左到右):
20200312102941.jpg
此特定SLC 500机架的前三个插槽(0、1和2)分别被处理器卡,模拟输入卡和离散输入卡占用。

插槽3和4空闲(露出背板电路板和用于接收新卡的连接器)。插槽5和6分别容纳离散输出卡和模拟输出卡。

该系统中所有卡上可见的功能是多个LED指示灯,旨在显示每个卡的状态。

处理器卡具有用于“运行”模式,“故障”状态,“强制”状态(当出于测试目的而将输入或输出位强制进入某些状态时)的LED指示器以及通信网络指示器。

每个离散I / O卡都有指示每个I / O位的开/关状态的LED指示灯,而模拟卡有一个LED指示灯,表示该卡已通电。

下一张照片显示了九槽SLC 500系统,该系统控制着生物制药生产设施的高纯度水处理系统。

如您在这张照片中所看到的,该特定机架中的所有插槽都不是由I / O卡占用的:
QQ截图20200312103003.jpg
该PLC的一些输入包括水位开关,压力开关,水流量计和电导率仪(用于测量水的纯度,较高的电导率表示存在更多溶解的矿物质,这在此特定过程应用中是不希翼的) )。

反过来,PLC控制水泵的启动和停止以及水阀的开关,以管理水的净化和存储过程。

下一张照片中显示了西门子制造的现代PLC S7-300,它是模块化PLC的另一种设计。

这种模块化的PLC设计不是将单个卡插入机架中,而是将单个模块在侧面插入彼此,以形成更大的单元:

该ControlLogix 5000系统是Allen-Bradley(Rockwell)生产的现代PLC,如照片所示,用于控制谷物的生产过程。

ControlLogix 5000系统的模块化设计遵循更传统的方案,即将单个卡插入固定大小的机架中:

西门子S7和罗克韦尔ControlLogix PLC平台代表了大规模的模块化PLC系统,但现有的小型PLC的价格却很少。

在撰写本文时,也许市场上最便宜的PLC是Koyo“ CLICK” PLC系列,该处理器模块(内置8个离散输入和6个离散输出通道)显示在我手上(售价为69美金)。 2010年,并提供免费的编程App!):

这是一种半模块化PLC设计,在处理器模块中内置了最少的输入/输出(I / O)通道,但是具有接受多个插入侧面的I / O模块的能力,这与Siemens S7相似-300 PLC。

其他半模块化PLC使用插入到基本单元的I / O卡进行扩展,这与传统的基于机架的PLC系统不同。

Koyo DirectLogic DL06是此类半模块化PLC的一个很好的例子,下图显示了DL06型在其四个可用卡槽之一中接受热电偶输入卡的情况:

这张照片显示了具有20个离散输入通道和16个离散输出通道的PLC基本单元,它接受一个模拟输入卡(该卡专门用于输入来自热电偶的信号,以测量多达四个温度通道)。

一些低端PLC严格是单片的,无法接受其他I / O模块。

通用电气Series One PLC(用于监视小型水力发电站)是纯整体设计的示例,没有“扩展”插槽来容纳I / O卡:

单片PLC构造的一个缺点是损坏的I / O无法独立更换。

如果这些PLC之一上的I / O通道损坏,则必须更换整个PLC才能解决问题。在模块化系统中,损坏的I / O卡可以简单地从机架上拔下并更换为新的I / O卡。

整体式PLC的另一个缺点是I / O本质上是固定的:最终用户无法自定义I / O配置以匹配应用程序。

由于这些原因,通常在具有很少I / O通道且扩展潜力有限的小型过程中找到单片PLC。

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