任務1.2 學習PLC的特點、主要功能及性能指標

任務引入

現代工業生產過程是多種多樣的，它們對控制要求也各不相同。而不同廠家各種機型的PLC，其功能也各不相同，為了能夠在各種工業環境中使用，所有廠家的PLC都有哪些共同的特點呢？在工業現場都能夠完成哪些方面的控制要求？種類繁多的PLC都有哪些性能指標？

任務分析

完成本節3個小任務，需要了解PLC的特點、主要功能及其性能指標的相關知識。

相關知識

1.2.1 PLC的特點

由PLC的產生和發展過程可知，PLC的設計是以用戶需要為出發點，以直接應用于各種工業環境為目標，但又不斷采用先進技術求發展?？删幊绦蚩刂破鹘涍^幾十年的發展，已日臻完善。其主要特點如下。

1.可靠性高、抗干擾能力強

工業生產一般對控制設備可靠性要求很高，要求它有很強的抗干擾能力，能夠在惡劣環境下可靠地工作。平均故障間隔時間長，故障修復時間短，這是PLC的一大特點，一般PLC平均整機無故障時間可長達幾萬～幾十萬小時。PLC本身具有很強的自診斷功能，保證在“硬核”（如CPU、RAM、I/O總線等）正常的情況下執行用戶的執行程序。一旦出現CPU故障、RAM故障或I/O故障，就立即給出CPU出錯信號，并停止用戶程序的執行，切斷所有輸出信號等待修復。有些高檔PLC具有CPU并行操作功能，若某個CPU出了故障，系統仍能正常工作，并給出帶病工作信號，要求修復出現故障的CPU，這就提高了PLC工作的可靠性。為了提高PLC工作的可靠性及其抗干擾能力，PLC在其硬件、軟件上采取的主要措施有以下兩方面。

（1）硬件措施

1）屏蔽。對電源變壓器、CPU、信號線等主要部件，采用導電、導磁性能良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。

2）濾波。對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊間的相互影響。

3）電源調整與保護。對PLC的24V電源采用專用的工業電源，對微處理器所需的+5V電源采用多級濾波，并采用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。

4）隔離。在微處理器與I/O電路之間采用光電隔離措施，有效地隔離I/O之間電信號的直接聯系，減少故障和誤動作。

5）采用模塊式結構。該結構有助于在故障情況下短時修復，一旦查出某個模塊出現故障，就能迅速更換，使系統恢復正常工作，同時也有助于加快查找故障原因。

（2）軟件措施

1）故障檢測。軟件定期檢測外界環境，如掉電、欠電壓、強干擾信號等，以便及時處理。

2）信息保護和恢復。當偶發性故障條件出現時，不破壞PLC內部信息，一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續原來的工作。

3）設置了警戒時鐘WDT。如果程序循環時間超過了WDT規定時間，預示程序進入死循環，立即報警。

4）加強對程序的檢查和校驗。一旦程序有錯，立即報警并停止執行。

5）對程序及動態數據進行電池后備。停電后利用后備電池供電，有關狀態及信息就不會因此而丟失。

2.軟件編程簡單易學、編程方便且程序可變、具有很好的柔性

PLC是面向工業企業中一般電氣工程技術人員而設計的，設計者充分考慮到現場工作人員的技能和習慣，采用易于理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業控制的簡單指令。這種梯形圖語言既繼承了傳統繼電器控制線路的表達形式（如線圈、觸點、動合、動斷），又考慮到工業企業中電氣技術人員的看圖習慣和計算機應用水平。因此，梯形圖語言對于企業中熟悉繼電器控制線路的電氣工程技術人員是非常親切的。它形象、直觀、簡單、易學，尤其是對于小型PLC而言，幾乎不需要專門的計算機知識，只要進行短暫幾天甚至幾小時的培訓，就能基本掌握編程方法。

3.使用靈活方便、擴展性好

PLC及其擴展模塊品種繁多，所構成的產品已系列化和模塊化，并且配有品種齊全的各種軟件，用戶可靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統，PLC的輸入/輸出可直接與交流220V、直流24V等相連，并有較強的帶負載能力。在由PLC組成的控制系統中，只需要在PLC的輸入/輸出端子上接入相應的導線即可。而導線的另一端可以接按鈕、限位開關、繼電器線圈、接觸器線圈等，大量而又繁雜的中間環節的硬接線線路不見了。在生產工藝流程改變或生產線設備更新，或系統控制要求改變，需要變更控制系統的功能時，除了I/O通道上的外部接線需做很小的調整外，只是把用戶程序做相應的修改就可以了。同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出的組件和應用軟件的不同。

4.操作及維護方便

用戶所編寫的控制程序可通過編程器輸入到PLC的存儲器中。當PLC工作時，編程器還可隨時監控，使得PLC的操作及維護都很方便。PLC還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，如I/O通道的狀態、RAM的后備電池的狀態、數據通信的異常、PLC內部電路的異常等信息。正是通過PLC的這種完善的診斷和顯示能力，當PLC主機或外部的輸入裝置及執行機構發生故障時，操作人員能迅速檢查、判斷故障原因、確定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在維修時只需要更換插入式模板或其他易損件即可完成，既方便又減少了影響生產的時間。

5.設計、施工、調試的周期短

用繼電器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏（柜）的布置或接線圖等，再進行安裝調試，且以后修改起來非常不便。而采用PLC控制，由于其硬件、軟件齊全，設計和施工可同時進行。同時用軟件編程取代了繼電器硬接線，使得控制柜的設計及安裝工作量大為減少，具體的編程工作也可在PLC到貨之前進行，因而縮短了設計周期。因為PLC是通過程序完成控制任務的，采用方便用戶的工業編程語言，用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，模擬調試后再進行生產現場聯機統調，使得調試方便、快速、安全，因此大大縮短了設計和投運周期。

6.體積小、重量輕、功耗低

由于PLC是專門為工業控制而設計的，其結構緊湊、堅固、體積小巧，易于裝入機械設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

正是由于有了上述優點使得PLC受到了廣泛的歡迎。

1.2.2 PLC的主要功能

PLC是采用微電子技術來完成各種控制功能的自動化設備，可以在現場輸入信號作用下，按照預先輸入的程序，控制現場的執行機構按照一定規律進行動作。其主要功能如下。

1.順序邏輯控制

順序邏輯控制是PLC最基本最廣泛的應用領域，用來取代繼電器控制系統，實現邏輯控制和順序控制。它既可用于單機或多機控制，又可用于自動化生產線的控制。PLC根據控制要求準確無誤地處理輸入信號、輸出信號的各種邏輯關系。

2.運動控制

在機械加工行業，PLC與計算機控制（CNC）集成在一起，用以完成機床的運動控制。PLC制造商已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸的位置控制模塊，在多數情況下，PLC把描述目標位置的數據送給模塊，模塊移動一軸或數軸到目標位置。當每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的運動加速度，確保運動平滑。

3.定時控制

PLC為用戶提供了一定數量的定時器，并設置了定時器指令，為了保證定時精度，定時器的時基單位又分為幾個檔次，有0.1級、0.01級、0.001級，也可以按照一定方式進行定時時間的擴展。PLC定時精度高，定時設定方便、靈活。

4.計數控制

PLC為用戶提供的計數器分為普通計數器、可逆計數器（增減計數器）、高速計數器等，用來完成不同用途的技術控制。當計數器的當前計數值等于計數器的設定值，或在某一數值范圍時，發出控制命令。計數器的計數值可在運行中被讀出，也可以在運行中被修改。

5.步進控制

PLC為用戶提供了一定數量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步進控制功能，在一道工序完成之后，自動進行下一道工序，一個工作周期結束后，自動進行下一個周期。有些PLC還專門設定有步進控制指令，使得步進控制更為方便。

6.數據處理

大部分PLC都具有不同程度的數據處理功能，主要可以完成的數據運算如：加、減、乘、除、乘方、開方等；邏輯運算如：字與、字或、字異或、求反、位移、數據比較和傳送及數值的轉換等工作。

7.模-數和數-模轉換

在過程控制和閉環控制系統中，存在溫度、壓力、速度、電流、電壓等連續變化的物理量（或稱為模擬量）。過去由于PLC主要完成邏輯運算控制，對于這些模擬量的控制主要靠儀表控制或分布式控制系統（DCS）。目前，大、中型PLC都具有模擬量處理功能，而且編程和使用都很方便。

8.通信及聯網

目前，大多數PLC都具備了通信能力，能夠實現PLC與計算機、PLC與PLC之間的通信。通過這些通信技術使PLC更容易構成工廠自動化（FA）系統。PLC也可以與打印機、監視器等外部設備相連，記錄和監視有關數據。

1.2.3 PLC的性能指標

性能指標是用戶評價和選購機型的依據。目前市場銷售的PLC和我國工業企業使用的PLC絕大多數是國外生產的產品。各種機型種類繁多，各個廠家在說明其性能指標時，側重點也不完全相同。如何評價一臺PLC的檔次高低、規模大小、使用場所，至今還沒有一個統一的衡量標準。但是，當用戶在進行PLC的選型時，可以參照各生產廠商提供的技術指標，從以下幾個基本方面考慮。

1.I/O點數

I/O點數指PLC主機的輸入、輸出端子數，這是一項很重要的技術指標，因為在選用PLC時，要根據控制對象需要的I/O點數來選定PLC的機型。當主機的I/O點數不夠時，可通過擴展單元來擴展I/O點數。但因為一般的擴展單元只有接口和驅動電路而沒有CPU，它是由主機的CPU來尋址的，所以最大擴展點數受CPU尋址能力的限制。

2.內存容量

一般以PLC所能存放用戶程序的多少來衡量內存容量。在PLC中程序指令是按“步”存放的（一條指令往往不止一步），一“步”占用一個地址單元，一個地址單元占兩個字節。例如，一個內存容量為1000步的PLC，可推知其內存為2KB。

3.指令條數

PLC具有的指令種類越多，其軟件功能就越強，所以指令條數的多少是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標。

4.掃描速度

掃描速度一般指執行一步指令所需要的時間，單位為微秒/步。

5.內部寄存器

PLC內部有許多寄存器，用以存放變量狀態、中間結果和數據，還有許多輔助寄存器給用戶提供特殊功能，以簡化整個系統的設計。因此，內部寄存器的配置情況也是衡量PLC硬件功能強弱的主要技術指標之一。

6.高功能模塊

PLC除了主控模塊（又稱為主機或主控單元）之外，還可以配接各種高功能模塊。主控模塊實現基本的控制功能，高功能模塊則可實現一些特殊的專門功能。因此，高功能模塊的配置反映了PLC功能的強弱，是衡量PLC產品檔次高低的一個重要標志。目前高功能模塊的發展很快，種類日益增多，功能也日益增強。已開發的常用高功能模塊主要有：A-D、D-A、稱重和通信等模塊。

任務實施

請者自行設計完成該任務的步驟。

任務總結

通過歸納完成PLC的特點、PLC的主要功能和PLC的主要性能指標這3個小任務，就能夠明確PLC控制系統的特點、主要控制功能及衡量其控制性能的主要性能指標。