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关于可编程逻辑控制器（PLC）应用的综述

Ephrem Ryan Alphonsus ^a, Mohammad Omar Abdullah ^b,[1]

摘要

随着自动化的需求显着增加，控制系统需要易于编程，灵活，可靠，稳健且具有成本效益。 在本文中，讨论了可编程逻辑控制器（PLC）在当前市场中的应用。 本文回顾了PLC在能源研究，工程研究，工业控制应用和植物监测中的应用调查。 PLC有自己的局限性，但发现表明PLC具有比限制更多的优点。 本文的结论是PLC可以用于任何应用，无论是简单还是复杂的控制系统。

简介

可编程逻辑控制器[PLC]是基于计算机的固态单处理器设备，其模拟能够控制许多类型的工业设备和整个自动化系统的电梯梯图[1]的行为[2]。 PLC通常是工业自动化系统的主要部分[3]。 它们在制造，化学和加工工业中涉及顺序控制和工艺和辅助元件同步的应用中非常高效可靠。 除PLC具有技术优势外，还降低了先进水平和复杂控制系统的价格[5-7]。 现在，用于执行系统逻辑的大多数控制元素都被PLC替代[8]。

使用术语逻辑，因为编程主要涉及实现逻辑和切换操作。 诸如开关等输入设备和被控制的电动机等输出设备连接到PLC，然后控制器根据机器或过程监控输入和输出[9]。 最初的PLC被设计为硬接线继电器和定时器逻辑控制系统的替代品。 （硬接线意味着所有组件都通过电线手动连接）。 PLC由两部分组成，即PLC硬件和编程。 有关硬件和编程的细节将分别在第3节和第4节中讨论。

PLC在20世纪60年代后期被汽车行业首次使用[2,10-13]，其自动化设备主要由离散的不灵活电路控制，这些电路由机电继电器和板上硬连线的线圈组成。通用汽车开发了可替代硬接线继电器电路的可编程控制器规范[2,11,12]。最根本的想法是实现基于继电器原理图的编程语言，其中包括由继电器触点表示的输入（来自限位开关，按钮等）和输出（对于螺线管，电机起动器，灯等）由继电器线圈[12]表示。图。图1（a）示出了可以通过按钮延伸或缩回的简单液压缸。其行程由在行程结束时打开的限位开关设定，只有在液压泵运行时才能操作螺线管。这将由图1的计算机程序控制。 1（b）与控制气缸所需的继电器电路相同。这些节目看起来像梯子上的梯子，因此称为“梯形图”。

在二十世纪六十年代中期，通用汽车公司的分公司Hydramatic预计可以使用一台计算机执行继电器执行的逻辑功能[2]。 工程团队撰写了所提出的计算设备的功能列表。 GM通过指定某些设计标准来启动计算设备的开发，包括：

该设备必须耐用，以便在工厂遇到的恶劣环境（脏空气，湿度，振动，电气噪声等）中工作它必须通过软件更改快速轻松地实现电路修改来提供灵活性。 它必须设计为使用技术人员和电工已经熟悉的梯形图形式的编程语言。 必须允许现场接线在控制器的输入/输出端子上终止。

通用汽车在征求感兴趣的公司开发满足其设计要求的设备时，使用了这个规范列表。 Dick Morley在1968年1月1日设想了第一个可编程控制器[14]。 当他的公司，Gould Modicon公司开发了第一台PLC [2,11,14]时，第一台型号084 PLC安装在通用汽车公司的Oldsmobile部门和宾夕法尼亚州兰迪斯的Landis公司。 第一台PLC大而且昂贵。 他们只能进行开关控制，这将其应用限于需要重复运动的操作。微处理器技术和软件编程技术的创新和改进为PLC增加了更多的功能和功能。 这种增强功能使PLC能够以更高的速度执行更复杂的运动和过程控制应用。目前，十几家制造商生产PLC，表1.大多数这些公司制造了不同尺寸，成本和复杂性的几种型号，以满足特定应用的需求。

表格1 PLC制造商在全球市场的名单。

个人计算机（PC）与PLC

可编程逻辑控制器的原始设计称为可编程控制器或PC [14]。 在个人计算机被广泛使用之前，缩写不引起混淆，也采用PC缩写。 为了避免混乱，可编程控制器行业在标题中添加了字逻辑，产生了PLC的新一代可编程逻辑控制器。

现代PLC是一种基于计算机的设备，用于控制过程[1,15]。 它涉及来自监视过程状态的传感器的信息，以及能够改变过程的一些执行器的状态。 虽然PLC和个人计算机（PC）都是电脑，但有一些显着差异[10,14,16]。我们来看看相似之处。 PC和PLC系统的架构相似，主要有主板，处理器，内存和扩展槽[14]。差异在于PLC处理器具有通过并行地址，数据和控制总线与存储器和I / O（输入/输出）芯片链接的微处理器芯片。通常，PLC不具有可移动或固定的存储介质，例如软盘和硬盘驱动器，但它们具有存储程序的固态存储器。 PLC没有显示器，但通常使用人机界面（HMI）平板显示器来显示过程或生产机器状态。它们还配备了输入和输出现场设备以及通信端口的终端。另一方面，PC在家庭，办公室中做许多工作，并且是能够以任何顺序同时执行多个程序或任务的复杂计算机，但是PLC以有序和顺序的方式首先执行一个任务，以实现最后的建立，控制制造机器和工艺。任何用于工业用途的计算机必须能够承受极端的温度和湿度[14,16]：忽略电源线上的电压尖峰和下降;在通常含有腐蚀性蒸气，油和污垢的气氛中生存;并承受冲击和振动。

PLC控制系统设计易于安装和维护。 通过使用故障指示灯和编程器屏幕上显示的消息简化故障排除。 用于连接现场设备的输入/输出模块易于连接和更换[16]。PLC被设计为用原理图或梯形图编程，而不是通用的计算机语言[1,10,14,16,17]。 PLC内置有程序语言。

PLC硬件

梯形逻辑系统的现代版本是可编程控制器。 所有PLC系统都包含检测输入数据，处理和控制各种输出的相同基本构建块[2]。 基本的块是

机架组装

电源

编程设备

输入/输出部分

中央处理单元（CPU）

3.1机架组装

大多数具有大量输入和输出端子的可编程控制器通过使用各种模块来构建。 这些模块包括电源，处理器单元和输入/输出模块[2]。 Allen-Bradley控制器区分了PLC机箱和机架[16]。 容纳输入/输出（I / O）模块，处理器模块和电源的硬件组件称为机箱。 模块安装在机架中。 PLC机架提供多种功能。 它将模块物理地保持在适当位置，并且还通过使用背面或机架组件上的印刷电路板来提供模块之间的电连接[2,14,16]。模块可轻松插入机架上的通道。 它们适合安装在主板上的插座，以与其他电路进行电气接触。 将模块插入机架的能力允许维护人员快速更换有缺陷的单元。

3.2电源

电源为插入机架的其他模块提供直流（DC）电源。 6.对于较大的系统，现场设备的电源由外部交流（AC）或直流电源提供。 对于一些小型微型PLC系统，电源可用于为现场设备供电[2,16]。

编程单元/设备/终端

编程终端或加载终端用于对CPU [2,10,14,16]进行编程。使用的终端类型取决于制造商和客户的偏好。一些是使用液晶显示器或发光二极管显示程序的小型手持设备。这些小单位中的一些将一次显示程序的一行，而另一些则需要使用一种称为布尔值的语言输入程序（图7）。 图。 6.模块从背板接收电压和电流[16]。另一种类型的编程终端包含显示器和键盘，这种类型的终端通常一次显示程序的几行，并且可以用于观察电路的运行情况[19]。
许多行业喜欢使用笔记本电脑或笔记本电脑[20]进行编程， 9.一个允许计算机连接到PLC和软件程序的输入端的接口通常由PLC的制造商提供[10]。

3.4 输入/输出部分

PLC的I / O部分是所有现场设备连接的部分，并提供它们与CPU之间的接口。 输入/输出布置内置在固定PLC中，而模块化类型使用插入PLC的外部I / O模块[16]。

PLC中使用的I / O接口可以采用两种形式：固定和模块化[14]。 固定类型与小型或微型PLC系统相关联，其中所有功能都集成到单个单元中。 每个型号中的I / O端口数量都是固定的，不能更改。 模块化类型使用机架来容纳I / O模块，因此可以改变I / O模块的数量和类型。输入接口模块接收来自机器或处理设备的信号，并将其转换为可由控制器使用的信号[16]。 输出接口模块将控制器信号转换为用于控制机器或过程的外部信号。 I / O系统提供现场硬连线组件与CPU之间的接口。 输入接口允许有关进程的状态信息传送到CPU，从而允许CPU通过输出接口将操作信号传送到其控制下的过程设备。

计算机内部通常以5 V直流电 外部设备（电磁阀，电机起动器，限位开关等）的工作电压高达110 V交流电。[12]。 这两个电压的混合将对PLC电子设备造成不可修复的损坏。 可编程逻辑控制器的中央处理单元对电压尖峰和电气噪声极为敏感。[10]。 因此，I / O使用光隔离电路从CPU中分离输入信号[10,12,14,16]。

输出模块用于将中央处理单元连接到负载。 输出模块提供CPU和外部电路之间的线路隔离。 隔离通常以两种方式之一提供。 最受欢迎的是与用于输入模块的光隔离非常相似。 在这种情况下，CPU控制发光二极管[10]。 LED用于发送固态设备以将负载连接到线路。 如果负载通过直流电流运行，则使用功率光电晶体管将负载连接到线路。 如果负载是交流设备，则使用三端双向可控硅连接将负载连接到线路。

PLC编程

PLC广泛应用于自动化控制。 他们驱动装配线，机器人和整个化工厂。 网络系统可以很好地结合PLC应用程序的各种功能[21]。 标准IEC 61131-3定义了PLC的多种编程语言[22]。 这些语言范围从高级，图形化，具有强大的结构化可能性到接近电路设计或机器语言的低级语言。

编程PLC最常见的方法是以继电器逻辑梯形图的形式设计所需的控制电路，然后将此梯形图输入到编程端子[11]。 编程终端能够将梯形图转换为数字代码，然后将该程序发送到存储在存储器中的PLC。 还可以通过梯形图旁边的PLC编程PLC的其他方法（图16）。

其他可编程器件

控制器是处理信息以执行决策功能的闭环系统的一个要素。 控制器可以被认为是使自动化系统在没有人为干预的情况下运行的大脑[2]。 在闭环控制系统中，控制器用于将系统的输出与所需条件连续比较，并将误差转换为旨在减少误差的控制动作。 该错误可能由于控制条件的一些改变或者由于设定值被改变而产生。 有一个步骤输入到系统将设置值更改为一个新的值[9]。

然后有微控制器，用于学习电子和编程的首选工具，以及提供便宜且轻松地创建复杂应用程序所需的功能[24]。

6 结论

PLC最早在60年代末被设想，现在已经成为自动化系统的主要参与者。一般来说，PLC可以完全适用于任何研究，行业应用，简单或先进的系统控制，监控甚至与市场上任何其他控制器的联合控制，如PID，PIC MCU，PLA，PAL和模糊控制器等等。

随着PLC在当前市场的进一步发展，无论是在软件应用的硬件上，我们都可以看到更多的人在使用PLC作为其主要控制器的应用中受到重视。使用梯形图与其他类型的编程语言进行比较的编程系统是非常有益的，因为即使是具有有限编程知识的电工也能够根据他对电气系统的知识来理解和编程PLC。编程不再适用于程序员，但简单的外行人员可以参与编程机器。

在不久的将来，我们可以看到，即使在市场上有其他控制器，研究人员也倾向于使用PLC作为任何研究领域的主要控制器。我们可以得出结论，PLC可以应用于任何系统，无论是简单还是复杂的控制系统。

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