PLC Knowledge Round-Up: Vigtig læsning for elektriske ingeniører!

PLC Knowledge Round-Up: Vigtig læsning for elektriske ingeniører!

I. Definition og klassificering af PLC'er

PLC, eller Programmerbar Logic Controller, er en ny generation af universelle industrielle kontrolenheder. Den er baseret på mikroprocessorer og integrerer computerteknologi, automatisk kontrolteknologi og kommunikationsteknologi. Designet til industrielle miljøer, PLC'er har letforståelig programmering ved hjælp af et "naturligt sprog" orienteret mod kontrolprocesser og brugere. De er kendetegnet ved enkelhed, let betjening og høj pålidelighed.

Udviklet fra relæsekventiel kontrol, er PLC'er centreret omkring mikroprocessorer og fungerer som alsidige automatiske kontrolenheder. Lad os dykke ned i detaljerne:

1. Definition

En PLC er et digitalt elektronisk system designet til industrielle applikationer. Den bruger en programmerbar hukommelse til at gemme instruktioner til operationer såsom logisk beregning, sekventiel kontrol, timing, tælling og aritmetik. Ved at interface med digitale og analoge input og output styrer PLC'er forskellige mekaniske udstyr og produktionsprocesser. Både PLC'er og deres perifere enheder er designet til at integreres problemfrit med industrielle kontrolsystemer og til at lette funktionel udvidelse.

2. Klassifikation

PLC-produkter kommer i en bred vifte med forskellige specifikationer og ydeevne. De er bredt klassificeret baseret på strukturel form, funktionelle forskelle og antallet af I/O-punkter.

2.1 Klassificering efter strukturel form

PLC'er kan kategoriseres i integrerede og modulære typer baseret på deres strukturelle form.

(1) Integral PLC

Integrerede PLC'er rummer komponenter såsom strømforsyning, CPU og I/O-grænseflader i et enkelt kabinet. De er kendt for deres kompakte struktur, lille størrelse og overkommelige priser. Små PLC'er anvender typisk denne integrerede struktur. En integreret PLC består af en basisenhed (også kendt som hovedenheden) med forskellige I/O-punkter og en udvidelsesenhed. Grundenheden indeholder CPU, I/O-grænseflader, en udvidelsesport til tilslutning til I/O-udvidelsesenheder og interfaces til tilslutning til en programmør eller EPROM-skriver. Udvidelsesenheden indeholder derimod kun I/O og strømforsyningskomponenter, uden CPU. Grundenheden og udvidelsesenheden er normalt forbundet via et fladt kabel. Integrerede PLC'er kan også udstyres med specielle funktionsenheder, såsom analoge enheder og positionskontrolenheder, for at udvide deres muligheder.

(2) Modulær PLC

Modulære PLC'er har separate moduler for hver komponent, såsom CPU-moduler, I/O-moduler, strømforsyningsmoduler (nogle gange integreret i CPU-modulet) og forskellige funktionsmoduler. Disse moduler er monteret på en ramme eller bagplade. Fordelen ved modulære PLC'er ligger i deres fleksible konfiguration, der gør det muligt at vælge forskellige systemskalaer efter behov. De er også nemme at samle, udvide og vedligeholde. Mellemstore og store PLC'er vedtager generelt en modulær struktur.

Derudover kombinerer nogle PLC'er egenskaberne af både integrerede og modulære typer og danner det, der er kendt som en stablet PLC. I stablede PLC'er er komponenter som CPU, strømforsyning og I/O-grænseflader uafhængige moduler forbundet via kabler og kan stables lag for lag. Dette design tilbyder ikke kun fleksibel systemkonfiguration, men giver også mulighed for en kompakt størrelse.

2.2 Klassificering efter funktion

Baseret på deres funktionelle egenskaber kan PLC'er opdeles i tre kategorier: low-end, mid-range og high-end.

(1) Low-end PLC

Low-end PLC'er har grundlæggende funktioner såsom logiske operationer, timing, tælling, skift, selvdiagnose og overvågning. De kan også omfatte en begrænset mængde analog input/output, aritmetiske operationer, dataoverførsel og sammenligning samt kommunikationsfunktioner. Disse PLC'er bruges primært til enkelt-maskine kontrolsystemer, der involverer logisk kontrol, sekventiel kontrol eller en lille mængde analog kontrol.

(2) Mellemklasse-PLC

Ud over funktionerne i low-end PLC'er tilbyder mellemklasse-PLC'er stærkere muligheder inden for analog input/output, aritmetiske operationer, dataoverførsel og sammenligning, nummersystemkonvertering, fjern-I/O, subrutiner og kommunikationsnetværk. Nogle kan også have afbrydelseskontrol og PID-kontrolfunktioner, hvilket gør dem velegnede til komplekse kontrolsystemer.

(3) High-end PLC

High-end PLC'er omfatter, udover mulighederne for mellemklasse-PLC'er, avancerede funktioner såsom fortegns-aritmetiske operationer, matrixberegninger, bitlogiske operationer, kvadratrodsberegninger og andre specialfunktionsoperationer. De har også bordoprettelse og bordoverførselsfunktioner. Avancerede PLC'er kan prale af forbedrede kommunikations- og netværksfunktioner, der muliggør storskala proceskontrol eller dannelse af distribuerede netværkskontrolsystemer, hvorved der opnås fabriksautomatisering.

2.3 Klassificering efter I/O-punkter

Afhængigt af antallet af I/O-punkter kan PLC'er klassificeres i små, mellemstore og store kategorier.

(1) Lille PLC

Små PLC'er har færre end 256 I/O-punkter, har en enkelt CPU og bruger 8-bit eller 16-bit processorer. Deres brugerhukommelseskapacitet er typisk under 4KB.

(2) Medium PLC

Mellemstore PLC'er har mellem 256 og 2048 I/O-punkter, anvender dobbelte CPU'er og har en brugerhukommelseskapacitet på mellem 2KB og 8KB.

(3) Stor PLC

Store PLC'er kan prale af over 2048 I/O-punkter, bruger flere CPU'er og er udstyret med 16-bit eller 32-bit processorer. Deres brugerhukommelseskapacitet varierer fra 8KB til 16KB.

På verdensplan kan PLC-produkter kategoriseres i tre store regionale typer: amerikanske, europæiske og japanske. Amerikanske og europæiske PLC-teknologier blev udviklet uafhængigt, hvilket resulterede i tydelige forskelle mellem deres produkter. Japansk PLC-teknologi, introduceret fra USA, arver visse egenskaber fra amerikanske PLC'er, men fokuserer på små PLC'er. Mens amerikanske og europæiske PLC'er er kendt for deres mellemstore og store tilbud, er japanske PLC'er berømte for deres små modparter.

II. Funktioner og anvendelsesområder for PLC'er

PLC'er kombinerer fordelene ved relæ-kontaktorstyring og computeres fleksibilitet. Dette unikke design har adskillige uovertrufne funktioner sammenlignet med andre controllere.

1. Funktioner af PLC'er

Som en universel industriel automatisk kontrolenhed, der er centreret omkring mikroprocessorer og integrerer computerteknologi, automatisk kontrolteknologi og kommunikationsteknologi, tilbyder PLC'er en lang række fordele. Disse omfatter høj pålidelighed, kompakt størrelse, stærk funktionalitet, enkelt og fleksibelt programdesign, alsidighed og nem vedligeholdelse. Som følge heraf finder PLC'er omfattende anvendelser inden for områder som metallurgi, energi, kemikalier, transport og elproduktion, der fremstår som en af ​​de tre søjler i moderne industriel kontrol (sammen med robotter og CAD/CAM). Baseret på egenskaberne ved PLC'er kan deres funktionelle former opsummeres som følger:

(1) Switching Logic Control

PLC'er har robuste logiske beregningsegenskaber, hvilket gør dem i stand til at opnå forskellige enkle og komplekse logiske kontroller. Dette er det mest fundamentale og udbredte domæne af PLC'er, der erstatter traditionel relæ-kontaktorstyring.

(2) Analog kontrol

PLC'er er udstyret med A/D- og D/A-konverteringsmoduler. A/D-modulet konverterer analoge mængder fra marken – såsom temperatur, tryk, flow og hastighed – til digitale mængder. Disse digitale mængder behandles derefter af mikroprocessoren i PLC'en (da mikroprocessorer kun kan håndtere digitale mængder) og bruges efterfølgende til styring. Alternativt konverterer D/A-modulet digitale størrelser tilbage til analoge mængder for at styre det kontrollerede objekt, hvorved PLC'er kan udøve kontrol over analoge mængder.

(3) Proceskontrol

Moderne mellemstore og store PLC'er har typisk PID-kontrolmoduler, der muliggør processtyring med lukket sløjfe. Når en variabel afviger under styringsprocessen, beregner PLC'en det korrekte output ved hjælp af PID-algoritmen, hvorved produktionsprocessen justeres og variablen fastholdes på sætpunktet. I øjeblikket har mange små PLC'er også PID-kontrolfunktionalitet.

(4) Timing og tællekontrol

PLC'er kan prale af stærke timing- og tællefunktioner, der er i stand til at levere snesevis, hundredvis eller endda tusindvis af timere og tællere. Tidsvarigheden og tælleværdierne kan indstilles vilkårligt af brugeren, når han skriver brugerprogrammet, eller af operatører på stedet gennem en programmør. Dette muliggør timing og tællekontrol. Hvis brugere har brug for at tælle højfrekvente signaler, kan de vælge højhastigheds-tællemoduler.

(5) Sekventiel kontrol

I industriel styring kan sekventiel styring opnås gennem PLC-trininstruktioner eller skifteregisterprogrammering.

(6) Databehandling

Moderne PLC'er er ikke kun i stand til at udføre aritmetiske operationer, dataoverførsel, sortering og tabelopslag, men kan også udføre datasammenligning, datakonvertering, datakommunikation, datavisning og udskrivning. De har robuste databehandlingsmuligheder.

(7) Kommunikation og netværk

De fleste moderne PLC'er inkorporerer kommunikations- og netværksteknologier med RS-232 eller RS-485 interfaces til fjernstyring af I/O. Flere PLC'er kan forbindes i netværk og kommunikere med hinanden. Signalbehandlingsenheder på eksterne enheder kan udveksle programmer og data med en eller flere programmerbare controllere. Programoverførsel, datafiloverførsel, overvågning og diagnostik kan opnås gennem kommunikationsgrænseflader eller kommunikationsprocessorer, som anvender standard hardwaregrænseflader eller proprietære kommunikationsprotokoller for at lette program- og dataoverførsel.

2. Anvendelsesområder for PLC'er

I øjeblikket er PLC'er udbredt både nationalt og internationalt på tværs af forskellige industrier, herunder jern og stål, petroleum, kemikalier, kraft, byggematerialer, mekanisk fremstilling, biler, lette tekstiler, transport, miljøbeskyttelse og kulturel underholdning. Deres applikationer kan groft kategoriseres som følger:

(1) Switching Logic Control

Dette er det mest fundamentale og udstrakt anvendte domæne af PLC'er, der erstatter traditionelle relækredsløb for at opnå logisk og sekventiel kontrol. PLC'er kan bruges til enkeltmaskinestyring såvel som multimaskine gruppestyring og automatiserede produktionslinjer, såsom sprøjtestøbemaskiner, trykkemaskiner, hæftemaskiner, kombinationsværktøjsmaskiner, slibemaskiner, emballeringsproduktionslinjer og elektropletteringssamlingslinjer.

(2) Analog kontrol

I industrielle produktionsprocesser er talrige kontinuerligt varierende mængder - såsom temperatur, tryk, flow, væskeniveau og hastighed - analoge mængder. For at sætte PLC'er i stand til at håndtere analoge mængder, skal A/D- og D/A-konverteringer mellem analoge og digitale størrelser realiseres. PLC-producenter producerer medfølgende A/D- og D/A-konverteringsmoduler for at lette analoge kontrolapplikationer til PLC'er.

(3) Bevægelseskontrol

PLCkan bruges til roterende eller lineær bevægelseskontrol. Med hensyn til kontrolsystemkonfigurationen, forbandt tidlige applikationer positionssensorer og aktuatorer direkte til at skifte I/O-moduler. I dag anvendes generelt specialiserede bevægelseskontrolmoduler. Disse moduler kan drive enkeltakset eller flerakset positionskontrol til stepmotorer eller servomotorer. Næsten alle større PLC-producenters produkter på verdensplan har bevægelseskontrolfunktioner, som er meget udbredt i forskellige maskiner, værktøjsmaskiner, robotter, elevatorer og andre applikationer.

(4) Proceskontrol

Proceskontrol refererer til lukket sløjfestyring af analoge mængder såsom temperatur, tryk og flow. Det har omfattende anvendelser inden for områder som metallurgi, kemiteknik, varmebehandling og kedelstyring. Som industrielle kontrolcomputere kan PLC'er programmeres med en række forskellige styrealgoritmer for at opnå lukket sløjfestyring. PID-styring er en almindeligt anvendt reguleringsmetode i lukkede kredsløbsstyringssystemer. Både mellemstore og store PLC'er er udstyret med PID-moduler, og i øjeblikket har mange små PLC'er også dette funktionelle modul. PID-behandling involverer generelt at køre en dedikeret PID-underrutine.

(5) Databehandling

Moderne PLC'er er udstyret med matematiske operationer (herunder matrixberegning, funktionsberegning, logiske operationer), dataoverførsel, datakonvertering, sortering, tabelopslag og bitmanipulationsfunktioner. De kan udføre dataindsamling, analyse og behandling. Disse data kan sammenlignes med referenceværdier, der er lagret i hukommelsen for at udføre specifikke kontroloperationer eller transmitteres til andre intelligente enheder via kommunikationsfunktioner. De kan også printes og tabelleres. Databehandling bruges typisk i storskala kontrolsystemer, såsom ubemandede fleksible produktionssystemer, og i proceskontrolsystemer, såsom dem i papirfremstilling, metallurgi og fødevareindustrien.

(6) Kommunikation og netværk

PLC-kommunikation omfatter kommunikation mellem PLC'er og mellem PLC'er og andre intelligente enheder. Med udviklingen af ​​computerstyring har fabriksautomationsnetværk udviklet sig hurtigt. Alle PLC-producenter lægger stor vægt på PLC'ernes kommunikationsmuligheder og har introduceret deres respektive netværkssystemer. Nyligt producerede PLC'er er udstyret med kommunikationsgrænseflader, hvilket gør kommunikation meget bekvem.

III. Grundlæggende struktur og arbejdsprincip for PLC'er

Som en industriel kontrolcomputer deler PLC'er ligheder i struktur med almindelige computere. Der opstår dog forskelle på grund af forskellige brugsscenarier og målsætninger.

1. Hardwarekomponenter i PLC'er

Det grundlæggende strukturdiagram for en PLC-vært er vist i figuren nedenfor: [Figur]

I diagrammet består PLC-værten af en CPU, hukommelse (EPROM, RAM), input/output-enheder, perifere I/O-grænseflader, kommunikationsgrænseflader og en strømforsyning. For integrerede PLC'er er alle disse komponenter anbragt i det samme kabinet. I modulære PLC'er er hver komponent uafhængigt pakket som et modul, og modulerne er forbundet via et rack og kabler. Alle dele i værten er forbundet via strømbusser, kontrolbusser, adressebusser og databusser. Afhængigt af kravene til det aktuelle styreobjekt er forskellige eksterne enheder konfigureret til at danne forskellige PLC-styringssystemer.

Almindelige eksterne enheder omfatter programmører, printere og EPROM-skrivere. PLC'er kan også udstyres med kommunikationsmoduler til at kommunikere med overordnede maskiner og andre PLC'er og derved danne et distribueret styresystem til PLC'er.

Nedenfor er en introduktion til hver komponent i PLC'en og dens rolle, for at hjælpe brugerne med bedre at forstå PLC'ernes kontrolprincipper og arbejdsprocesser.

(1) CPU

CPU'en er PLC'ens kontrolcenter. Under kontrol af CPU'en koordinerer og fungerer PLC'en ordnet for at opnå kontrol over forskelligt udstyr på stedet. Sammensat af en mikroprocessor og en controller kan CPU'en udføre logiske og matematiske operationer og koordinere arbejdet med forskellige interne komponenter i kontrolsystemet. Controlleren styrer den velordnede drift af alle dele af mikroprocessoren. Dens primære funktion er at læse instruktioner fra hukommelsen og udføre dem.

(2) Hukommelse

PLC'er er udstyret med to typer hukommelse: systemhukommelse og brugerhukommelse. Systemhukommelse gemmer systemstyringsprogrammer, som brugere ikke kan få adgang til eller ændre. Brugerhukommelse gemmer kompilerede applikationsprogrammer og arbejdsdatatilstande. Den del af brugerhukommelsen, der gemmer arbejdsdatatilstande, er også kendt som datalagerområdet. Det inkluderer input/output data billedområder, forudindstillede og aktuelle værdi dataområder for timere/tællere og bufferzoner til lagring af mellemresultater.

PLC-hukommelse omfatter primært følgende typer:

Skrivebeskyttet hukommelse (ROM)

Programmerbar skrivebeskyttet hukommelse (PROM)

Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM)

Electrically Erasable Programmerbar Read-Only Memory (EEPROM)

Random Access Memory (RAM)

(3) Input/Output (I/O) moduler

① Skiftende indgangsmodul

Skiftende input-enheder omfatter forskellige kontakter, knapper, sensorer osv. PLC-indgangstyper kan være DC, AC eller begge dele. Strømforsyningen til indgangskredsløbet kan leveres eksternt eller i nogle tilfælde forsynes internt af PLC'en.

② Skiftende udgangsmodul

Udgangsmodulet konverterer TTL-niveau kontrolsignaler, der udsendes af CPU'en, når brugerprogrammet udføres, til signaler, der kræves på produktionsstedet for at drive specifikt udstyr, og derved aktiverer udførelsesmekanismen.

(4) Programmer

Programmeringsenheden er en vigtig ekstern enhed til PLC'er. Det giver brugerne mulighed for at indtaste programmer i PLC'ens brugerprogramhukommelse, fejlfinde programmer og overvåge programudførelsen. Programmatisk kan programmører kategoriseres i tre typer:

Håndholdt programmør

Grafisk programmør

Generel computerprogrammør

(5) Strømforsyning

Strømforsyningsenheden konverterer ekstern strøm (f.eks. 220V AC) til intern arbejdsspænding. Den eksternt tilsluttede strømforsyning omdannes til den arbejdsspænding, der kræves af PLC'ens interne kredsløb (f.eks. DC 5V, ±12V, 24V) gennem en dedikeret switch-mode spændingsregulator i PLC'en. Det giver også en 24V DC strømforsyning til eksterne inputenheder (f.eks. nærhedskontakter) (kun for inputpunkter). Strømforsyningen til at drive PLC-belastninger leveres af...

(6) Perifere grænseflader

Perifere grænsefladekredsløb forbinder håndholdte programmører eller andre grafiske programmører, tekstdisplays og kan danne et PLC-kontrolnetværk via den perifere grænseflade. PLC'er kan forbindes til computere ved hjælp af et PC/PPI-kabel eller MPI-kort via et RS-485-interface, hvilket muliggør programmering, overvågning, netværk og andre funktioner.

2. Softwarekomponenter i PLC'er

PLC-software omfatter systemprogrammer og brugerprogrammer. Systemprogrammer er designet og skrevet af PLC-producenter og gemt i PLC'ens systemhukommelse. Brugere kan ikke direkte læse, skrive eller ændre dem. Systemprogrammer omfatter blandt andet systemdiagnoseprogrammer, inputbehandlingsprogrammer, kompileringsprogrammer, informationsoverførselsprogrammer og overvågningsprogrammer.

User-programmer kompileres af brugere ved hjælp af PLC-programmeringssprog baseret på kontrolkrav. I PLC-applikationer er det mest kritiske aspekt at bruge PLC-programmeringssprog til at skrive brugerprogrammer for at opnå kontrolmål. Da PLC'er er specielt udviklet til industriel kontrol, er deres primære brugere elektriske teknikere. For at imødekomme deres traditionelle vaner og indlæringsevner anvender PLC'er primært dedikerede sprog, der er enklere, mere forståelige og mere intuitive sammenlignet med computersprog.

Grafisk instruktionsstruktur

Eksplicitte variabler og konstanter

Forenklet programstruktur

Forenklet applikationssoftwaregenereringsproces

Forbedrede fejlfindingsværktøjer

3. Grundlæggende arbejdsprincip for PLC'er

PLC-scanningsprocessen er hovedsageligt opdelt i tre faser: inputsampling, udførelse af brugerprogram og genopfriskning af output. Som vist på figuren: [Figur]

Input Sampling Stage

Under input-sampling-stadiet læser PLC'en sekventielt alle inputstatusser og data på en scannende måde og gemmer dem i de tilsvarende enheder i I/O-billedområdet. Efter input-sampling er afsluttet, går processen videre til brugerprogrammets udførelse og output-forfriskende stadier. I disse to trin, selvom inputstatusser og data ændres, vil statusserne og dataene i de tilsvarende enheder i I/O-billedområdet ikke blive ændret. Derfor, hvis inputtet er et impulssignal, skal impulsbredden være større end én scanningscyklus for at sikre, at inputtet kan læses under alle omstændigheder.

Udførelsesfasen for brugerprogram

Under afviklingen af brugerprogrammet scanner PLC'en altid brugerprogrammet (stigediagram) i en top-down sekvens. Ved scanning af hvert stigediagram scanner det først styrekredsløbet, der er dannet af kontakterne på venstre side af stigediagrammet. Logiske operationer udføres på styrekredsløbet i en venstre-til-højre, top-to-bund rækkefølge. Derefter, baseret på resultaterne af de logiske operationer, opdateres status for den tilsvarende bit i systemets RAM-lagerområde for den logiske spole, eller status for den tilsvarende bit i I/O-billedområdet for udgangsspolen opdateres, eller det bestemmes, om de specielle funktionsinstruktioner, der er angivet af ladderdiagrammet, skal udføres.

Det vil sige, under afviklingen af brugerprogrammet er det kun statusser og data for inputpunkterne i I/O-billedområdet, der forbliver uændrede, mens statusser og data for andre outputpunkter og bløde enheder i I/O-billedområdet eller system-RAM-lagerområdet kan ændre sig. Stigediagrammer placeret højere oppe vil påvirke udførelsesresultaterne af lavere stigediagrammer, der refererer til disse spoler eller data. Omvendt vil de opdaterede statusser eller data for logiske spoler i diagrammer med lavere stige kun påvirke diagrammer med højere stige i den næste scanningscyklus.

Output Refreshing Stage

Når brugerprogramscanningen er færdig, går PLC'en ind i output-forfriskende trin. I denne fase opdaterer CPU'en alle udgangslåsekredsløb i henhold til statusser og data i I/O-billedområdet og driver de tilsvarende perifere enheder via udgangskredsløbene. Dette markerer det sande output af PLC'en.

Fænomen for input/outputforsinkelse

Fra PLC arbejdsprocessen kan følgende konklusioner drages:

Programmer udføres på en scanningsmåde, hvilket resulterer i en iboende forsinkelse i det logiske forhold mellem input- og outputsignaler. Jo længere scanningscyklussen er, jo mere alvorlig er forsinkelsen.

Ud over den tid, der optages af de tre hovedarbejdsfaser - input-sampling, udførelse af brugerprogram og genopfriskning af output - inkluderer scanningscyklussen også den tid, der forbruges af systemadministrationsoperationer. Den tid det tager for programafvikling er relateret til programlængden og kompleksiteten af ​​instruktionsoperationerne, mens andre faktorer forbliver relativt konstante. Scanningscyklusser er typisk i størrelsesordenen millisekunder eller mikrosekunder.

Under den n'te scanningsudførelse er de inputdata, der er baseret på, den samplede værdi X opnået under samplingsfasen af den scanningscyklus. Outputdataene Y(n) er baseret på både outputværdien Y(n-1) fra den foregående scanning og den aktuelle outputværdi Yn. Signalet sendt til udgangsterminalen repræsenterer det endelige resultat Yn efter at alle beregninger er blevet udført i løbet af denne cyklus.

Input/output-svarforsinkelsen er ikke kun relateret til scanningsmetoden, men også til arrangementet af programdesignet.