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什么是PLC？
什么是PLC？PLC 或可编程逻辑控制器是一种计算机，可在极端温度或多尘区域等工业环境的恶劣条件下可靠运行。它使工业流程自动化，包括制造和废水处理。
PLC 具有您家中个人计算机的许多功能。它们都有电源、CPU（中央处理器）、输入和输出 （I/O）、内存和操作软件（尽管它是不同的操作软件）。
最大的区别在于，PLC可以执行PC无法做到的离散和连续功能，而PLC更适合恶劣的工业环境。PLC可以被认为是一种“坚固耐用”的数字计算机，用于管理工业环境的机电过程。
PLC在自动化领域发挥着至关重要的作用，是更大的SCADA系统的一部分。PLC可以根据工艺的操作要求进行编程。在制造业中，由于生产性质的变化，将需要重新编程。为了克服这一困难，引入了基于PLC的控制系统。在介绍PLC的各种应用之前，我们将首先讨论PLC的基础知识。
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PLC 基础知识
PLC 由 Dick Morley 于 1964 年创建，通过计时、计数和信号处理等功能改变了工业和制造业。
与“硬连线”控制系统相比，PLC的主要优势在于，您可以在编程后返回并更改PLC，成本很低（只是程序员的时间成本）。在硬接线控制系统中，您基本上必须撕掉电线并从头开始（这更昂贵且需要更长的时间）。让我们看一个例子来更好地理解这个优势。
想象一下，你有一盏灯连接到一个开关。通常，灯在两种条件下工作——ON 和 OFF。现在，您接到一项任务，当您打开开关时，灯应该仅在 30 秒后亮起。有了这种硬连线设置，我们就被困住了。实现此目的的唯一方法是完全重新连接我们的电路以添加定时继电器。对于一个微小的改变来说，这是很多麻烦的。
这就是可编程逻辑控制器的用武之地，它不需要任何额外的布线和硬件来确保更改。相反，它需要对代码进行简单的更改，将 PLC 编程为仅在开关打开后 30 秒才打开灯。因此，通过使用PLC，可以很容易地合并多个输入和输出。
这只是一个简单的例子——PLC能够控制更大、更复杂的过程。PLC可以根据用户的应用和需求进行定制。
PLC是如何工作的？
可编程逻辑控制器的工作可以很容易地理解为一种称为扫描周期的循环扫描方法。
PLC扫描过程包括以下步骤
- 操作系统开始循环并监控时间。
- CPU 开始从输入模块读取数据并检查所有输入的状态。
- CPU 开始执行以继电器梯形逻辑或任何其他 PLC 编程语言编写的用户或应用程序。
- 接下来，CPU 执行所有内部诊断和通信任务。
- 根据程序结果，将数据写入输出模块，以便更新所有输出。
- 只要 PLC 处于运行模式，此过程就会继续。
PLC的物理结构
PLC的结构几乎与计算机的架构相似。
可编程逻辑控制器持续监控来自各种输入传感设备（例如加速度计、体重秤、硬连线信号等）的输入值，并根据生产和工业的性质产生相应的输出。PLC的典型框图由五个部分组成，即：
- 机架或机箱
- 电源模块
- 中央处理器 （CPU）
- 输入和输出模块
- 通信接口模块
机架或机箱
在所有PLC系统中，PLC机架或机箱是最重要的模块，是系统的主干。PLC有不同的形状和尺寸。当涉及更复杂的控制系统时，它需要更大的PLC机架。
小型PLC配有固定的I/O引脚配置。因此，他们选择了模块化机架式 PLC，它接受不同类型的 I/O 模块，具有滑动和安装概念。所有 I/O 模块都将驻留在此机架/机箱内。
电源模块
该模块用于为整个PLC系统提供所需的电源。它将可用的交流电源转换为直流电源，这是 CPU 和 I/O 模块所需的。PLC 通常在 24V 直流电源下工作。很少有PLC使用隔离电源。
CPU模块和内存
CPU模块具有中央处理器，ROM和RAM。ROM 内存包括操作系统、驱动程序和应用程序。RAM用于存储程序和数据。CPU是PLC的大脑，具有八进制或六边形微处理器。
作为基于微处理器的 CPU，它取代了定时器、继电器和计数器。两种类型的处理器，一个是单位处理器，一个是文字处理器，可以与PLC合并。一位处理器用于执行逻辑功能。文字处理器用于处理文本、数字数据、控制和记录数据。
CPU 从传感器读取输入数据，对其进行处理，并将命令发送到控制设备。如前所述，直流电源需要电压信号。CPU 还包含其他电气部件，用于连接其他单元使用的电缆。
输入和输出模块
PLC的输入和输出模块对于检测温度、压力和流量等物理参数至关重要，使其能够与各种工业过程进行交互。
输入设备可以是启动和停止按钮、开关等，输出设备可以是电加热器、阀门、继电器等。I/O 模块有助于将输入和输出设备与微处理器连接起来。PLC的输入模块如下图所示。
PLC的输入模块有四个主要功能。
- 输入模块接口接收来自 220 V AC 过程设备的信号
- 将输入信号转换为 PLC 可以使用的 5 V DC
- 隔离器块用于隔离/防止PLC发生波动
- 之后，信号被发送到输出端，即PLC
输入模块中有两个主要部分，即电源部分和逻辑部分。两个部分彼此电气隔离。最初，按钮是关闭的。因此，通过电阻R220和R1为电桥电路提供2 V交流电源。
桥式整流器（如二极管桥式整流器）用于将交流信号转换为直流电，齐纳二极管用于为LED提供低压电源。当来自 LED 的光落在光电晶体管上时，它会在传导区域工作。最后，为处理器提供 5V 直流电源。
PLC的输出模块的工作方式与输入模块类似，但过程相反。它连接输出负载和处理器。所以这里的第一部分是逻辑会话，接下来是电源部分。输出模块的工作原理如下图所示
因此，当处理器生成程序逻辑高电平信号时，LED 将打开并允许光线落在光电晶体管上。当晶体管进入导通区域时，它会向三端双向可控硅的栅极产生脉冲。隔离器模块用于隔离逻辑部分和控制部分。
通信接口模块
为了在CPU和通信网络之间传输信息，使用了智能I/O模块。这些通信模块有助于连接放置在远程位置的其他PLC和计算机。
PLC的类型
PLC的两种主要类型是固定/紧凑型PLC和模块化PLC。
紧凑型PLC
在一个案例中，将有许多模块。它具有固定数量的 I/O 模块和外部 I/O 卡。因此，它无法扩展模块。每个输入和输出都将由制造商决定。
模块化PLC
这种类型的PLC允许通过“模块”进行多次扩展，因此被称为模块化PLC。可以增加 I/O 组件。它更易于使用，因为每个组件都是相互独立的。
PLC根据输出分为三种类型，即继电器输出、晶体管输出和可控硅输出PLC。继电器输出类型最适合交流和直流输出设备。晶体管输出型PLC使用开关操作，用于微处理器内部。
根据物理尺寸，PLC分为Mini、Micro和Nano PLC。
一些PLC制造商包括：
- 艾伦·布拉德利
- ABB公司
- 西门子
- 三菱PLC
- 日立公司
- 台达PLC
- 通用电气 （GE） PLC
- 霍尼韦尔公司
PLC应用
PLC具有多种应用和用途，包括：
- 过程自动化设备（例如采矿、石油和天然气）
- 玻璃行业
- 造纸行业
- 水泥制造
- 在锅炉中 – 火力发电厂
PLC编程
使用 PLC 时，根据您的特定用例设计和实现概念非常重要。为此，我们首先需要更多地了解PLC编程的细节。
PLC程序由一组文本或图形形式的指令组成，这些指令表示控制PLC所控制过程的逻辑。PLC编程语言主要分为两种，又分为许多子分类类型。
- 文本语言
- 说明书列表
- 结构化文本
- 图形形式
- 梯形图 （LD）（即梯形图逻辑）
- 功能块图 （FBD）
- 顺序功能图 （SFC）
尽管所有这些 PLC 编程语言都可用于对 PLC 进行编程，但图形语言（如梯形逻辑）通常优于文本语言（如结构化文本编程）。
梯形逻辑
梯形图逻辑是最简单的PLC编程形式。它也被称为“继电器逻辑”。继电器控制系统中使用的继电器触点使用梯形逻辑表示。
下图显示了梯形图的简单示例。
在上述示例中，使用两个按钮来控制相同的灯负载。当任何一个开关关闭时，lamp 会发光。
两条水平线称为梯级，两条垂直线称为导轨。每个梯级在正轨 （P） 和负轨 （N） 之间形成电气连接。这允许电流在输入和输出设备之间流动。
功能框图
功能框图 （FBD） 是一种在 PLC 中对多个功能进行编程的简单图形方法。 PLCOpen 在标准 IEC 61131-3 中描述了使用 FBD。功能块是一个程序指令单元，在执行时会产生一个或多个输出值。
它由一个块表示，如下所示。它表示为一个矩形块，输入在左侧输入，输出线在右侧离开。它给出了输入和输出状态之间的关系
使用FBD的优点是可以在功能块上使用任意数量的输入和输出。使用多个输入和输出时，可以将一个功能块的输出连接到另一个功能块的输入。从而构建功能块图。
下图显示了 FBD 编程中使用的各种功能块。
下图显示了西门子表示法中的梯形图及其等效功能块。
结构化文本编程
结构化文本是 PLC 的一种编程语言，它使用简单的语句来口述操作。它类似于传统编程，但不区分大小写，使用运算符来表达逻辑和关系。
PLC编程示例
如果泵正在运行且压力令人满意，或者如果灯测试开关关闭，则需要打开信号灯。在此应用中，如果灯需要输出，则需要泵和压力传感器的输入。因此，使用AND逻辑门。
OR逻辑用于测试输入条件，无论AND系统是否有信号，都需要给出灯的输出。通过在梯形图中使用 END 或 RET 指令，我们可以判断 PLC 已到达程序的末尾。功能块图和梯形图如下图所示。
As another example, consider a valve that is to be operated to lift a load when a pump is running and either the lift switch is operated or a switch operated indicating that the load has not already been lifted and is at the bottom of its lift channel.
OR logic is used for two switches and an AND logic is used with two switches and the pump. The valve will be operated only if the pump is ON and two switches are operated.
考虑一台饮料机，它允许选择茶或咖啡、牛奶或无牛奶、糖或无糖，并在插入硬币时提供所需的热饮。从图中可以看出，使用第一个OR逻辑门选择茶或咖啡。
当选择茶或咖啡并将硬币插入机器时，第一个 AND 门会给出输出。该 AND 门的输出被提供给第二个 AND 门。第二个 AND 门仅在热水与茶混合时运行。牛奶和糖是可选的添加物，可以在插入硬币后发生。
