基于PLC的水位PID控制系统设计(2)

第1章 PLC概述

1.1 PLC的产生

1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为了适应生产工艺的不断更新需求，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，并提出10条招标指示：

1．编程方便，现场可修改程序； 2．维修方便，采用模块化结构； 3．可靠性高于继电器控制装置； 4．体积小于继电器控制装置； 5．数据可直接送入管理计算机； 6．成本可与继电器控制装置竞争； 7．输入可以为交流115V；

8．输出可以是交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9．在扩展时，原系统只需少量的变更； 10．用户程序存储器容量至少能扩展到4KB； 这就是著名的GM10条，它是PLC出现的直接原因。

可编程序控制器(Programmable Controller)是美国数字设备公司（DEC）在1969研制成功的。

1.2可编程控制器的发展

PLC的发展与微电子技术和计算机技术密切相关，随着可编程控制器的应用领域不断扩大，它本身也在不断发展。 1． 小型化方向发展

目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且将有灵活的组态特性，并能与其他机型连用。既要简单经济，又要不断增强功能

和使用方便性是小型PLC的发展方向。 2． 大型化方向发展

主要有以下几个方面： 1、能不断加强。 2、应用范围不断扩大。 3、性能不断提高。

4、编程软件的多样化和高级化。 5、构成形式的分散化与集散化。

1.3 PLC的特点

PLC与现有的各种控制方式相比，具有如下优点： 1. 可靠性高

2. 控制程序可变，具有很好的柔性 3．编程方法简单易学 4．功能强，性能价格比高 5. 体积小，重量轻，能耗低

1.4 PLC的基本构成

PLC主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

如图1-1所示。PLC控制系统有输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。

图1-1 PLC硬件图

1.5 PLC的各组成部分

1、中央处理器

CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按时预先编好的系统程序完成各种任务。

2、存储器

存储器可以分为以下3种。

（1）系统程序存储器。系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序存储器是只读存储器，用户不能更改其内容。

（2）用户程序存储器。根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。 （3）工作数据存储器。用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化经常存取的，所以这种存储器必须可读写。

3、输入/输出单元

输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离，功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件。

4、电源部分

PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。

编程器

编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种。

编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供多台PLC使用。

1.6 PLC的工作原理

PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符号后返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

PLC的工作过程就是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为3个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。如图1-2所示PLC的扫描工作过程。

图1-2 PLC的扫描工作过程

1.输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。

2.程序执行阶段

PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入，输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。

3.输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

1.7 PLC的主要应用

PLC应用范围大致包括以下几个方面：

1、逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。 2、定时控制 PLC具有定时功能。它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值由用户程序设定。

3、计数控制 PLC具有计数功能。它为用户提供几十个甚至上千个计数器，其计数设定值的设定方式同计时器计时时间设定值一样。

4、步进控制 PLC具有步进（顺序）控制功能。

5、 PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的PID控制模块来实现。

6、数据处理 PLC具有数据处理能力。它能进行自述运算数据比较，数据传送，数制转换，数据显示和打印，数据通信等功能。

7、通信和联网 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。

8 、PLC还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT模块等。

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