PLC控制器的核心構(gòu)成:一個(gè)邏輯控制系統(tǒng)的“身體”與“大腦”
可編程邏輯控制器(PLC)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的基石?它本質(zhì)上是一個(gè)為惡劣工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),用于可靠地執(zhí)行控制邏輯?理解其組成部分是掌握其工作原理的基礎(chǔ)?一個(gè)典型的PLC系統(tǒng)可以清晰地劃分為以下幾個(gè)核心部分,它們協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)“感知決策執(zhí)行”的閉環(huán)控制:
- 中央處理單元:
功能: 這是PLC的“大腦”和核心指揮中心?
作用: 負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶編寫的控制程序(梯形圖?指令表?功能塊圖等),進(jìn)行邏輯運(yùn)算?數(shù)據(jù)處理?數(shù)學(xué)計(jì)算?定時(shí)?計(jì)數(shù)等任務(wù)?它讀取輸入模塊的狀態(tài),根據(jù)程序邏輯進(jìn)行處理,然后更新輸出模塊的狀態(tài)?它還管理系統(tǒng)的內(nèi)部通信?診斷和運(yùn)行模式(運(yùn)行?停止?編程)?
關(guān)鍵組件: 包含微處理器(CPU)?系統(tǒng)固件(操作系統(tǒng))?工作存儲(chǔ)器(RAM,用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù))和系統(tǒng)總線接口?
- 存儲(chǔ)器:
功能: 充當(dāng)PLC的“記憶”系統(tǒng)?
作用:
系統(tǒng)存儲(chǔ)器 (ROM/Flash): 存儲(chǔ)PLC的固件(操作系統(tǒng)),負(fù)責(zé)啟動(dòng)?自檢和基礎(chǔ)功能管理?通常是不可擦除或可擦除但非易失性的(斷電不丟失)?
用戶程序存儲(chǔ)器 (通常為Flash或電池備份RAM): 存儲(chǔ)用戶下載的控制程序?需要保證在PLC斷電后程序不會(huì)丟失(非易失性)?
工作存儲(chǔ)器 (RAM): CPU運(yùn)行程序時(shí)的“工作臺(tái)”?用于存儲(chǔ):
輸入/輸出映像區(qū)(存儲(chǔ)輸入信號(hào)的當(dāng)前狀態(tài)和將要輸出的狀態(tài))?
程序的中間運(yùn)算結(jié)果?
定時(shí)器?計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值?
數(shù)據(jù)寄存器(存儲(chǔ)變量?參數(shù)等)?
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (通常為Flash或電池備份RAM): 用于存儲(chǔ)需要長(zhǎng)期保持的數(shù)據(jù),如配方?設(shè)定值?歷史記錄等(非易失性)?
- 輸入/輸出模塊:
功能: 這是PLC與外部物理世界(傳感器?執(zhí)行器?開關(guān)?按鈕等)進(jìn)行交互的“感官”和“手腳”?
作用:
輸入模塊: 接收來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如限位開關(guān)?光電傳感器?溫度變送器?壓力傳感器?按鈕)的電信號(hào)(數(shù)字量ON/OFF或模擬量如420mA/010V)?模塊將這些外部信號(hào)進(jìn)行調(diào)理(濾波?隔離?電平轉(zhuǎn)換)并轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部CPU能夠識(shí)別的安全?標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)(通常是5V或24V DC)?CPU周期性地掃描這些輸入狀態(tài)并更新輸入映像區(qū)?
輸出模塊: 接收CPU根據(jù)程序邏輯計(jì)算得出的輸出指令(存儲(chǔ)在輸出映像區(qū))?模塊將CPU的低電平邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備(如接觸器線圈?繼電器?電磁閥?指示燈?電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?調(diào)節(jié)閥)所需的功率電平信號(hào)(如24V DC?120/240V AC,或420mA模擬信號(hào))?輸出模塊通常也提供電氣隔離以保護(hù)PLC?
類型: 分為數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)?模擬量輸入/輸出(AI/AO),以及特殊功能模塊(如高速計(jì)數(shù)器?脈沖輸出?運(yùn)動(dòng)控制?通信協(xié)議轉(zhuǎn)換?溫度測(cè)量RTD/TC等)?
- 電源模塊:
功能: PLC系統(tǒng)的“生命線”和“能量中心”?
作用: 將外部供給的交流電(如120/240V AC)或直流電(如24V DC)轉(zhuǎn)換并穩(wěn)定為PLC內(nèi)部各組件(特別是CPU?存儲(chǔ)器?I/O模塊的電子電路)所需的低電壓?純凈的直流工作電源(通常是5V DC?3.3V DC?±12V DC?24V DC)?高質(zhì)量的電源模塊提供穩(wěn)壓?濾波?過壓/過流保護(hù),并具有一定的抗干擾能力,確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行?有時(shí)也為部分I/O模塊上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供隔離的24V DC電源?
- 編程設(shè)備和通信接口:
功能: PLC的“編程窗口”和“溝通橋梁”?
作用:
編程設(shè)備: 通常是一臺(tái)安裝了專用編程軟件(如西門子的TIA Portal?羅克韋爾的Studio 5000?施耐德的EcoStruxure Machine Expert?三菱的GX Works等)的計(jì)算機(jī)(PC?筆記本電腦)或手持編程器?用于編寫?編輯?編譯?調(diào)試用戶控制程序,并將程序下載到PLC的CPU中,也可監(jiān)控PLC的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(變量值?診斷信息)?
通信接口: 這是PLC與外部世界交換信息的物理和邏輯通道?
編程端口: 用于連接編程設(shè)備(通常是USB?以太網(wǎng)或RS232/RS485)?
通信端口/模塊: 用于與其他設(shè)備通信,如:
人機(jī)界面(HMI)?監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)?
其他PLC或智能設(shè)備(變頻器?機(jī)器人?儀表)?
上位機(jī)管理系統(tǒng)(MES/ERP)?
支持多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如以太網(wǎng)/IP?PROFINET?Modbus TCP/RTU?CANopen?CCLink等?
擴(kuò)展總線: 用于連接本地或遠(yuǎn)程的擴(kuò)展I/O機(jī)架(如背板總線?Profibus DP?DeviceNet?EtherCAT等)?
協(xié)同工作流程簡(jiǎn)述
- 感知: 輸入模塊持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器/開關(guān)的狀態(tài)(開/關(guān)?壓力值?溫度值等),轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?
- 讀取與處理: CPU在每個(gè)掃描周期開始時(shí),讀取輸入模塊的狀態(tài),并復(fù)制到輸入映像區(qū)?
- 決策: CPU根據(jù)輸入映像區(qū)的狀態(tài)和存儲(chǔ)在用戶程序存儲(chǔ)器中的控制程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算?數(shù)據(jù)處理等操作?
- 更新輸出: CPU將運(yùn)算結(jié)果寫入輸出映像區(qū)?
- 執(zhí)行: CPU在每個(gè)掃描周期結(jié)束時(shí),將輸出映像區(qū)的狀態(tài)發(fā)送給輸出模塊?輸出模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器(如打開閥門?啟動(dòng)電機(jī)?點(diǎn)亮指示燈)?
- 通信: CPU同時(shí)處理來自編程設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信請(qǐng)求(上傳/下載程序?監(jiān)控?cái)?shù)據(jù))?
- 循環(huán): PLC周而復(fù)始地重復(fù)“讀取輸入 > 執(zhí)行程序 > 更新輸出”這個(gè)掃描周期(通常幾毫秒到幾十毫秒)?
總結(jié)來說,PLC控制器是一個(gè)由中央處理單元(CPU)驅(qū)動(dòng),依靠存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù),通過輸入/輸出模塊感知和控制物理世界,由電源模塊提供穩(wěn)定能量,并借助編程設(shè)備和通信接口進(jìn)行人機(jī)交互及系統(tǒng)集成的緊湊而強(qiáng)大的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)? 每個(gè)部分都不可或缺,共同構(gòu)成了自動(dòng)化控制的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?
