雷神電氣圖解PLC控制柜基礎,類型及應用示例

摘要:PLC控制柜在自動化領域起著至關重要的作用??梢愿鶕^程的操作要求對PLC進行編程。在制造業中,由于生產性質的變化,將需要重新編程。為了克服這個困難,引入了基于PLC的控制系...

什么是PLC?

PLC代表“可編程邏輯控制器”。PLC控制柜是專門設計用于在惡劣的工業環境(例如,極端溫度,潮濕,干燥和/或多塵環境)中可靠運行的計算機。它用于自動化工業過程,例如制造廠的裝配線,礦石加工廠或廢水處理廠。
PLC具有您在家中擁有的個人計算機的許多功能。它們都具有電源,CPU(中央處理單元),輸入和輸出(I / O),內存和操作軟件(盡管它是不同的操作軟件)。最大的區別是PLC可以執行PC無法執行的離散和連續功能,而PLC更適合于惡劣的工業環境。PLC可以看作是管理工業環境中機電過程的“堅固型”數字計算機。
PLC控制柜是大型SCADA系統的組成部分,在自動化領域起著至關重要的作用??梢愿鶕^程的操作要求對PLC進行編程。在制造業中,由于生產性質的變化,將需要重新編程。為了克服這個困難,引入了基于PLC的控制系統。在介紹PLC的各種應用之前,我們將首先討論PLC的基礎知識。
如果您想學習如何對PLC進行編程,則應查看一些不同的在線PLC培訓課程。這些課程可以幫助您快速開始控制工程職業。

PLC基礎

PLC由Dick Morley于1964年發明。此后,PLC徹底改變了工業和制造業。PLC具有多種功能,例如定時,計數,計算,比較和處理各種模擬信號。
與“硬接線”控制系統相比,PLC的主要優勢在于,您可以在對PLC進行編程之后返回并更換PLC,而所花費的成本卻很少(僅僅是程序員的時間)。在硬接線的控制系統中,您實際上必須拔出電線并從頭開始(這樣更昂貴,并且花費更長的時間)。讓我們看一個例子,以更好地理解這一優勢。
想象一下,您將燈連接到了交換機。通常,燈在兩種條件下工作–開和關?,F在,您將獲得一個任務,當您打開開關時,指示燈應僅在30秒后發光。通過這種硬連線設置–我們陷入了困境。實現此目的的唯一方法是完全重新布線電路,以添加定時繼電器??。進行微小的更改非常麻煩。
PLC出現的地方,不需要任何額外的接線和硬件即可確保進行更改。而是需要對代碼進行簡單的更改,將PLC編程為僅在開關打開30秒后打開燈。因此,通過使用PLC,很容易合并多個輸入和輸出。這只是一個簡單的例子– PLC能夠控制更大,更復雜的過程??梢愿鶕煤陀脩粜枨蠖ㄖ芇LC。

PLC控制柜如何工作?

PLC的工作可以很容易地理解為稱為掃描周期的循環掃描方法。

PLC工作原理圖
PLC掃描過程包括以下步驟
  • 操作系統將啟動循環并監視時間。
  • CPU開始從輸入模塊讀取數據并檢查所有輸入的狀態。
  • CPU開始執行以梯形圖邏輯或任何其他PLC編程語言編寫的用戶程序或應用程序。
  • 接下來,CPU執行所有內部診斷和通訊任務。
  • 根據程序結果,它將數據寫入輸出模塊,以便更新所有輸出。
  • 只要PLC處于運行模式,該過程就會繼續。

PLC的物理結構

PLC的結構幾乎類似于計算機的體系結構。

PLC框圖
可編程邏輯控制器連續監視來自各種輸入傳感設備(例如,加速度計,體重秤,硬連線信號等)的輸入值,并根據生產和行業的性質產生相應的輸出。PLC的典型框圖包括五個部分:
  • 機架或底盤
  • 電源模塊
  • 中央處理器(CPU)
  • 輸入輸出模塊
  • 通訊接口模塊

機架或機箱

在所有PLC系統中,PLC機架或機箱構成最重要的模塊,并充當系統的骨干。PLC有各種形狀和尺寸。當涉及更復雜的控制系統時,它需要更大的PLC機架。小型PLC配備有固定的I / O引腳配置。因此,他們選擇了模塊化的機架式PLC,該機架式的PLC可以接受不同類型的I / O模塊。所有I / O模塊都將駐留在此機架/機箱中。

PLC機架故障

電源模塊

該模塊用于為整個PLC系統提供所需的電源。它將可用的交流電轉換為CPU和I / O模塊所需的直流電。PLC通常在24V DC電源上工作。很少有PLC使用隔離電源。

CPU模塊和內存

CPU模塊具有中央處理器,ROM和RAM存儲器。ROM存儲器包括操作系統,驅動程序和應用程序。RAM存儲器用于存儲程序和數據。CPU是具有八邊形或六邊形微處理器的PLC的大腦。作為基于微處理器的CPU,它取代了計時器,繼電器和計數器。PLC可以結合兩種類型的處理器,例如單位或字處理器。一位處理器用于執行邏輯功能。而文字處理器用于處理文本,數字數據,控制和記錄數據。CPU從傳感器讀取輸入數據,進行處理,最后將命令發送到控制設備。如前面的討論中提到的,直流電源是必需的電壓信號。CPU還包含其他電氣部件,用于連接其他設備使用的電纜。

輸入輸出模塊

您是否考慮過如何感測諸如溫度,壓力,流量等物理參數?使用PLC?當然,PLC具有用于輸入和輸出接口的專用模塊,稱為輸入和輸出模塊。輸入設備可以是啟動和停止按鈕,開關等,輸出設備可以是電加熱器,閥門,繼電器等。I/ O模塊有助于將輸入和輸出設備與微處理器接口。下圖說明了PLC的輸入模塊。


PLC輸入模塊

PLC輸入模塊電路圖
PLC的輸入模塊具有四個主要功能。
1.     輸入模塊接口以220 V AC接收來自過程設備的信號
2.     將輸入信號轉換為5 V DC,PLC可以使用
3.     隔離塊用于隔離/防止PLC發生波動
4.     之后,信號被發送到輸出端,即PLC
輸入模塊中有兩個主要部分,即電源部分和邏輯部分。兩個部分彼此電氣隔離。最初,按鈕已關閉。因此,通過電阻器R1和R2向橋電路提供220 V AC電源。橋式整流器用于將交流信號轉換為直流信號,而齊納二極管用于向LED提供低壓電源。當來自LED的光落在光電晶體管上時,它將在導電區域中工作。最后,將5V DC電源提供給處理器。
PLC的輸出模塊的工作原理與輸入模塊類似,但過程相反。它連接輸出負載和處理器。因此,這里的第一部分是邏輯會話,第二部分是電源。輸出模塊的工作如下圖所示


PLC輸出模塊
因此,在這里,當從處理器生成邏輯高信號時,LED將打開并允許光落在光電晶體管上。當晶體管進入導通區域時,它會向三端雙向可控硅開關晶體管的柵極產生脈沖。隔離器塊用于隔離邏輯部分和控制部分。

通訊接口模塊

為了在CPU和通信網絡之間傳輸信息,使用了智能I / O模塊。這些通信模塊有助于與放置在遠程位置的其他PLC和計算機進行連接。

PLC的種類

PLC的兩種主要類型是固定/緊湊型PLC和模塊化PLC。

緊湊型PLC

在單個情況下,將有許多模塊。它具有固定數量的I / O模塊和外部I / O卡。因此,它沒有擴展模塊的能力。每個輸入和輸出將由制造商決定。

模塊化PLC

這種類型的PLC允許通過“模塊”進行多次擴展,因此稱為模塊化PLC。I / O組件可以增加。由于每個組件彼此獨立,因此更易于使用。


模塊化PLC
PLC根據輸出分為繼電器輸出,晶體管輸出和三端雙向可控硅輸出PLC三種。繼電器輸出類型最適合交流和直流輸出設備。晶體管輸出型PLC使用開關操作并在微處理器內部使用。
根據物理尺寸,PLC分為微型,微型和納米PLC。
一些PLC制造商包括:
  • 艾倫·布拉德利
  • ABB
  • 西門子
  • 三菱PLC
  • 日立PLC
  • 臺達PLC
  • 通用電氣(GE)PLC
  • 霍尼韋爾PLC

PLC控制柜應用

PLC具有多種應用和用途,包括:
1.     過程自動化工廠(例如采礦,石油和天然氣)
2.     玻璃行業
3.     造紙業
4.     水泥制造
5.     在鍋爐中–火力發電廠

PLC編程

使用PLC時,根據您的特定用例設計和實現概念很重要。為此,我們首先需要更多地了解PLC編程的細節。PLC程序由一組文本或圖形形式的指令組成,這些指令表示控制PLC正在控制的過程的邏輯。PLC編程語言有兩種主要分類,它們進一步分為許多子分類類型。
1.     文字語言
·         指令清單
·         結構化文字
2.     圖形形式
·         梯形圖(LD)(即梯形邏輯)
·         功能框圖(FBD)
·         順序功能圖(SFC)
由于具有簡單方便的功能,圖形表示比文本語言更受青睞。

梯形邏輯

梯形邏輯是PLC編程的最簡單形式。它也被稱為“繼電器邏輯”。繼電器控制系統中使用的繼電器觸點使用梯形邏輯表示。
下圖顯示了梯形圖的簡單示例。


PLC梯形圖邏輯
在上述示例中,兩個按鈕用于控制相同的燈負載。當任一開關合上時,指示燈將發光。兩條水平線稱為橫檔,兩條垂直線稱為橫檔。每個梯級在正極軌(P)和負極軌(N)之間形成電氣連接。這允許電流在輸入和輸出設備之間流動。

功能框圖

功能塊圖(FBD)是一種簡單的圖形化方法,可在PLC中編程多個功能。PLCOpen在標準IEC 61131-3中描述了使用FBD。功能塊是程序指令單元,執行該程序指令單元會產生一個或多個輸出值。如下圖所示。它表示為一個矩形塊,其中輸入在左側輸入,輸出在右側輸出。給出輸入和輸出狀態之間的關系


功能塊
使用FBD的優點是,功能塊上可以使用任意數量的輸入和輸出。使用多個輸入和輸出時,可以將一個功能塊的輸出連接到另一個功能塊的輸入。從而建立功能框圖。


示例功能框圖
下圖顯示了FBD編程中使用的各種功能塊。

功能塊編程
下圖顯示了梯形圖及其功能塊的西門子符號。

梯形圖到功能塊

梯形圖至功能框圖

結構化文本編程

結構化文本是一種文本編程語言,它利用語句來確定要執行的內容。它遵循更常規的編程協議,但不區分大小寫。一系列語句(邏輯)由使用多個運算符表達分配和關系構成。結構文本運算符在圖像下面列出。


結構化文本編程

PLC編程實例

如果泵正在運行并且壓力令人滿意,或者如果燈泡測試開關閉合,則需要打開信號燈。在此應用中,如果燈的輸出應該來自泵和壓力傳感器的輸入。因此,使用
AND邏輯。“或”邏輯用于測試輸入條件,無論AND系統是否有信號,都需要打開燈的輸出。通過在梯形圖中使用END或RET指令,我們可以知道PLC已到達程序結尾。功能框圖和梯形圖如下圖所示。


PLC程序測試燈的發光
作為另一示例,考慮當泵正在運行并且提升開關被操作或指示負載尚未被提升且位于其提升通道底部的開關被操作的開關時將被操作以提升負載的閥。 。“或”邏輯用于兩個開關,“與”邏輯用于兩個開關和泵。僅當泵打開并且兩個開關都在操作時,閥門才會運行。

PLC程序控制閥
考慮一種飲料機,該飲料機允許選擇茶或咖啡,牛奶或不加牛奶,糖或不加糖,并且在插入硬幣后將提供所需的熱飲料。從下圖可以看出,使用第一個“或”邏輯門選擇了茶還是咖啡。當選擇茶或咖啡并將硬幣插入機器時,第一個AND門給出輸出。來自此“與”門的輸出被提供給第二個“與”門。第二個“與”門僅在熱水與茶混合時才起作用。牛奶和糖是可選的添加物,可能會在插入硬幣后出現。

飲料機FBD
 

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