可编程控制器(PLC)简介

一、简述

多年来，可编程控制器(以下简称PLC)从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

二、PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：

1.开关量逻辑控制

取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2.工业过程控制

在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

3.运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4.数据处理

PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5.通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

三、PLC的应用特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

4.系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。

四、PLC应用中需要注意问题

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力;另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：

1.工作环境

(1)温度

PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

(2)湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%(无凝露)。

(3)震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

(4)空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

(5)电源

PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

2.控制系统中干扰及其来源

现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。

(1)干扰源及一般分类

影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射;磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

(2)PLC系统中干扰的主要来源及途径

强电干扰

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，到开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。

柜内干扰

控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。

来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

变频器干扰

一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

3.主要抗干扰措施

(1)电源的合理处理，抑制电网引入的干扰

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。如图1所示

(2)安装与布线

动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。

PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200mm)。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。

PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

(3)I/O端的接线输入接线

输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。

尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

输出连接

输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。

采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。

PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

(4)正确选择接地点，完善接地系统

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

安全地或电源接地

系统接地

信号与屏蔽接地

(5)对变频器干扰的抑制

变频器的干扰处理一般有下面几种方式：

加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。

使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。

使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，才能够使PLC控制系统正常工作。随着PLC应用领域的不断拓宽，如何高效可靠的使用PLC也成为其发展的重要因素。

五、PLC设备的连接

PLC常见的输入设备有按钮、行程开关、接近开关、转换开关、拨码器、各种传感器等，输出设备有继电器、接触器、电磁阀等。正确地连接输入和输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。

1、PLC与主令电器类设备的连接

图是与按钮、行程开关、转换开关等主令电器类输入设备的接线示意图。图中的PLC为直流汇点式输入，即所有输入点共用一个公共端COM，同时COM端内带有DC24V电源。若是分组式输入，也可参照图下图的方法进行分组连接。

 

 

PLC与主令电器类输入设备的连接

2、 PLC与旋转编码器的连接

旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号(高速脉冲信号)。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。

 

 

旋转编码器与PLC的连接

如图所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX系列PLC的连接示意图。编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+ ”与编码器的电源端连接。编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。

3、 PLC与传感器的连接

传感器的种类很多，其输出方式也各不相同。当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻R，如图所示。当漏电流不足lmA时可以不考虑其影响。

 

 

PLC与两线式传感器的连接

 

 

 

 

式中：I为传感器的漏电流(mA)，UOFF为PLC输入电压低电平的上限值(V)，RC为PLC的输入阻抗(KΩ)，RC的值根据输入点不同有差异。4、PLC与多位拨码开关的连接

如果PLC控制系统中的某些数据需要经常修改，可使用多位拨码开关与PLC连接，在PLC外部进行数据设定。如图所示，为一位拨码开关的示意图，一位拨码开关能输入一位十进制数的0～9，或一位十六进制数的0～F。

 

 

一位拨码开关的示意图

如图所示，4位拨码开关组装在一起，把各位拨码开关的COM端连在一起，接在PLC输入侧的COM端子上。每位拨码开关的4条数据线按一定顺序接在PLC的4个输入点上。由图可见，使用拨码开关要占用许多PLC 输入点，所以不是十分必要的场合，一般不要采用这种方法。

 

 

4位拨码开关与PLC的连接

5、PLC与输出设备开关的连接

PLC与输出设备连接时，不同组(不同公共端)的输出点，其对应输出设备(负载)的电压类型、等级可以不同，但同组(相同公共端)的输出点，其电压类型和等级应该相同。要根据输出设备电压的类型和等级来决定是否分组连接。如图所示以FX2N为例说明PLC与输出设备的连接方法。图中接法是输出设备具有相同电源的情况，所以各组的公共端连在一起，否则要分组连接。图中只画出Y0-Y7输出点与输出设备的连接，其它输出点的连接方法相似。

 

 

 

 

PLC与输出设备的连接

6、 PLC与感性负载的连接

PLC的输出端经常连接的是感性输出设备(感性负载)，为了抑制感性电路断开时产生的电压使PLC内部输出元件造成损坏。因此当PLC与感性输出设备连接时，如果是直流感性负载，应在其两端并联续流二极管;如果是交流感性负载，应在其两端并联阻容吸收电路。如图所示。

 

 

PLC与感性输出设备的连接

图中，续流二极管可选用额定电流为1A、额定电压大于电源电压的3倍;电阻值可取50~120Ω，电容值可取0.1~0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。接线时要注意续流二极管的极性。

7、PLC与七段LED显示器的连接

PLC可直接用开关量输出与七段LED显示器的连接，但如果PLC控制的是多位LED七段显示器，所需的输出点是很多的。

 

 

 

 

PLC与两位七段LED灯显示器的连接

如图所示，电路中，采用具有锁存、译码、驱动功能的芯片CD4513驱动共阴极LED七段显示器，两只CD4513的数据输入端A～D共用PLC的4个输出瑞，其中A为最低位，D为最高位。LE是锁存使能输入端，在LE信号的上升沿将数据输入端输入的BCD数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来。如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。显然，N个显示器占用的输出点数为P=4+N。如果PLC使用继电器输出模块，应在与CD4513相连的PLC各输出端接一下拉电阻，以避免在输出继电器的触点断开时CD4513的输入端悬空。PLC输出继电器的状态变化时，其触点可能抖动，因此应先送数据输出信号，待该信号稳定后，再用LE信号的上升沿将数据锁存进CD4513。

审核编辑：汤梓红