Introduction

Generally speaking, process control system is made up of a group of electronic devices and equipment that provide stability, accuracy and eliminate harmful transition statuses in production processes. Operating system can have different form and implementation, from energy supply Units to machines. As a result of fast progress in technology, many complex operational tasks have been solved by connecting programmable logic controllers and possibly a central computer.

Beside connections with instruments like operating panels, motors, sensors, switches, valves and such, possibilities for communication among instruments are so great that they allow high level of exploitation and process coordination, as well as greater flexibility in realizing a process control system. Each component of a process control system plays an important role, regardless of its size. For example, without a sensor, PLC wouldnrsquo;t know what exactly goes on in the process. In automated system, PLC controller is usually the central part of a process control system. With execution of a program stored in program memory, PLC continuously monitors status of the system through signals from input devices. Based on the logic implemented in the program, PLC determines which actions need to be executed with output instruments. To run more complex processes it is possible to connect more PLC controllers to a central computer.

1.1 Conventional control panel

At the outset of industrial revolution, especially during sixties and seventies, relays were used to operate automated machines, and these were interconnected using wires inside the control panel. In some cases a control panel covered an entire wall. To discover an error in the system much time was needed especially with more complex process control systems. On top of everything, a lifetime of relay contacts was limited, so some relays had to be replaced. If replacement was required, machine had to be stopped and production too. Also, it could happen that there was not enough room for necessary changes. Control panel was used only for one particular process, and it wasnrsquo;t easy to adapt to the requirements of a new system. As far as maintenance, electricians had to be very skillful in finding errors. In short, conventional control panels proved to be very inflexible.

1.2 Control panel with a PLC controller

With invention of programmable controllers, much has changed in how an process control system is designed. Many advantages appeared. Typical example of control panel with a PLC controller is given in the following picture.

Advantages of control panel that is based on a PLC controller can be presented in few basic points:

1. Compared to a conventional process control system, number of wires needed for connections is reduced by 80%

2. Consumption is greatly reduced because a PLC consumes less than a bunch of relays

3. Diagnostic functions of a PLC controller allow for fast and easy error detection.

4. Change in operating sequence or application of a PLC controller to a different operating process can easily be accomplished by replacing a program through a console or using a PC software (not requiring changes in wiring, unless addition of some input or output device is required).

5. Needs fewer spare parts

6. It is much cheaper compared to a conventional system, especially in cases where a large number of I/O instruments are needed and when operational functions are complex.

7. Reliability of a PLC is greater than that of an electro-mechanical relay or a timer.

1.3 Systematic approach in designing an process control system

First, you need to select an instrument or a system that you wish to control. Automated system can be a machine or a process and can also be called an process control system. Function of an process control system is constantly watched by input devices (sensors) that give signals to a PLC controller. In response to this, PLC controller sends a signal to external output devices (operative instruments) that actually control how system functions in an assigned manner (for simplification it is recommended that you draw a block diagram of operationsrsquo; flow).

Secondly, you need to specify all input and output instruments that will be connected to a PLC controller. Input devices are various switches, sensors and such. Output devices can be solenoids, electromagnetic valves, motors, relays, magnetic starters as well as instruments for sound and light signalization. Following an identification of all input and output instruments, corresponding designations are assigned to input and output lines of a PLC controller. Allotment of these designations is in fact an allocation of inputs and outputs on a PLC controller which correspond to inputs and outputs of a system being designed.

Third, make a ladder diagram for a program by following the sequence of operations that was determined in the first step.

Finally, program is entered into the PLC controller memory. When finished with programming, checkup is done for any existing errors in a program code (using functions for diagnostics) and, if possible, an entire operation is simulated. Before this system is started, you need to check once again whether all input and output instruments are connected to correct inputs or outputs. By bringing supply in, system starts working.

Chapter Ⅱ Introduction to PLC controllers

Introduction

Industry has begun to recognize the need for quality improvement and increase in productivity in the sixties and seventies. Flexibility also became a major concern (ability to change a process quickly became very important in order to satisfy consumer needs).

Try to imagine automated industrial prod

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中文翻译：

对 PLC 控制器的介绍

第一章 操作系统

介绍

一般来说，过程控制系统由一组提供稳定性，准确性和消除生产过程中有害过渡状态的电子设备组成。操作系统可以从能量供应单元到机器有不同的形式和实现。由于技术进步迅速，许多复杂的操作任务已经通过连接可编程逻辑控制器和可能的中央计算机来解决。

除了与操作面板，电机，传感器，开关，阀门等仪器的连接之外，仪器之间通信的可能性非常大，可以实现高水平的开发和过程协调，以及展现过程控制系统的更大的灵活性。过程控制系统的每个组件都起着重要的作用，无论其大小如何。例如，没有传感器，PLC将不知道在这个过程中究竟发生了什么。在自动化系统中，PLC控制器通常是过程控制系统的核心部分。通过执行存储在程序存储器中的程序，PLC通过来自输入设备的信号连续监视系统的状态。基于程序中实现的逻辑，PLC决定需要使用输出仪器执行哪些操作。要运行更复杂的过程，可以将更多的PLC控制器连接到中央计算机。

1.1 传统的控制面板

在工业革命开始时，特别是在六、七十年代，继电器被用来操作自动化机器，并且使用控制面板内部的电线进行互连。 在某些情况下，控制面板覆盖整个墙壁。 为了发现系统中的错误，需要更多的时间，特别是使用更复杂的过程控制系统。 首先，继电器触点的寿命有限，所以一些继电器不得不被更换。 如果需要更换，机器必须停止和生产。 此外，可能发生的是没有足够的空间进行必要的更改。 控制面板仅用于一个特定的过程，并不容易适应新系统的要求。 就维修而言，电工必须非常熟练地发现错误。 简而言之，传统的控制面板证明是非常不灵活的。

1.2 PLC 控制器控制面板

通过可编程控制器的发明，过程控制系统的设计方式发生了很大变化。出现了许多优点。具有PLC控制器的控制面板的典型示例如下所示。

基于PLC控制器的控制面板的优点可以在几个基本点上呈现：

1.与传统的过程控制系统相比，连接所需的电线数量减少了80％

2.消耗大大减少，因为PLC消耗少于一堆继电器

3. PLC控制器的诊断功能允许快速简单的错误检测。

4.将PLC控制器的操作顺序或应用变更到不同的操作过程可以通过使用控制台或使用PC软件更换程序（不需要更改接线，除非需要添加一些输入或输出设备）。

5.需要更少的备件

6.它与常规系统相比便宜得多，特别是在需要大量I / O仪器和操作功能复杂的情况下。

7.PLC的可靠性大于机电继电器或定时器的可靠性。

1.3 设计过程控制系统的系统方法

首先，您需要选择要控制的仪器或系统。自动化系统可以是机器或过程，也可以称为过程控制系统。通过向PLC控制器发送信号的输入设备（传感器）不断监视过程控制系统的功能。响应于此，PLC控制器向外部输出设备（操作仪器）发送一个信号，该外部输出设备实际控制系统以指定的方式运行的功能（为简化建议您绘制操作流程的框图）。

其次，您需要指定将连接到PLC控制器的所有输入和输出仪器。输入设备是各种开关，传感器等。输出设备可以是电磁阀，电磁阀，电动机，继电器，磁性起动器以及用于声光信号的仪器。在识别所有输入和输出仪器之后，将相应的指定分配给PLC控制器的输入和输出线。这些名称的分配实际上是在PLC控制器上分配输入和输出，这对应于正在设计的系统的输入和输出。

第三，按照第一步确定的操作顺序，为程序制作梯形图。

最后，程序进入PLC控制器存储器。完成编程后，对程序代码中的任何现有错误（使用诊断功能）进行检查，如果可能，则会对整个操作进行模拟。在此系统启动之前，您需要再次检查所有输入和输出仪器是否连接到正确的输入或输出。通过供应，系统开始工作。

第二章 PLC控制系统

介绍

工业生产从六、七十年代已经开始认识到质量改善和生产力提高的需要。灵活性也成为主要关注点（为了满足消费者需求，改变过程的能力变得非常重要）。

试图想象在六、七十年代的自动化工业生产线。总是有一个巨大的电气板用于系统控制，并不经常覆盖整个墙壁！在该板内，有大量互连的机电继电器使整个系统工作。据了解，电工不得不使用电线手动连接所有继电器！工程师将为系统设计逻辑，电工将收到他们必须用继电器实现的逻辑示意图。这些继电器模式通常包含数百个继电器。电工的计划被称为“梯形图”。梯子显示系统中发现的所有开关，传感器，电机，阀门，继电器等。电工的工作是把它们连在一起。这种控制的一个问题是它是基于机械继电器。机械仪器通常是系统中最弱的连接，因为它们的可移动部件可能磨损。如果一个继电器停止工作，电工将不得不检查整个系统（系统将终止，直到找到并纠正问题的原因）。

这种类型的控制的另一个问题是在系统的断电期间，当系统必须关闭时，可以在电路板上进行连接。如果一家公司决定改变操作顺序（甚至是一个小小的变化），那么在系统再次运行之前，它将成为主要的费用和生产时间的损失。

在他的项目中，不难想象一位工程师犯了一些小错误。也不难想象，电工在连接系统方面犯了一些错误。最后，你也可以想象有一些坏的组件。看到一切都正确的唯一方法是运行系统。由于系统通常不完美，首次尝试，发现错误是一个艰巨的过程。您还应该记住，在这些更正和连接更改期间，无法制作产品。在进行变更之前，系统必须被禁用。这意味着在生产线上的整个生产人员在系统再次修复之前就已经不工作了。只有当电工发现错误和修理时，系统才能生产。这种工作的支出对于公司来说太大了。

2.1第一代可编程控制器

“通用汽车”是第一个认识到需要更换系统“有线”控制板的人。竞争加剧迫使汽车制造商提高生产质量和生产力。自动化生产线的灵活性和快速简单的变化变得至关重要！通用汽车公司的想法是将系统逻辑用于微型计算机之一（这些微型计算机与现在的八位微控制器之间的距离远远低于有线继电器）。计算机可以代替巨大，昂贵，灵活的有线控制板。如果需要在系统逻辑或操作顺序中进行更改，则可以改变微型计算机中的程序，而不是重新布线继电器。想象一下，现在只需要消除布线变化所需的整个时期。今天这样的想法却很普遍，那就是革命！

一切都是深思熟虑的，但随后又出现了一个新问题：如何让电工接受和使用新设备。系统通常相当复杂，需要复杂的编程。要求电工学习和使用计算机语言以及其他工作职责是没有问题的。通用汽车这个大公司的Hidromatic部门认识到需要并写出第一个可编程逻辑控制器的项目标准（有些公司出售了执行工业控制的仪器，但是那些是简单的顺序控制器，而不是我们今天所知道的PLC控制器）。规格要求新设备基于电子而不是机械部件，具有计算机的灵活性，能够在工业环境（振动，热，灰尘等）中起作用，并且具有被重新编程并用于其他任务的能力。最后的标准也是最重要的，一个新的设备必须由电工和技术人员轻松编程和维护。当规范完成后，通用汽车公司寻求感兴趣的公司，并鼓励他们开发符合本项目规格的设备。

“Gould Modicon”开发了符合这些规范的第一个设备。使用新设备成功的关键在于，您的编程不需要学习新的编程语言。它被编程为使用技术人员已知的相同语言的梯形图。电工和技术人员可以很容易地理解这些新设备，因为逻辑看起来与旧的逻辑类似，它们被用来处理。因此，他们并不需要学习一种新的程序设计语言（显然）被证明是一个很好的举措。 PLC控制器最初称为PC控制器（可编程控制器）。当个人电脑出现时，这引起了一个小小的混乱。为了避免混淆，将PC命名为电脑，可编程控制器成为可编程逻辑控制器。第一个PLC控制器是实现的设备。它们连接诸如开关，数字传感器等的输入，并且基于内部逻辑，它们将输出设备打开或关闭。当它们第一次出现时，它们不太适合复杂的控制，如温度，位置，压力等。然而，多年来，PLC控制器的制造商增加了许多功能和改进。今天的PLC控制器可以处理高度复杂的任务，如位置控制，各种规定和其他复杂应用。工作速度和编程容易度也得到提高。此外，还开发了用于特殊用途的模块，如用于将多个PLC控制器连接到网络的通信模块。今天很难想象一个PLC无法处理的任务。

2.2 PLC控制器组件

PLC实际上是一个工业微控制器系统（最近我们遇到处理器而不是微控制器），其中硬件和软件特别适用于工业环境。 具有PLC组成的典型组件的块架构如下图所示。 需要特别注意输入和输出，因为在这些方框中，您可以发现保护CPU块免受工业环境通过输入线对CPU造成的破坏性影响。 程序单元通常是用于编写程序的计算机（通常在梯形图中）。

2.3中央处理单元-CPU

中央处理单元（CPU）是PLC控制器的大脑。 CPU本身通常是微控制器之一。 Aforetime这些是8位微控制器，如8051，现在这些是16位和32位微控制器。不言而喻的规则是日本制造商在PLC控制器中大多会发现Hitachi和Fujicu微控制器，西门子在欧洲控制器以及美国的摩托罗拉微控制器的PLC控制器中，大多数日立和Fujicu微控制器都会发现。 CPU还负责PLC控制器的其他部分的通信，互连，程序执行，存储器操作，监控输入和输出设置。 PLC控制器具有用于内存检查的复杂程序，以确保PLC存储器未被损坏（出于安全原因进行内存检查）。一般来说，CPU单元对PLC控制器本身进行大量的检查，以便最早发现错误。您可以简单地查看任何PLC控制器，并看到有多个指示灯以二极管的形式出现错误信号。

2.4内存

系统存储器（今天主要以FLASH技术实现）由PLC用于过程控制系统。除了这个操作系统，它还包含从梯形图转换为二进制形式的用户程序。只有在用户程序被更改的情况下，才能更改闪存内容。早期使用PLC控制器而不是FLASH存储器，并且已经使用EPROM存储器而不是FLASH存储器，该存储器必须用UV灯擦除并在程序器上编程。使用FLASH技术，这个过程大大缩短了。程序存储器的重新编程通过用于应用程序开发的程序中的串行电缆完成。

用户存储器分为具有特殊功能的块。存储器的一些部分用于存储输入和输出状态。输入的实际状态在特定存储器位中被存储为“1”或“0”。每个输入或输出在存储器中有一个相应的位。存储器的其他部分用于存储用户程序中使用的变量的变量内容。例如，定时器值或计数器值将存储在存储器的这部分中。

2.5 PLC可编程控制器

PLC控制器可以通过计算机进行重新编程（通常的方式），也可以通过手动编程器（控制台）重新编程。这实际上意味着如果您有编程所需的软件，则每个PLC控制器都可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是工厂自行编程PLC控制器的理想选择。这对行业来说是非常重要的。一旦系统得到纠正，再次将正确的程序读入PLC也很重要。不时检查PLC中的程序是否没有改变。这有助于避免工厂房间的危险情况（一些汽车制造商建立了通信网络，定期检查PLC控制器中的程序，以确保仅执行良好的程序）。

几乎每个用于编程PLC控制器的程序都有各种有用的选项，例如：强制开/关系统，输入/输出（I / O线），实时程序跟踪以及记录图。此文档对于了解和定义故障和故障是必要的。程序员可以添加备注，输入或输出设备的名称，以及在查找错误或系统维护时可能有用的注释。添加评论和备注可使任何技术人员（而不仅仅是开发系统的人员）立即了解梯形图。如果需要更换，评论和评论甚至可以准确地报价部件号。这将加快修复由于坏零件而出现的任何问题。旧的方式是，制定系统的人对程序有保护，所以除了这个人之外，没有人能够理解它是如何完成的。正确记录的梯形图允许任何技术人员彻底了解系统。

2.6 PLC控制器输入端

自动化系统的智能在很大程度上取决于PLC控制器从不同类型的传感器和输入设备读取信号的能力。钥匙，键盘和功能开关是人与机器关系的基础。另一方面，为了检测工件，查看运动中的机构，检查压力或液位是否需要特定的自动装置，例如接近传感器，边缘开关，光电传感器，液位传感器等。因此，输入信号可以逻辑（开/关）或模拟。较小的PLC控制器通常只有数字输入线，而较大的PLC控制器也通过连接到PLC控制器的特殊单元接受模拟输入。最常见的模拟信号之一是4〜20 mA的电流信号和各种传感器产生的电压电压信号。传感器通常用作PLC的输入。您可以获得不同目的的传感器。它们可以感知某些部件的存在，测量温度，压力或其他一些物理尺寸等（例如，感应传感器可以注册金属物体）。其他设备也可以作为PLC控制器的输入。诸如机器人，视频系统等智能设备通常能够向PLC控制器输入模块发送信号（例如，机器人可以在将对象从一个位置移动到另一个位置时将信号发送到PLC控制器输入作为信息）。

2.7 PLC控制器输出端

如果与某些输出设备未连接，则自动系统不完整。 一些最常用的设备有电机，螺线管，继电器，指示灯，声音信号等。 通过启动电机或继电器，PLC可以管理或控制诸如系统之类的简单系统，用于将产品分类到诸如数控机床定位头的复杂系统。 输出可以是模拟或数字类型。 数字输出信号作为开关; 它连接和断开线路。 模拟输出用于产生模拟信号（例如电机的速度由对应于所需速度的电压控制）。

2.8延长线

每个PLC控制器的输入/输出线数量有限。 如果需要，这个数字可以是通过延长线通过系统扩展通过某些附加模块增加。 每模块可以包含输入和输出线的扩展。 另外，扩展模块也可以输入和输出与PLC控制器上的输入和输出不同（例如，在继电器输出的情况下，在控制器上，晶体管输出可以在扩展模块上）。

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