《工业控制网络安全技术与实践》一2.5　PLC设备的技术原理

亦凉 2022-01-30 16:31 275阅读 0赞

#### 2.5　PLC设备的技术原理 ####

本文讲的是**工业控制网络安全技术与实践一2.5　PLC设备的技术原理**,前面简单介绍了PLC的基本概念、应用领域和特点，本节将详细介绍PLC设备的产生与特点、基本组成、工作原理及其使用的指令系统、通信技术和接口技术。

#### 2.5.1　PLC的产生与特点 ####

在可编程逻辑控制器问世之前，继电器控制在工业控制领域占主导地位。继电器控制系统采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计和改变硬件结构，这样就会造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器、接触器控制，使用的继电器数量多、体积大、耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，容易造成系统故障，系统的可靠性差。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新的需求，以求在激烈竞争中占优势地位，提出以一种新型的控制装置取代继电器、接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想——利用计算机的完备功能，以及灵活性、通用性好等优点，要求新的控制装置编程简单，即使不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。为此，拟定了以下公开招标的10项技术要求：  
1）编程简单方便，可在现场修改程序。  
2）硬件维护方便，采用插件式结构。  
3）可靠性高于继电器、接触器控制装置。  
4）体积小于继电器、接触器控制装置。  
5）可将数据直接送入计算机。  
6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4 KB。  
7）输入可以是交流115 V。  
8）输出为交流115 V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等。  
9）通用性强，扩展方便。  
10）成本上可与继电器、接触器控制系统竞争。  
美国数字设备公司（Digital Equipment Corporation，DEC）根据GM公司的招标技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车自动装配线上使用且获得成功。其后，日本、德国相继引入这项新技术，可编程控制器由此迅速发展起来\[16\]。  
PLC综合了继电器、接触器控制以及计算机灵活、方便的优点而设计、制造和发展的，因此与其他控制器相比，PLC具有以下8个特点。  
（1）高可靠性  
1）所有的I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离。  
2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20 ms。  
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。  
4）采用性能优良的开关电源。  
5）对采用的器件进行严格的筛选。  
6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。  
7）大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或由三CPU 构成表决系统，使可靠性更进一步提高。  
（2）通用性强，方便使用  
PLC产品已系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件。用户在进行控制系统设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需要修改程序就能变更控制功能。  
（3）采用模块化结构，系统组合灵活方便  
为了适应各种工业控制，需要除了单元式的小型PLC以外的绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。  
（4）编程语言简单易学，便于掌控  
PLC是由继电器、接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大的电气技术人员。为了使工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，PLC的开发制造商采取了与继电器、接触器控制原理相似的梯形图语言。  
（5）系统设计周期短  
系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不是去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。  
（6）对生产工艺改变适应性强  
PLC的核心部件是微处理器，它实际上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序，这对现代化的小批量、多品种的生产尤其适合。  
（7）安装简单，调试方便，维护工作量小  
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器、接触器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，也可以另接模拟实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既节省时间又很方便。PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断功能，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身发生故障，则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率，以保证生产的正常进行。  
（8）I/O 接口模块丰富  
PLC针对不同的工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位和强电或弱电等）有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈和控制阀）直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网的接口模块，等等。