运动控制器PLC与CNC的关系

作者：蓝天设计学院时间：20200809

  浅谈PLC控制系统与继电器-接触器控制系统的区别

    摘要: PLC又名可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置,与继电器-接触器控制系统相比具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点,已逐渐取代继电器接触器控制系统,成为工矿企业自动控制的首选控制系统。
关键词:PLC；PLC控制系统；继电器-接触器控制系统；区别
一、概述
PLC又名可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器-接触器控制系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点，因而在工矿企业的各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。
二、PLC的组成及工作原理
PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。PLC的结构框图如下图所示。

CPU又名中央处理器，是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。CPU芯片的性能关系到PLC的处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能随着CPU芯片技术的发展而提高和增强。
存储器包括系统存储器和用户存储器两部分，系统存储器用来存放PLC厂家编写的系统程序，并固化在ROM中，用户不能直接更改。用户存储器用来存放用户根据控制任务编写的程序及用户程序中使用器件的状态/数值数据，其内容可由用户任意修改或增删。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
输入输出单元从广义上讲包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映象寄存器。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，并通过接口电路将这些信号转换成CPU能识别和处理的信号并存入输入映象寄存器。运行时CPU从输入映象寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映象寄存器中。然后由输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备的执行元件。为适应工业现场环境，PLC的输入/输出接口电路均采用了滤波电路和光耦合隔离电路，提高了PLC的抗干扰能力和可靠性。另外PLC的输入/输出接口电路分别配置了一定数量的开关量和模拟量接口，以满足工业现场错综复杂的信号交换。
PLC的电源一般为220V交流电，煤矿井下一般使用127V交流电，电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器、存储器等电路工作的直流电，为了保证PLC在工业现场能可靠地工作，电源部件对供电电源采用了较多的滤波环节，还用集成电压调整器进行调整以适应交流电网的电压波动，对过电压和欠电压都有一定的保护作用，另外还采用了较多的屏蔽措施来防止工业环境中的空间电磁干扰。
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。随着计算机技术和各种软件技术的发展，利用微机编程是PLC的发展趋势，现在大多数PLC生产厂家不再提供编程器，而只是提供微机编程软件，并配有相应的通信接口和连接电缆。常用的编程语言有：顺序功能图、梯形图、功能块图、语句表和结构文本等。
有了以上这些部件，PLC便可进行正常工作。CPU通过输入接口读取数据，然后按照编制的控制程序对数据进行处理，并将处理结果发送到输出接口，驱动设备或部件的执行元件，这就是PLC的工作过程。PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。PLC采用的是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令，开始新一轮的扫描，PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描。这就是PLC的工作原理。
三、继电器-接触器控制系统的工作原理和组成
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。
继电器-接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器、保护电器及控制线路等组成。由于该系统操作简单直观、维护、调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业的生产控制系统。但随着PLC技术的发展和应用，继电器-接触器控制系统已逐渐被PLC控制系统所取代。
四、PLC与继电器-接触器控制系统的比较
PLC的梯形图与继电器控制电路图十分相似，主要原因是PLC梯形图大致沿用了继电器控制的电路元器件符号，仅个别之处有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC的控制与继电器的控制以有不同之处，主要表现在以下几个方面。
1、控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只仅有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑只需改变程序即可，故称“软接线”。其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由大、中规模集成电路组成，因而功耗较小。
2、工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属并联工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属串联工作方式。
3、可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。触点断开或闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC配有自检和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
4、控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般在几十毫秒数量级；另处，机械触点还会出现抖动问题。而PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，属无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。
5、定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001S到若干天或更长；用户可根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上优于继电器控制系统，特别是具有可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便的特点；而且体积小、功耗低、使用维护方便。正是基于以上优点，PLC控制系统正在逐步地取代继电器控制系统。
五、PLC控制系统在煤矿企业的应用
煤矿井下为爆炸性气体环境，人员和设备的工作空间较小，工作环境较为恶劣，而继电器控制系统体积大、功耗大，维护量大，接线多，可靠性差，并且机械触点开闭会产生电火花，一旦设备的防爆性能降低，将会是煤矿安全生产的重大隐患。而随着PLC技术的发展和应用，很好地解决了继电器控制系统的存在的问题。因而PLC控制系统已在煤矿企业得到广泛地应用，并且在逐步取代继电器控制系统。以淮南矿业集团为例，集团公司下属的新建投产的新型现代化矿井中，从井下综采工作面的采煤机械系统、胶带运输系统、主排水系统、窄轨信集闭系统、绞车提升系统、瓦斯安全监控系统到地面的选煤系统、压风机房、主变电所、瓦斯抽排站等已无处不有PLC控制的身影，另外，集团公司每年还投入大量资金对一些老矿井进行技术改造，将原来陈旧的继电器控制系统更新为PLC控制系统，提高了设备运行效率，使全集团公司的煤炭产量逐年提高，大大降低了事故率，使煤矿安全生产得到了保障。
六、结论
PLC控制系统比较继电器-接触器控制系统有体积小、功耗小、可靠性高和可扩展性强等优点，在大、中型及较复杂的控制系统中，继电器-接触器控制系统将会被PLC控制系统所取代，但在一些小型、简单的控制系统中，继电器-接触器控制系统操作简单、维护、调整方便、现场人员容易掌握使用的优点就会体现出来，而使用价格较贵的PLC控制系统，就会造成资源的浪费。

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