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《工业控制网络安全技术与实践》一2.5 PLC设备的技术原理

简介: 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,本节书摘来华章计算机《工业控制网络安全技术与实践》一书中的第2章,第2.5节,姚 羽 祝烈煌 武传坤 编著 译更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

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。

原文标题:工业控制网络安全技术与实践一2.5 PLC设备的技术原理

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