機電整合控制 可程式控制器 呂文斌博士 Wenbin3033@gmail.com
文件參考 :http://www.safetynet-plc.com 自動化系統架構
可程式控制器 (PLC) 可程式控制器發展背景 可程式控制器的定義 硬體系統與軟體設計發展 PLC 構成要件與運作原理 IEC 1131-3 PLC 程式語言規範 PLC 特性與優點 數字系統與編碼 基礎邏輯概念
可程式控制器發展背景 1968 年 : 由 GM 汽車公司提出 PLC 需求特性, 主要係為改善生產流程 增加競爭力與減少維修等因素 1969 年 : 由 DEC AB 及 GM 創造出首批 PLC, 並開啟新的控制技術發展之門 1970 年 :TI DEC 及 AB 將微處理器引入 PLC 應用 1970 年 : 日本挾其電子技術積極介入 PLC 設計發展, 例如 : 三菱 ORMON Hitachi 1980 年 ~: 由台安公司首度引入國內並應用於相關產業, 例如 : 台安 永宏
可程式控制器的定義 可程式邏輯控制器 (Programmable logic controllers) 可稱為可程式控制器 (Programmable controllers) 或 PLCs. PLC 硬體設計主要是利用積體電路替代電機機械設備達成程序控制功能. PLC 具備如順序 定時 計數 運算 資料處理及通訊等操作能力來完成工業機械或流程控制
PLC 之應用架構 圖 1.1 PLC 應用概念架構
PLC 之發展近況 - 硬體介面 使用新式高階微處理器與電子技術來達成 PLC 快速掃瞄時間. 體積小 低成本 PLCs, 圖 1.2. 於低成本條件下, 以高密度輸出 / 入系統減少設備安裝時所需的空間, 圖 1.3. 利用智慧型微處理器 I/O 模組延伸 PLC 系統於分散式程序應用. 利用模組化機械設計技術改善 I/O 端子座與系統外型. 允許特殊模組直接連結於控制器模組, 可縮減 PLC 系統硬體的體積. 發展人性化的操作界面技術, 提供完整的系統操作文件.
PLC 硬體模組範例 圖 1.2 內建 I/O 與資料傳輸介面之小型 PLC 系統 圖 1.3 高密度 I/O 模組 (64 點模組 ) 之 PLC 系統
PLC 硬體模組範例 圖 1.4 Allen-Bradley s 可程式控制器系列
PLC 之發展近況 - 軟體介面 整合物件導向程式工具與支援 IEC 1131-3 標準 PLC 程式設計語法. 為使小型 PLC 能被廣泛使用, 小型 PLC 也提供強大的指令集供使用者使用. 為使 PLC 與周邊硬體的通訊及資料處理能更具靈活性, 某些 PLC 亦提供如 C Basic 等高階語言功能. 使用簡單的階梯指令集實現高階功能區塊, 以增強軟體程式的功能性. 提供系統機械或程序的錯誤偵測與診斷功能. 提供浮點運算功能使控制程式能執行複雜的資料量測或統計計算. 複雜的控制與資料擷取應用包括大量資料的儲存 追蹤與接收, 皆可藉由資料處理與操作指令來改善及簡化.
PLC 組成要件 PLC 主要的構成單元 : CPU 模組 電源模組 I/O 模組 Digital I/O Analog I/O 通訊模組 TCP/IP RS232/485 Optical Fiber 特殊模組 圖 1.5 PLC 組成架構
PLC 運作原理 CPU 模組 : 管理 PLC 所有的運作程序. I/O 模組 : 與周邊控制設備連結 ( 極限開關 壓力傳送器 感應器 開關鈕 ). 電源模組 : 提供 PLC 或 I/O 模組不同的電源. 通訊模組 : 提供 PLC 與周邊控制設備之間資料或指令溝通. 圖 1.6 CPU 運作流程
I/O 模組架構 圖 1.7 I/O 模組介面
PLC 程式撰寫方式 圖 1.8 (a)pc 與 PLC 連結編譯 (b) 掌上型程式書寫器
PLC 或硬體繼電器系統選用條件 是否須要靈活性的控制邏輯改變條件? 是否須要提供高可靠度? 安裝空間需求是否重要? 是否具備擴增能力與輸出需求? 是否須要資料收集需求? 是否具備反覆的邏輯控制變化? 是否須要具備快速修改功能? 相同的邏輯控制是否需應用於不同的機器上? 未來使用上是否具備擴充能力? 是否有成本考量?
PLC 的應用範圍
PLC 的應用範圍 ( 續 )
PLC 的應用範圍 ( 完 )
PLC 產品市場區分 依據 I/O 點數區分 : 微型 PLC 小型 PLC 中型 PLC 大型 PLC 超大型 PLC 圖 1.9 PLC 產品範圍區分
PLC 產品範例一 圖 1.10 (a) 三凌小型 PLC 14 I/O (b) Direct DL105 PLC 18 I/O
PLC 產品範例二 圖 1.11 (c) G&L PIC90 128 I/O (d) Allen-Bradley s PLC 5/15 512 I/O
PLC 產品範例三 圖 1.12 (e) Omron s C200H PLC 1392 I/O (f) Allen-Bradley s PLC 5/80 3072 I/O
IEC 1131-3 PLC 程式語言規範 IEC 1131-3 程式規範制訂如下五種 PLC 程式語言 : 圖形化語言 Ladder Diagrams (LD) Function Block Diagram (FBD) 文字架構語法 Instruction List (IL) Structured Text (ST) Sequential Function Charts (SFCs)
Ladder Diagrams (LD) 系統程序控制階梯圖描述 圖 1.13 PLC 程式之階梯圖 (Ladder Diagram) 描述方式
Function Block Diagram (FBD) Example: 圖 1.14 PLC 程式之功能區塊圖 (Function Block Diagram) 描述方式 圖 1.15 (a) 內含階梯圖封裝 ; (b)start/stop 功能區塊圖
Instruction List (IL) Example: 圖 1.16 PLC 程式之指令集 (Instruction List) 描述方式
Structured Text (ST) 圖 1.17 PLC 程式之結構化文字 (Structure Text) 描述方式
Sequential Function Charts (SFCs) First Level Secondary Level 圖 1.18 PLC 程式之順序流程圖 (Sequential Function Chart) 描述方式
階梯圖程式語法 利用圖形來表示區域設備的內部連接狀態, 例如開關的 ON/OFF 輸出設備的動作. 具連續表示傳統的順序控制操作功能. 圖 1.19 簡單的電器階梯圖
PLC 階梯圖實作範例 圖 1.20 PLC 階梯圖實作圖 1.19
PLC I/O 接線圖 圖 1.21 PLC I/O 接線圖
PLC 特性與優點
數字系統與編碼 可程式控制器之位址配置與程式應用常用的四種數字系統 : 二進位 (Binary 0 and 1) 八進位 (Octal 0,1,2,,8) 十進位 (Decimal 0,1,2,,9) 十六進位 (Hexadecimal 0,1,2,,E,F)
二進位系統 Binary number system: 以 2 為基底執行編碼運算, 只允許 0 與 1 出現於系統. 大部分的實體元件也只包括兩種狀態, 例如開關的 on 或 off 閥的 open 或 close 極限開關的 on 或 off. Ex:
八進位系統 Octal numbering system : 以 8 為基底, 利用 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 來表示其數字系統. Ex:
十進位系統 Decimal number system : 以 10 為基底, 利用 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 來表示其數字系統.
十六進位系統 Hexadecimal (hex) number system: 以 16 為基底, 利用數字 0, 1, 2,, 8, 9 與字母 A, B,, E, F( 分別表示 10 至 15 的數值 ) 來表示其數字系統. Ex:
基礎邏輯概念 可程式控制器及其應用含括 AND OR 及 NOT 三種基本邏輯應用. 工業控制系統或組件常見的邏輯描述方式 - 二進制 (Binary). 1: 表示某件事發生. 0: 表示某件事不會發生. 表 1.1 二進制正向邏輯概念 表 1.2 二進制負向邏輯概念
邏輯函數 AND 閘 AND 閘 當 A 與 B 輸入條件兩者皆為真 (True) 時, 則 Y 才會產生輸出或作動. 若 A 或 B 輸入條件其一不為真 (True) 時, 則 Y 不會產生輸出或作動. AND 閘之邏輯符號及其真值表, 如右圖 3.1 所示. AND 圖 1.22 AND 閘之邏輯符號及真值表
邏輯函數 AND 範例 動作說明 : 電力階梯圖及電力迴路說明 :
邏輯函數 OR 閘 OR 閘 當 A 與 B 輸入條件其一為真 (True) 時, 則 Y 產生輸出或作動. 若 A 與 B 輸入條件皆為假 (False) 時, 則 Y 不會產生輸出或作動. OR 閘之邏輯符號及其真值表, 如右圖 3.2 所示. OR 圖 1.23 OR 閘之邏輯符號及真值表
邏輯函數 OR 範例 動作說明 : 電力階梯圖及電力迴路說明 :
邏輯函數 NOT 閘 NOT 閘 當 A 輸入為真 (True) 時, NOT 閘輸出則為假 (False). 當 A 輸入為假 (False) 時, NOT 閘輸出則為真 (True). NOT 閘的輸出總是與輸入訊號相反, 因此其亦稱為反轉器 (Inverter). NOT 閘之邏輯符號及其真值表, 如右圖 3.3 所示. 圖 1.24 NOT 閘之邏輯符號及真值表
邏輯函數 NOT 範例 1 動作說明 : 電力階梯圖及電力迴路說明 :
邏輯函數 NOT 範例 2 水位控制動作說明 : 作動真值表及電力階梯圖說明 : CR:Control Relay
布林代數與邏輯原理 圖 1.25 AND OR 及 NOT 之布林代數描述
布林代數與邏輯原理 基本邏輯閘說明 : 聯合邏輯閘說明 :
布林代數與邏輯原理 布林代數規則
階梯圖之接點邏輯符號 階梯圖之接點邏輯符號 : 常開接點 (Normally Open, NO): 符號表示 常閉接點 (Normally Close, NC): 符號表示 輸出接點 (Output): 符號表示 無輸出接點 (Non- Output): 符號表示 圖 1.26 繼電器與 PLC 接點符號說明
硬體運轉迴路範例 圖 1.27 硬體運轉邏輯迴路
PLC 控制階梯圖範例 圖 1.28 圖 1.27 之 PLC 階梯圖實作
硬體運轉迴路與 PLC 階梯圖解析 硬體運轉迴路說明 : PLC 階梯圖說明 : 圖 1.29 (a) 圖 1.27 第一控制區塊運轉迴路 ; (b) 其對應之 PLC 階梯圖實作
圖 1.30 (a) 硬體繼電器迴路與 PLC 階梯圖之轉換 ; (b) 其對應迴路說明