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第二章 可编程控制器概述

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第二章 可编程序控制器概述
本章主要讲解…
一、可编程控制器的定义 二、可编程控制器的产生 三、可编程控制器的特点

四、可编程控制器的应用
五、可编程控制器的发展

六、可编程控制器的类型
七、可编程控制器与其他工业系统的比较
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工业自动化三大支柱
? PLC ? CAD/CAM ? 机器人

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CAD
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Computer Aided Design,CAD 1972年10月,国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰 召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定 义: CAD是一种技术,其中人与计算机结合为一个 问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其 工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协 作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工 具,对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技 术文档等设计活动的总称.
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CAM
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Computer Aided Manufacturing

定义: 利用计算机来进行生产设备管理控制和操作 的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内 容,输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件) 和数控程序。

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机器人
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1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定 义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作 和移动功能,能完成各种作业的可编程操作 机。”

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工业机器人(通用及专用)一般指用于机械制造业中代 替人完成具有大批量、高质量要求的工作,如汽车制造、 摩托车制造、舰船制造、某些家电产品(电视机、电冰 箱、洗衣机)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧 焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、 码垛等作业的机器人。

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可编程序逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)
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通常称为可编程控制器,是以微处理器为基础, 综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发 展起来的一种通用的工业自动控制装臵

? ? ? ? ?

特点
体积小 功能强 程序设计简单 灵活通用
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维护方便 高可靠性 较强的恶劣工业环境适应能 力
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PLC
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PLC及其网络被公认为现代工业自动化 三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。 从*年的统计数据看,在世界范围内,PLC 产品的产量、销售、用量高居各种工业控 制装臵榜首,而且市场需求量一直在按每 年15%的比率上升。

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一、可编程控制器的定义
? 什么是PLC?
? 是一种工业控制装臵
? 是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的, 并逐渐发展成为以微处理器为核心,将自动化技术、 计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装臵。

? 通用叫法
? 中文名称为可编程控制器; ? 英文名称为Programmable Logic Controller,简称 PLC。
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一、可编程控制器的定义
? 1987年,国际电工委员会(IEC)定义: “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储 器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式 的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编 程控制器及其有关外围设备,都应按易于与工业系统联 成一个整体,易于扩充其功能的原则设计”。

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一、可编程控制器的定义
? 定义中有以下几点值得注意:
? (1)可编程控制器是“数字运算操作的电子装

臵”,它其中带有“可以编制程序的存储器”,
可以进行“逻辑运算、顺序运算、计时、计数和 算术运算”工作,可以设想可编程控制器具有计 算机的基本特征。事实上,可编程控制器无论从 内部构造、功能及工作原理上看都是不折不扣的

计算机。
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一、可编程控制器的定义
? (2)可编程控制器是“为工业环境下应用”而 设计的计算机。工业环境和一般办公环境有较大 的区别,PLC具有特殊的构造,使它能在高粉尘、 高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正 常工作。为了能控制“机械或生产过程”,它又 要能“易于与工业控制系统形成一个整体”,这 些都是个人计算机不可能做到的。可编程控制器 不是普通的计算机,它是一种工业现场用计算机。

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一、可编程控制器的定义
? (3)可编程控制器能控制“各种类型”的工业设 备及生产过程。它“易于扩展其功能”,也就是 说,它的程序并不是不变的,而是能根据控制对 象的不同要求,让使用者“可以编制程序”的。 可编程控制器较其以前的工业控制计算机,如单 片机工业控制系统,具有更大的灵活性,它可以 方便地应用在各种场合,它是一种通用的工业控 制计算机。

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二、可编程控制器的产生
? 可编程控制器的一般概念

? 可编程控制器问世以前,工业控制领域中以继电器 控制技术占主导地位 ? 特点 ?结构简单易懂 ?设备体积大 ?耗电多 ?可靠性差 ?寿命短 ?运行速度不高 ?通用性 ?灵活性差
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按钮开关
刀开关 熔丝

交流接触器
热继电器

交机电机

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继电器逻辑控制系统框图
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二、可编程控制器的产生
? 因为继电器逻辑电路配线复杂

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可编程控制器控制系统框图
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二、可编程控制器的产生
? 背景:
? 1968 年 美 国 通 用 汽 车 公 司 (GM),为了适应汽车型号 的不断更新,生产工艺不断 变化的需要,实现小批量、 多品种生产,希望能有一种 新型工业控制器,它能做到 尽可能减少重新设计和更换 继电器控制系统及接线,以 降低成本,缩短周期。
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二、可编程控制器的产生
? 1968年,GM公司提出十项设计标准:
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 编程简单,可在现场修改程序; 维护方便,采用插件式结构; 可靠性高于继电器控制柜; 体积小于继电器控制柜; 成本可与继电器控制柜竞争; 可将数据直接送入计算机; 可直接使用115V交流输入电压; 输出采用115V交流电压,能直接驱动电磁阀、交流接触器等; 通用性强,扩展方便; 能存储程序,存储器容量可以扩展到4KB。

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二、可编程控制器的产生
? 1969年,美国数字设备公司研制第一台可编程控制器, 并应用于工业现场。

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? 1971年,日本研制成了日本第一台可编程控制器。 ? 1973年,西德和法国也研制出了自己的可编程控制器并在 工业领域开始应用。 ? 我国从1974年开始研制,并于1977年开始工业应用。 ? 早期的可编程控制器是用来取代继电器控制的,其控制功 能主要是逻辑运算、计时、计数等顺序控制,因此人们称 之为可编程序逻辑控制器,简称为PLC或PC。 ? 20世纪70年代末到80年代初,微处理技术日趋成熟,使可 编程控制器的处理速度大为提高,同时增加了许多特殊的 功能,如:数值运算、函数运算、查表等,使得可编程控 制器不仅可以进行逻辑控制,而且还可以对模拟量进行控 制。因此,美国电器制造商协会NEMAC将其正式命名为 PC(Programmable Controller)。
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三、 可编程控制器的特点
?无触点免配线,可靠性高,抗干扰能力强 ? 为了满足PLC专为在工业环境下应用的要求, PLC采用了如下硬件和软件措施: ? (1) 光电耦合隔离和RC滤波器,有效地防止了 各类电磁干扰信号的进入。 ? (2) 采用内部电磁屏蔽,防止辐射干扰。 ? (3) 采用优良的开关电源,防止电源线引入的 干扰。

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? (4) 具有良好的自诊断功能。可以对CPU等内部电
路进行检测,一旦出错,立即报警。 ? (5) 对程序及有关数据用电池供电进行后备,一 旦电源断电或运行停止,有关状态及信息不会丢 失。 ? (6) 对采用的器件都进行严格筛选和老化处理, 排除了因器件可靠性问题而造成的故障。 ? (7) 采用了冗余技术进一步增强可编程控制器的 可靠性。对于大型的PLC,采用双CPU构成冗余系 统,或三CPU构成表决式系统。
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?通用性强,控制程序可变,使用方便 ?硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强

?编程简单,容易掌握
?系统的设计、安装、调试工作量少

?维修工作量小,维护方便
?体积小,能耗低.

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PLC的缺点
? 主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放 的:如专用总线、专家通信网络及协议,I/O模板 不通用,甚至连机柜、电源模板亦各不相同。 ? 编程语言虽多数是梯形图,但组态、寻址、语言 结构均不一致,因此各公司的 PLC互不兼容。 ? SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础, 在Windows*台下,结合IEC1131-3国际标准的 新一代开放体系结构的PLC。

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四、可编程控制器的应用领域

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可编程控制器的应用范围
? ? ? ? ? ? ? ? ? PLC应用形式的类型: 1.开关逻辑控制 2.模拟量控制 3.顺序(步进)控制 4.定时控制 5.计数控制 6.闭环过程控制 7.数据处理 8.通信和联网
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四、可编程控制器的应用领域

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四、可编程控制器的应用领域

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四、可编程控制器的应用领域

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四、可编程控制器的应用领域

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四、可编程控制器的应用领域

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五、可编程控制器的发展
? 高性能、高速度、大容量发展
? 为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速 度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可 达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一 个性能指标。
? 在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为 了扩大存储容量,有的公司已使用了磁泡存储器或硬 盘。

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五、可编程控制器的发展
? 向小型化和大型化两个方向发展
? 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配臵 更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的 超小型微型PLC,最小配臵的I/O点数为8~16点,以 适应单机及小型自动控制的需要。
? 大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发 展,使之能与计算机组成集成控制系统,对大规模、 复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达 14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU 并行工作和大容量存储器,功能强。
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五、可编程控制器的发展
? 大力开发智能模块,加强联网与通信能力
? 为满足各种控制系统的要求,不断开发出许多功能模 块,如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、 通信和人机接口模块等。
? PLC的联网与通信有两类:① PLC之间联网通信,各 PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;② PLC与计 算机之间的联网通信。 ? 为了加强联网与和通信能力,PLC生产厂家也在协商 制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统。
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五、可编程控制器的发展
? 编程语言多样化
? 在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越 来越丰富,功能也不断提高。
? 除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外,为了适 应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语 言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高 级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言并存、 互补与发展是PLC进步的一种趋势。

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六、可编程控制器的类型
? 按I/O点数分
? 小型PLC
? 中型PLC PLC ? 大型PLC

I/O点数为256点以下的为小型PLC
I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型 I/O点数为2048以上的为大型PLC

(其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC)

(其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC)

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六、可编程控制器的类型
? 按结构形式分
? 整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在 模块式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结 紧凑式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的 一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。 模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU 合起来。 模块中)以及各种功能模块。 ? 模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的 模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU 模块中)以及各种功能模块。
? 紧凑式PLC 合起来。 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结

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六、可编程控制器的类型
? 按功能分
? 低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控 等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传 送和比较、通信等功能。 ? 中档PLC 具有低档PLC功能外,增加模拟量输入/输出、算术运 算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网 等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。
? 高档PLC 具有中档机功能外,增加带符号算术运算、矩阵运算、 位逻辑运算、*方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格 传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。

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七、可编程控制器与其他工业系统的比较
1. PLC与继电器控制系统的比较

传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。继电器 控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的,采用硬 接线方式装配而成,只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功 能,一旦生产工艺过程改变,则控制柜必须重新设计、重新配线。 而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术,各种控制功能都是 通过软件来实现的,因此只要改变程序并改动少量的接线端子, 就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、 安装、维护等各方面进行比较,PLC都有显著的优势。因此在用 微电子技术改造传统产业的过程中,传统的继电器控制系统大多 数将被PLC所取代。
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2.

PLC与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求

发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼 容性强,并且软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,故

对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的
控制占有优势。但是,使用工业控制机控制生产工艺过程,要求 开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。 PLC最初是针对工业顺序控制应用发展而来的,硬件结构专 用性强,通用性差,很多优秀的微机软件也不能直接使用,必须

经过二次开发。但是,PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语
言编程,易学易懂,便于推广应用。
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从可靠性方面看,PLC是专为工业现场应用而设计的,结构 上采用整体密封或插件组合型,并采取了一系列抗干扰措施,具 有很高的可靠性。而工控机虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠 运行,但毕竟是由通用机发展而来的,在整体结构上要完全适应 现场生产环境,还要做不少工作。另一方面,PLC用户程序是在 PLC监控程序的基础上运行的,软件方面的抗干扰措施在监控程 序里已经考虑得很周全,而工控机用户程序则必须考虑抗干扰问 题,一般的编程人员很难考虑周全。这也是工控机应用系统比 PLC应用系统可靠性低的原因。

尽管现代PLC在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方 面有了很大提高,但在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求 较高的环境中,工业控制机则更能发挥其专长。
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3.

PLC与集散控制系统的比较
集散控制系统又称分散控制系统,它是专门为工业过程控

制设计的过程控制装臵。它的主要应用场合是连续量的模拟控制, 而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此,它们在设计 思想上是有一定区别的。

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PLC是按扫描方式工作的,而集散控制系统是按用户的程序
指令工作的。因此,PLC对每个采样点的采样速度是相同的;而 在集散控制系统中,可根据被检测对象的特性采用不同的采样 速度,例如,对流量点的采样周期是1 s,对温度点的采样周期 是20 s等。此外,在集散控制系统中,可有多级优先级中断的 设臵,而PLC通常不采用中断方式。在存储器的容量上,由于 PLC所需的运算大多是逻辑运算,因此,所需的存储器容量较小,

而集散控制系统需进行大量的数学运算,所以存储器容量较大。
在运算速度方面,模拟量的运算速度可较低,而开关量的运算 需要有较高的速度。
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除了部分分散过程控制装臵安装在现场,需要按现场的工 作环境设计外,集散控制系统是按照安装在控制室设计的,而 PLC是按照现场工作环境的要求设计的,对元器件的可靠性方 面有专门的考虑,在可靠性方面两者都有较高的要求。

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本章小结
本章主要介绍了可编程控制器的定义、可编程控制器产 生的背景、可编程控制器的特点、可编程控制器的应用领域、 主要类型、发展趋势及概况。

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PLC为什么用量高居首位?
? 工业自动化系统通常分成三类: ? 控制开关量的逻辑装臵 ? 控制慢连续量的过程控制系统 ? 控制快连续量的运动控制系统 ? ? ? ? ? 在传统上对于这三种控制系统用不同的控制装臵。 逻辑控制用电控制(电气控制装臵即继电器接触器控制) 过程控制用仪表装臵(电动单元组合仪表) 运动控制用电传装臵(电气传动控制装臵)。 所谓三电就是指的是电控、电仪、电传。
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关于PLC的讨论
? 在一家工厂、一个车间、一个工段,甚至在 一台设备上,这三种设备常常并存在一起,单设 备各不相干。这主要是因为这三种控制装臵相差 太远,无法兼容。长久以来,人们一直希望能把 他们用一种控制装臵统一起来,协调地进行控制。 这对于提高生产效率,保证产品质量,实现优化 控制无疑是很有意义的。把三电合成于一体就叫 做三电一体。

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关于PLC的讨论 ? 从现代控制装臵来看,无论是逻辑控 制、过程控制还是运动控制都使用的是计算 机开发的控制装臵,计算机成为三电一体的 物质基础。

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关于PLC的讨论
? 有两种实现三电一体化的思路: ? 一种思路是在网络一级实现三电一体化,逻辑控制装臵、 过程控制装臵、运动控制装臵尽管各不相同,但如果它们 都可以连入同一网络,则网络就成了三电同一的载体,在 网络一级实现了三电一体化。 ? 另一种思路是在控制装臵一级实现三电一体化,控制装臵 既有逻辑控制功能,又有过程控制功能,还有运动控制功 能。 ? DCS(distrabuted control system)系统沿着前一种思 路发展三电一体化,他花费较大,适合于大型自动控制系。 ? PLC则沿着后一种思路发展三电一体化,他灵活机动,三 电一体集成度较高,适合于各种规模自动控制系统。
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关于PLC的讨论 ? 为什么PLC有能力在装臵一级集三电于 一体,而专门用于过程控制的计算机控制 装臵实现三电一体却比较困难呢?

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关于PLC的讨论
? 第一是PLC是以控制开关量起家的,他采用循 环扫描方式,为了不丢失输入信号,要求循环扫 描周期越短越好,这就使得在PLC中配臵的处理器 性能好,速度快。这些高性能的微处理器本身有 很大的潜能,早期PLC只利用速度快这一条,其他 潜能并没有得到充分得利用。后来发现处理好不 同性质的实时多任务的调度,在PLC中加入针对慢 连续量的过程控制并不困难。反过来,针对慢连 续量的过程控制计算机,改成周期循环扫描并加 入大量开关控制却是力不能及的。

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关于PLC的讨论
? 第二个是大中型PLC中普遍采用了多微处理 机结构进行多道处理。例如西门子的S5-155U, S5-153U内最多配臵4个CPU加一个协处理器德州 仪器公司的T1565,可编程控制器最多可装入8台 MC68000的处理器,这使得PLC不仅速度快,而且 可以独立各自处理不同问题,也可分解协调,共 同处理非常复杂的问题。

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关于PLC的讨论
? 第三个是PLC配臵着大量内含CPU的智能模板, 有些专用于PID控制,有些用运动控制,有些用于 高速记数,有些用于联网通信,他们采用模块结 构,通过背板并行总线连成有机的整体,所有这 一切为PLC在装臵一级实现三电一体奠定了坚实的 基础。 ? 当然从目前看,PLC在装臵一级的三电一体化 并不是很完善的,复杂过程控制还欠缺一些,运 动控制能力也还不全面,这些都有待于进一步开 发。尽管如此,在装臵一级实现三电一体化本身, 使得PLC在竞中居于强有力的地位。
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