PLC的特殊功能及应用场景

1.PLC特殊功能的特点与实现形式

（1）PLC特殊功能的特点 不断开发各种特殊功能与特殊功能模块，是当代PLC区别于传统PLC的重要标志之一。随着PLC技术的发展，其应用领域正在日益扩大。目前，PLC除在传统的逻辑控制、顺序控制等通用领域广泛应用外，在过程控制、运动控制等特殊领域也已经被大量应用。特殊功能与通用功能比较，其主要区别在于程序处理方式、控制对象、控制范围3个方面。

1）程序处理方式。作为PLC的特殊功能与特殊功能模块，为了提高处理速度，CPU对程序的处理可以不使用常规的“循环扫描”方式，用户程序的执行不再需要经过输入采样、执行指令、输出刷新3个阶段，而是直接由PLC的操作系统进行处理。PLC的集成中断处理、高速计数与高速脉冲输出功能即属于这一范畴。

对于部分特殊功能模块，其本身就带有独立的处理器、存储器等基本硬件与必要的软件，有的模块还可以独立使用，此类模块通常称为智能模块。PLC对智能模块的控制，只需要在用户程序中调用标准程序块（通常由SIEMENS公司提供，用户只需要在程序中调用），并通过标准程序块向模块发送必要的控制指令或检测其处理结果。

因此，总的来说，PLC特殊功能的处理速度通常比普通的顺序逻辑控制程序的处理速度更快，可以用于高速系统的控制。

2）控制对象。通过使用特殊功能与特殊功能模块，PLC的控制对象可以从传统的开关量逻辑运算扩展到模拟量检测、控制等以往需要通过集散控制系统（DCS）解决的领域，还可以扩展到位置检测、位置控制、轨迹控制等以往需要通过数控系统（CNC）解决的领域。如S7系列PLC在这方面的特殊功能主要有模拟量输入（A/D转换）、模拟量输出（D/A转换）、模拟量闭环调节（PID调节）、位置检测、位置控制、多轴插补等。

3）控制范围。使用特殊功能与特殊功能模块，PLC的控制范围可以超出控制对象本身，如借助于网络与通信手段，PLC可以与外部设备进行信息交换，实现网络链接与数据通信。S7系列PLC在这方面的特殊功能主要有各种通信处理功能、网络链接功能等。

（2）特殊功能的实现形式 为了降低成本、增强用户使用的灵活性，在PLC中经常将某些简单的功能，如高速计数、脉冲输出、模拟量输入/输出等，直接集成于PLC的CPU模块（或基本单元）上，此类实现形式统称为“PLC集成功能”。

由于PLC结构、成本等方面的限制，集成功能的应用范围通常较狭隘，功能也相对较简单，多用于中小规格的PLC。如S7-200系列与S7-300系列中的紧凑型PLC模块即具备中断控制、高速计数、脉冲输出、模拟量输入/输出等简单特殊功能。

对于过程控制、位置控制等场合所需要的复杂功能，一般都需要通过专门的模块才能实现。此类模块被称为特殊功能模块或功能模块。

当采用特殊功能模块时，模块可以直接安装于PLC的机架上，或与PLC的扩展接口进行连接，以构成集中式PLC控制系统。

根据不同的用途，特殊功能模块的内部组成与功能相差甚大。部分特殊功能模块本身就带有独立的处理器（CPU）、可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）、存储器等组件。模块既可以通过PLC进行控制，也可以独立使用，甚至还可利用PLC的I/O模块进行输入/输出点的扩展，其性能与独立的控制装置相当。

2.特殊功能的分类

从功能用途上，PLC的特殊功能大致可以分为计数、脉冲输出与位置控制类，A/D、D/A转换类，温度测量与控制类，通信网络类等四大类。特殊功能模块的品种与规格可以多达数十种（根据PLC型号与模块用途而不同）。

（1）计数、脉冲输出与位置控制类 高速计数、脉冲输出是PLC的常用功能。高速计数功能用于速度、位置等系统的转速、位置测量，它可以对来自编码器、计数开关等的输入脉冲信号进行计数，从而获得实际控制系统的转速、位置的实际值，以供PLC运算、处理使用（见图4-33）。

图4-33 高速计数功能的应用

脉冲输出与位置控制功能用于自动定位控制，它可以将PLC内部的位置给定值转换为输出脉冲数与频率可变的速度、位置脉冲输出，达到改变速度、位置的目的。

当脉冲输出为集成功能时，输出形式一般为集电极开路晶体管驱动输出；当采用功能模块时，脉冲输出的形式可以是差动输出、集电极开路晶体管输出或者通过高速总线输出，驱动器可以是步进电动机驱动器或交流伺服驱动器，但必须具有位置控制功能，并且能够直接接受位置脉冲输入信号或是总线信号（见图4-34）。

图4-34 脉冲输出、位置控制功能的应用

a）脉冲输出型 b）总线控制型

对于简单控制系统的少量要求不高的高速计数与脉冲输出，通常可以选用具有集成I/O的PLC-CPU模块，但在需要进行多点、极高频率的计数与脉冲输出，或是实现较复杂位置控制的场合，需要选用专门的功能模块。(www.xing528.com)

此外，为了对简单的位置控制系统进行控制，在S7系列PLC中还可以选用FM351、FM352等简易位置控制模块。此类模块本身不具备脉冲输出功能，但模块的位置测量功能完善，它们可以根据不同的定位控制要求，以开关量的形式输出简单的控制信号（如高低速转换信号、正反转信号等），控制普通电动机、变频电动机等，构成简易位置开环控制系统或代替传统的凸轮控制器使用。

当高速计数、高速脉冲（或速度给定模拟量）输出功能合成后，便可以实现闭环位置控制系统的偏差计算、位置控制等功能，代替单轴位置控制器。在模块具备多轴控制功能时，还可以控制坐标轴进行插补运算，从而实现运动轨迹控制的功能，在局部范围内代替数控系统（CNC）的功能。以上模块被称为定位控制模块，如西门子的FM353、FM354、FM357-2即属于其中的代表。

（2）模拟量转换与闭环控制类 模拟量转换包括A/D、D/A转换（也称模拟量输入/输出），功能模块主要包括模拟量输入模块（A/D转换）、模拟量输出模块（D/A转换）以及模拟量输入/输出混合模块3类。当采用功能模块时，可以根据所需要的输入/输出点数（通道数量）、转换精度（转换位数、分辨率）选用不同的规格。对于简单系统的少量A/D、D/A转换，也可以通过CPU集成的模拟量输入/输出功能附带于PLC的CPU模块上。

A/D转换的作用是将来自过程控制的传感器输入信号，如电压、电流等连续变化的物理量（模拟量）直接转换为一定位数的数字量信号，以便PLC内部的数学运算指令对其进行运算与处理（见图4-35）。

D/A转换的作用是将PLC内部的数字量信号转换为电压、电流等连续变化的物理量（模拟量）输出。它可以用作变频器、伺服驱动器等控制装置的速度、位置给定输入，或用来作为外部仪表的显示信号（见图4-36）。

图4-35 A/D转换的应用

图4-36 D/A转换的应用

A/D、D/A转换可以结合PLC内部的PID调节功能一起使用，实现对模拟量控制系统的闭环调节与控制。

当A/D、D/A转换与PID调节器等功能合成后，便可以直接作为闭环模拟量控制系统的偏差计算、调节器部分，在闭环控制系统中使用，此类模块称为闭环控制模块，如西门子的FM355、FM355-2即属于其中的代表。

（3）温度测量与控制类PLC用于温度测量与控制的功能模块包括温度测量与温度控制两类。温度测量功能可以将来自过程控制的热电偶、铂电阻等温度测量元件的输入信号，转换为一定位数的数字量，以供PLC内部进行运算、处理（见图4-37）。

温度测量模块实质上是模拟量输入的一种，只是其变化量一般为电阻值，传感器本身为无源检测元件，需要PLC提供测量电源，因此，在PLC中经常将温度测量与模拟量输入功能集成在同一模块中。

温度控制功能可以将来自过程控制的温度测量输入与系统的温度给定信号进行比较，并通过可编程的PID调节与模块的自动调谐功能，实现温度的自动调节与控制。温度测量元件可以是热电偶、铂电阻等。在温度控制功能模块中，还可以输出对应的温度控制信号（触点输出、晶体管输出等），以控制加热器的工作状态（见图4-38）。

图4-37 温度测量功能的应用

图4-38 温度控制功能的应用

（4）通信网络类 通信网络类集成功能与功能模块包括串行通信、远程I/O主站、AS-i主站、Ethemet网络连接、PROFIBUS网络连接等。西门子的工业自动化通信网络如图4-39所示，根据不同的网络与连接线的形式，有多种规格可供灵活选择。

图4-39 西门子的工业自动化通信网络