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可編程序控制器（plc）應用綜述

phrem Ryan Alphonsusa, Mohammad Omar Abdullah

摘要
著自動化需求的顯著增加，控制系統需要易於編程、靈活、可靠、健壯和成本效益高。本文綜述了可編程序控制器（PLC）在我國目前市場上的應用。本文綜述了可編程邏輯控制器（PLCs）在能源研究、工程研究、工業控制應用和工廠監控等領域的應用研究進展。可編程邏輯控制器確實有其自身的局限性，但研究結果表明，可編程邏輯控制器的優勢大於局限性。無論是簡單的控制系統還是複雜的控制系統，可編程邏輯控制器都可以應用於任何場合。

1、簡介
可編程邏輯控制器（PLC）是一種基於計算機的固態單處理器設備，能夠模擬電動梯形圖的行為，能夠控制多種工業設備和整個自動化系統。可編程邏輯控制器通常是工業自動化系統的主要組成部分[3]。它們在製造業、化學工業和過程工業中涉及順序控制和過程與輔助元素同步的應用中非常有效和可靠[4,5]。它除了具有使用PLC的技術優勢外，還降低了先進水平和複雜控制系統的價格[5-7]。如今，大多數用於執行系統邏輯的控制元件都被可編程邏輯控制器取代了[8]。

使用術語邏輯是因為編程主要涉及實現邏輯和開關操作。被控制的輸入設備（如開關）和輸出設備（如電機）連接到可編程邏輯控制器，然後控制器根據機器或過程監控輸入和輸出[9]。最初，可編程邏輯控制器被設計成硬接線繼電器和定時器邏輯控制系統的替代品。（硬接線意味著所有部件都是通過電線手動連接的）。PLC由PLC硬體和編程兩部分組成。硬體和編程的細節將分別在第3節和第4節中討論。

可編程邏輯控制器最早在20世紀60年代末被汽車工業使用[2,10–13]，其自動化設備主要由由機電繼電器和面板上硬接線的線圈組成的離散不靈活電路控制。通用汽車公司開發了一種可編程控制器的規範，它可以取代硬接線繼電器電路[2,11,12]。最激進的想法是實現一種基於繼電器原理圖的程式語言，輸入（來自限位開關、按鈕等）由繼電器觸點表示，輸出（至電磁閥、電機起動器、燈等）由繼電器線圈表示[12]。圖1（a）示出了一個簡單的液壓缸，它可以通過按鈕來伸縮。行程由行程結束時打開的限位開關設定，只有在液壓泵運行時才能操作電磁閥。這將由圖1（b）的電腦程式控制，該程序與控制氣缸所需的繼電器電路相同。這些程序看起來像梯子上的橫檔，因此被稱為「階梯圖」。

20世紀60年代中期，通用汽車公司（General Motors Corporation）旗下的Hydramatic公司設想，可以使用計算機執行邏輯功能，然後由繼電器執行[2]。工程團隊寫了一份擬議的計算設備的特性清單。通用汽車通過指定特定的設計標準，啟動了計算設備的開發，包括：

• 設備必須耐用，以便在工廠遇到的惡劣環境（髒空氣、溼度、振動、電氣噪音等）下運行
• 它必須提供靈活性，通過軟體更改快速方便地實現電路修改
• 設計時必須使用技術人員和電工已經熟悉的梯形圖形式的程式語言
• 它必須允許現場接線端接在控制器的輸入/輸出端子上。

通用汽車在招攬感興趣的公司開發符合其設計要求的設備時，使用了這一規格清單。Dick Morley於1968年1月1日構思出第一個可編程控制器[14]。當他的公司Gould Modicon公司開發出第一臺PLC[2,11,14]時，第一臺084型PLC安裝在通用汽車公司的Oldsmobile分部和賓夕法尼亞州蘭迪斯的Landis公司。第一臺可編程邏輯控制器大而昂貴。它們只能進行開關控制，這將它們的應用局限於需要重複運動的操作。

微處理器技術和軟體編程技術的創新和改進為PLC增加了更多的功能和能力。這種增強使PLC能夠以更高的速度執行更複雜的運動和過程控制應用程式。

目前，有十幾家製造商生產可編程邏輯控制器，見表1。這些公司中的大多數都製造了幾種型號，它們在尺寸、成本和複雜程度上有所不同，以滿足特定應用的需要。

2.個人計算機（PC）與PLC
可編程邏輯控制器的最初設計被稱為可編程控制器，或PC[14]。直到個人電腦被廣泛使用，同時也採用了PC機的縮寫，這個縮寫才引起了混淆。為避免混淆，可編程序控制器行業在標題中增加了「邏輯」一詞，產生了可編程序控制器這一新名詞。

現代可編程邏輯控制器是一種基於計算機的裝置，用於控制一個過程[1,15]。它將來自監控過程狀態的傳感器的信息與能夠改變過程狀態的一些執行器的狀態聯繫起來。雖然可編程邏輯控制器（PLC）和個人計算機（PC）都是計算機，但它們之間有一些顯著的區別[10,14,16]。

讓我們看看相似之處。PC和PLC系統的架構是相似的，都具有主板、處理器、內存和擴展插槽[14]。
不同之處在於，可編程邏輯控制器處理器有一個微處理器晶片，通過並行地址、數據和控制總線連接到存儲器和I/O（輸入/輸出）晶片。通常，可編程邏輯控制器沒有可移動或固定的存儲介質，如軟盤和硬碟驅動器，但它們有固態存儲器來存儲程序。可編程邏輯控制器沒有監視器，但通常使用人機界面（HMI）平板顯示器來顯示過程或生產機器的狀態。它們還配備了用於輸入和輸出現場設備的終端以及通信埠。另一方面，個人計算機在家庭、辦公室做許多工作，是一種複雜的計算機器，能夠以任何順序同時執行多個程序或任務，但可編程邏輯控制器只能以有序和順序的方式形成最後的指令,控制生產機器和過程。任何用於工業用途的計算機必須能夠承受極端的溫度和溼度[14,16]：忽略電源線上的電壓尖峰和電壓下降；在通常含有腐蝕性蒸汽、油和汙垢的大氣中生存；並能承受衝擊和振動。
PLC控制系統的設計易於安裝和維護。通過使用程式設計師屏幕上顯示的故障指示燈和消息，可以簡化故障排除。用於連接現場設備的輸入/輸出模塊易於連接和更換[16]。
可編程邏輯控制器被設計成用示意圖或梯形圖編程，而不是用通用的計算機語言[1,10,14,16,17]。可編程邏輯控制器帶有內置在其存儲器中的程序語言（圖2-5）。




3.可編程邏輯控制器硬體
現代版本的梯形邏輯系統是可編程控制器。所有的可編程邏輯控制器系統都由相同的基本構建塊組成，這些基本構建塊檢測輸入數據，對其進行處理，並控制各種輸出[2]。基本的塊為：

• 機架裝配
• 電源
• 編程設備
• 輸入/輸出部分
• 中央處理器

3.1 機架組件
大多數具有大量輸入和輸出終端的可編程控制器是通過使用各種模塊來構造的。這些模塊包括電源、處理器單元和輸入/輸出模塊[2]。Allen-Bradley控制器對PLC機箱和機架進行了區分[16]。包含輸入/輸出（I/O）模塊、處理器模塊和電源的硬體部件稱為機箱。模塊安裝在機架中。PLC機架具有多種功能。它在物理上將模塊固定在適當的位置，並通過使用背面的印刷電路板或機架組件提供模塊之間的電氣連接[2,14,16]。
模塊很容易插入機架上的通道。它們安裝在主板上的插座中，與其他電路進行電氣接觸。將模塊插入機架的能力允許維護人員快速更換有缺陷的單元。

3.2 電源供應
電源向插在機架上的其他模塊提供直流（DC）電源，如圖6所示。對於更大的系統，現場設備的電源由外部交流（AC）或直流電源提供。對於一些小型微型可編程邏輯控制器系統，電源可用於為現場設備供電[2,16]。

3.3 編程單元/設備/終端
編程終端或加載終端用於對CPU進行編程[2,10,14,16]。使用的終端類型取決於製造商，通常取決於客戶的偏好。有些是小型手持設備，使用液晶顯示器或發光二極體來顯示程序。其中一些小單元將一次顯示一行程序，而另一個單元則要求用一種稱為布爾語言的語言輸入程序（圖7）。

另一種編程終端包括顯示器和鍵盤，如圖8所示。這種類型的終端通常一次顯示多行程序，可用於觀察電路在運行時的運行情況[19]。許多行業喜歡使用筆記本電腦或筆記本電腦進行編程，如圖9所示。允許計算機連接到可編程邏輯控制器和軟體程序輸入的接口通常可從可編程邏輯控制器的製造商處獲得[10]。


3.4 輸入/輸出部分
PLC的I/O部分是所有現場設備連接的部分，並提供它們與CPU之間的接口。輸入/輸出配置內置於固定的可編程邏輯控制器中，而模塊化類型使用插入可編程邏輯控制器的外部輸入/輸出模塊[16]。

可編程邏輯控制器中使用的I/O接口可以有兩種形式：固定式和模塊式[14]。固定類型與小型或微型可編程邏輯控制器系統相關聯，所有功能集成到一個單元中。每個型號的I/O埠數都是固定的，不能更改。模塊化類型使用機架來容納I/O模塊，因此I/O模塊的數量和類型可以變化。

輸入接口模塊接收來自機器或處理設備的信號，並將其轉換為控制器可以使用的信號[16]。輸出接口模塊將控制器信號轉換為用於控制機器或過程的外部信號。I/O系統在現場的硬接線組件和CPU之間提供接口。輸入接口允許將有關進程的狀態信息傳送給CPU，從而允許CPU通過輸出接口將操作信號傳送給其控制下的進程設備。

3.4.1 輸入模塊
計算機內部通常在5伏直流電下工作。外部設備（螺線管、電動機起動器、限位開關等）在高達110伏的交流電壓下工作。這兩種電壓的混合將對可編程邏輯控制器電子元件造成不可修復的損壞。可編程邏輯控制器的中央處理單元對電壓尖峰和電噪聲極為敏感。[10] 是的。因此，I/O使用光隔離來電分離來自CPU的輸入信號[10、12、14、16]。

3.4.2 輸出模塊
輸出模塊用於將中央處理器連接到負載。輸出模塊提供CPU和外部電路之間的線路隔離。隔離通常以兩種方式之一提供。最受歡迎的是與輸入模塊所用的光學隔離非常相似。在這種情況下，CPU控制發光二極體[10]。它是一種固態裝置，用於將負載連接到線路上。如果負載由直流電操作，則使用功率光電電晶體將負載連接到線路。如果負載是交流設備，則使用三端雙向可控矽將負載連接到線路。沒有電壓尖峰或電噪聲可以傳輸到CPU（圖10-14）。




3.4.3 離散I/O模塊
最常見的I/O接口模塊類型是離散型，如圖15所示。此類接口連接具有開/關性質的現場輸入設備，如選擇器開關、按鈕和限位開關[16]。同樣，輸出控制僅限於需要簡單開關的設備，如燈、繼電器、螺線管和電機起動器。

3.4.4 模擬輸入/輸出模塊
早期的可編程邏輯控制器僅限於離散或數字I/O接口，僅允許連接開/關型設備。這種限制意味著PLC只能部分控制許多過程應用。如今，模擬接口已經可用，允許控制器應用於幾乎任何類型的控制過程[16]。圖15示出了如何使用PLC模擬輸入和輸出模塊來測量和顯示油箱中的液位。
由PLC模擬模塊測量的常見物理量包括溫度、速度、液位、流量、重量、壓力和位置。

3.4.5 特殊I/O模塊
為了滿足特殊需要，開發了許多不同類型的I/O模塊。其中包括[16]：
i 高速計數器模塊
ii 指輪模塊
iii 編碼器計數器模塊
iv 基本或ASCII模塊
v 步進電機模塊
vi BCD輸出模塊
vii PID模塊
Ⅷ 運動和位置控制模塊
Ⅸ通信模塊

3.5 中央處理器
CPU協調和控制整個可編程控制器系統的操作。處理器模塊通常位於機架組件的一側。它包含集成電路晶片，集成電路晶片包括一個和多個微處理器、存儲器晶片以及能夠將數據存儲到存儲器中並從存儲器中檢索的電路[2]。
處理器主要由三部分組成：中央處理器（CPU）、算術邏輯單元（ALU）和存儲器。
中央處理單元是可編程邏輯控制器的大腦。CPU的主要功能是解釋和執行永久存儲在處理器內存中的基於計算機的程序。這些程序由可編程邏輯控制器製造商編寫，以使用PLC代替其它程式語言執行梯形邏輯。CPU協調ALU和內存的操作[2]。例如，基於軟體程序，CPU決定應該在ALU和內存中做什麼，以及什麼時候應該做。CPU還執行其他功能，例如自診斷例程，以確定PLC是否正常工作，以及與外圍設備和其他處理器的通信。
ALU的功能是執行數學計算和生成邏輯函數。
處理器的存儲器功能存儲CPU執行各種操作所需的程序和數據。內存根據其執行的功能被組織成幾個部分。
執行程序是永久存儲在ROM存儲器設備中的系統程序的集合。這些程序使CPU能夠理解從操作員編寫的程序指令接收到的命令。
當CPU執行各種操作，如邏輯分析、數據操作或數學函數時，在執行計算或作出決定時，有必要臨時保存數據。臨時存儲處理器使用的二進位信息的工作區是草稿行。RAM型存儲晶片用於執行便箋簿操作。RAM存儲器是易失性的，這意味著如果切斷這些晶片的電源，內容將丟失。

4.PLC編程
可編程邏輯控制器廣泛應用於自動化控制領域。他們驅動裝配線、機器人和整個化工廠。網絡系統可以很好地與PLC應用結合，實現各種功能[21]。標準IEC 61 131-3為可編程邏輯控制器定義了許多程式語言[22]。這些語言從具有強大結構可能性的高級圖形語言到接近電路設計或機器語言的低級語言。
對PLC編程的最常見方法是以繼電器邏輯梯形圖的形式設計所需的控制電路，然後將該梯形圖輸入編程終端[11]。編程終端能夠將梯形圖轉換成數字代碼，然後將該程序發送到存儲在存儲器中的PLC。除梯形圖（圖16）外，還有其他編程可編程邏輯控制器的方法。

下面，圖17和18是使用Omron開發的CX-One程式設計師軟體進行梯形圖編程的示例。

5 . 其他可編程設備
控制器是閉環系統的一個組成部分，它處理信息以執行決策功能。控制器可以被認為是一種大腦，它可以使自動化系統在沒有人為幹預的情況下運行[2]。
在一個閉環控制系統中，控制器用於連續比較系統的輸出與所需條件，並將誤差轉換為控制動作以減小誤差。錯誤可能是由於所控制的條件發生了某些變化，或是因為設定值發生了變化，例如，系統有一個步驟輸入，將設定值更改為新值[9]。
然後是微控制器，這是學習電子和編程的首選工具，也提供了創建複雜應用程式所需的功能，既便宜又容易[24]。

5.1 控制模式
控制單元可以通過多種方式對錯誤信號作出反應，並為校正元件提供輸出[9]：
**Ⅰ一種兩步或開關控制模式，**在這種模式下，控制器本質上只是一個由錯誤信號激活的開關，只提供一個輸出/輸出校正信號
Ⅱ 產生與誤差成比例的控制動作的比例模式（P）。因此，校正信號越大，誤差越大。因此，當誤差減小時，校正量減小，校正過程減慢
Ⅲ 產生與誤差變化率成比例的控制作用的微分模式（D）。當誤差信號發生突變時，控制器發出一個大的校正信號；當誤差信號發生突變時，只產生一個小的校正信號。微分控制可以看作是一種預期控制形式，它是在測量現有的誤差變化率的基礎上，在較大的誤差出現之前，對未來較大的誤差進行預測和修正。微分控制不是單獨使用的，但總是與比例控制和積分控制結合使用。
**Ⅳ 積分模式（I），**產生與誤差隨時間的積分成比例的控制作用。因此，恆定誤差信號將產生增大的校正信號。只要錯誤持續存在，更正就會繼續增加。積分控制器可以被認為是「回頭看」，總結所有的錯誤，從而對已經發生的變化作出反應。
**Ⅴ 模式組合：**比例加微分（PD）模式、比例加積分（PI）模式、比例加積分加微分（PID）模式。術語三用於PID控制。

5.2 可編程器件
在本節中，我們將簡要討論工業中可用的各種類型的可編程設備
**Ⅰ PID控制器-**一種可模擬或數字的比例積分微分控制器[11]
Ⅱ 自適應控制器——能夠監控自身輸出並對增益常數（kpki和KD）進行微小變化的控制器[9,11]
**Ⅲ PIP控制器-比例積分預覽（PIP）**控制器是一個系統，它在當前輸出中包含未來路徑的信息[11]。許多系統都提供了這些信息-要麼整個路徑存儲在內存中，要麼系統配備了預覽傳感器。
Ⅳ 模糊邏輯控制器——模糊邏輯是人工智慧的一種形式，它使計算機能夠模擬人類的推理[2,9,11]。推理是從已知到未知的過程。確定性推理的一個例子是使用「if-then」規則。非確定性推理允許我們根據概率進行預測。模糊邏輯是1965年在伯克利工作的L.A.Zadeh提出的。
Ⅴ 外圍接口控制器（PIC）微控制器（MCU）-PIC微控制器，用於輕鬆有效地創建任何應用程式。PIC單片機可以使用彙編語言BASIC和C[24]編程。
Ⅵ 可編程邏輯陣列（PLA）–基於邏輯功能可以以產品總和形式實現的思想，PLA包括一個集合和與門，該集合和與門提供一組或門[25–27]
Ⅶ 可編程陣列邏輯（PAL）-在PLA中，AND和OR計劃都是可編程的。歷史上，可編程開關給這些器件的製造商帶來了兩個困難：它們很難正確製造，並且降低了在pla中實現的電路的速度性能。這些缺點導致了類似設備的開發，在這種設備中，和平面是可編程的，但或平面是固定的[25]。
Ⅷ 複雜可編程邏輯器件（CPLD）——對於需要更多輸入和輸出的電路的實現，可以使用CPLD。CPLD在單個晶片上包含多個電路塊，內部布線資源用於連接電路塊。
Ⅸ 現場可編程門陣列（FPGA）-是一種可編程邏輯器件，支持實現相對較大的邏輯電路。FPGAs不包含AND和OR平面。相反，FPGAs提供了實現所需功能的邏輯塊。

6 PLC應用
可編程邏輯控制器已經廣泛應用於許多領域，如泵送系統、電機控制、能源研究、系統監控等。下文將討論一些具體的應用。
6.1 水和廢水管理控制
Bayindir&cetinciz（2011）[3]描述了一個水泵控制系統，該系統是為生產工廠設計的，並在實驗室的實驗裝置中實現，圖19。這些工廠所處的環境惡劣，存在化學物質、振動或活動部件，可能會損壞作為控制系統一部分的電纜或電線。此外，數據必須通過公眾可訪問的路徑傳輸。它使用的控制系統是PLC和工業無線區域網（IWLAN）技術。它由一個PLC、一個通信處理器（CP）、兩個IWLAN模塊和一個分布式輸入/輸出（I/O）模塊以及水泵和傳感器實現。系統通信基於工業乙太網，使用標準傳輸控制協議/網際網路協議進行參數化、配置和診斷。PLC的主要功能是根據水箱水位，使用壓力變送器和指示水箱水位的限位開關的輸入，向水泵發送數位訊號，使其打開或關閉。

拉莫斯等人。（2010）[28]利用可編程邏輯控制器開發了基於標準變頻器[SFCs]的光伏泵送系統[PVPS]的改進。基於SFCs的pvp由於其在組件可靠性、低成本、高功率範圍和組件在世界任何地方的良好可用性等方面的高性能，目前對在偏遠地區實施的泵送程序越來越感興趣。然而，在實際應用中，出現了一些與SFCs適應PVPS要求有關的問題。專用pvp的另一個缺點是難以實現最大功率點跟蹤（MPPT）。在測試的基礎上，用PLC來解決這些問題。PLC不增加系統的成本和複雜度，但提高了SFC對光伏水泵系統的適應性，提高了系統的整體性能。

Punal等人。（1999）[29]採用先進的PLC-PC組合系統對某工業中試裝置的運行進行了工業中試厭氧汙水處理（AWT）的研究。系統運行靈活可靠。可編程邏輯控制器有自己的設定值，即使在計算機中的控制單元出現故障時，也能方便地控制設備。在PC機上開發和實現的軟體允許正確的信號採集、濾波以避免噪聲、存儲以檢索信息。

Manesis，Sapidis和King（1998）[30]研究了一種汙水處理廠智能控制系統，該系統由模糊系統和PLC組成。他們的研究結果表明，他們使用帶有模糊控制器的可編程序控制器是有利的，而且潛力是無限的。

Fantozzi等人。（2014）[31]研究了ICT解決方案在歐洲高效水資源管理方面的實施情況。管理層涉及傳感器、監測、自動化和控制等領域。可編程邏輯控制器控制裝有變頻驅動器（VFD）的泵，VFD改變驅動泵的頻率，以調節或改變泵的輸出。

Jie等人開發了基於PLC控制系統的供水管網大用戶抄表系統(2011) [32]. 本文主要研究了一種由齒輪旋轉到實際開關脈衝信號的簡單設計轉換，由PLC採集並存儲。所有數據都可以在採樣期（如10天或更短）後由計算機從可編程邏輯控制器（PLC）讀取。

史密斯等人。（2005）[33]設計一個通用控制系統，用於優化淹沒式膜混合反應器的反衝洗持續時間。PLC控制系統的實現。史密斯等人。（2006）[34]還設計了膜系統中反洗啟動的新方法。

6.2 能源研究
可再生能源的研究已經進行了幾十年。目前，隨著對化石能源的高度依賴和臭氧層損耗的主要原因，其他類型的可再生能源已經得到研究和應用。高度發達的工業過去已經耗費了極大的能源，也造成了非常嚴重的環境汙染。溫室效應也不斷破壞大氣臭氧層[35]。本文將討論一些其他類型的能源研究，使用PLC作為主要控制或與其他控制系統的聯合控制。

6.2.1 太陽跟蹤系統
Ahmad等人（2013）[36]在馬來西亞熱帶氣候E100°11』，N6°26』的晴天、陰天、陰雨天三種天氣條件下，對基於時間和日期的太陽定位太陽集熱系統的開環發電量和功耗進行了測試。雙軸跟蹤系統採用可編程控制器（PLC）對光伏太陽能組件進行10°仰角跟蹤和10°方位角跟蹤。

Sungur（2009）[37]，為土耳其的光伏電池板開發了一個多軸太陽跟蹤系統。在他的研究中，太陽的方位角和太陽高度角是在土耳其所在的北半球37.6緯度計算了一年的時間，根據這些角度，設計並實現了一個雙軸跟蹤太陽的機電系統，該系統由PLC和模擬模塊控制。

Al-Soud等人。（2010）[38]開發了一種拋物面太陽灶，具有自動雙軸太陽跟蹤系統，克服了頻繁跟蹤和站在太陽下，面向所有聚光太陽灶，採用手動跟蹤的需要，並使用了可編程控制器控制太陽灶的運動。測試結果表明，在夏季，當最高註冊環境溫度為36°C時，炊具管內的水溫達到90°C。

Al-Mohamad（2004）[39]開發了一種使用PLC單元的移動光伏組件太陽跟蹤系統。利用可編程序控制器控制和監測光伏組件的機械運動，並收集和存儲與太陽輻射有關的數據。作者發現，與固定組件相比，光伏組件的日輸出功率提高了20%以上。

Mousazadeh等人。（2009）[40]對不同類型的太陽跟蹤系統的審查也證實了可編程邏輯控制器在這些跟蹤器上的應用。

Abu Khader等人。（2008）[41]評估約旦不同運行模式下的多軸太陽跟蹤系統。在[41]中，作者開發了基於垂直控制和坡度控制的兩個系統。


6.2.2 風能
Ting等人。（2011）[35]開發了一種與風力發電機集成的風冷機組。在該強制雙控系統中，採用可編程控制器（PLC）根據風力機的轉速分別選擇風冷機組和風力發電機。

Galardo Calles等人。（2013）[42]研究了西班牙風電場的實施情況。他們的研究結果表明，風力發電機組的監測和控制是通過可編程邏輯控制器和SCADA直接連接在本地網絡系統中實現的

6.2.3 光伏應用
Manolakos等人。（2004）[43]利用抽水蓄能為愛琴海希臘多努薩島的一個村莊開發了一個獨立的光伏發電系統。白天，負載通過逆變器直接從光伏發電機得到滿足，而剩餘的能量則被引導至水泵，用於將水從低水位水庫抽至高水位水庫。夜間，水被混濁到低水位水庫，為負荷提供能量。整個系統由西門子S5 1 15-U可編程控制器控制。

Lamont和Chaar（201 1）[44]利用可編程控制器和基於PIC的清潔機制，開發了光伏電池板的獨立表面清潔系統。他們的系統被證明在成本和性能上是有效的，並且具有可擴展的能力。

Zaki，Eskander和Elewa（1994）[45]開發了光伏發電機，以產生用於灌溉、家庭用途和能源需求的抽水能源。該系統採用PLC控制系統。

6.2.4 暖通空調控制
Soyguder和Alli（2010）[46]設計了一個暖通空調系統，該系統具有兩種不同的阻尼間隙率（執行器位置）。採用可編程序控制器（PLC）結合PID控制算法，對室內進風管道的風量進行控制。

6.3 研究、培訓和教育
Dhanabalan&Selvi，2015[47]研究了如何利用現場可編程門陣列（FPGA）提高可編程邏輯控制器（PLC）多模數轉換器的掃描速度。仿真結果表明，多通道模數轉換器（ACD）的掃描時間可以得到改善。他的發現表明轉換時間為13.17ms.

Po等人。（201 1）[48]設計了以PLC為控制器的空調系統模糊控制器。他的結果設法在任何不同的水平上改變壓縮機的不同負荷。

Besada Portas等人。（2013）[49]在結合使用TwinCAT（一個實驗室Java伺服器應用程式）和Easy Java Simulation（EJS）的基礎上，為系統工程和自動化控制課程開發一個遠程實驗室。TwinCAT系統用於通過PCs.

Kulisz等人中的可編程邏輯控制器關閉選定工廠的控制迴路。（2015）[50]，研究了原型可編程邏輯控制器（PLC）的算術和邏輯單元（ALU），並在一個FPGA設備中實現。ALU可以執行32個操作，包括基本邏輯操作、比較器和四個基本算術操作。硬體描述語言（HDL）的移植可以很容易地移植到FPGA架構或專用集成電路（ASIC）技術中。

Mokhtarname等人（2015）[51]通過工業可編程邏輯控制器，研究了多變量過程的人工神經網絡（ANN）輔助工業廣義預測控制器的設計與實現。他的結果表明，先進的技術可以在計算能力正常的可編程邏輯控制器上實現，而不必承擔升級可編程邏輯控制器的高成本。

Kabalan等人。（2015）[52]使用可編程邏輯控制器設計農村微型水電的電力負荷控制器。該控制器在實驗室用微型水電模擬器進行了實驗測試。基於所採集的數據，PLC可作為一種可行的負荷控制系統。

Tsukamoto和Takahashi（2014）[53]研究了使用標記流圖（MFG）對電梯控制邏輯建模的方法，並將該模型轉換為PLC程式語言。

Guler和Ata（2013）[54]為臨床醫生和學生開發了一套訓練機械通氣裝置。機械呼吸機廣泛應用於麻醉和重症監護病房。患者通常通過氣管導管（ETT）與呼吸機相連。根據臨床醫生的設置，氧氣是維持人類生命最重要的氣體，通過呼吸機進入病人的肺部。臨床醫生必須為病人確定最佳治療方案，因為呼吸機通常是開環控制的。為此，設計並實現了一套訓練用機械通氣裝置。系統採用PLC控制。它控制吸氣/排氣閥並評估從壓力傳感器接收到的壓力信息。吸氣/呼氣時間和操作模式可在屏幕上輕鬆更改。設計和實現的裝置比重症監護室使用的呼吸機便宜。

Bayrak和Cebeci（2012）[55]，為電氣和電子專業的學生開發了一個自動化平臺。介紹了在電工電子專業學生編程、PLC與監控及數據採集（SCADA）系統的連接和設計，以及對自動化系統的理解等方面的應用研究。

Engin（2013）[56]設計了一種液位控制系統的PID控制算法，該系統是使用可編程控制器（PLC）實現的，用於學校教育培訓。實驗結果表明，PID控制系統的自整定方式穩定。Samin等人。（2011）[57]還使用由PLC實現的PID控制系統，用於小型自動化裝置中的加熱罐。根據實驗結果，控制器能夠對系統進行控制。

Katrancioglu和Yilmaz（2011）[58]，開發了一套遠程控制工具實驗室實驗裝置。控制實驗可以在實驗室內部進行，也可以在任何地方進行，只要有網際網路連接。該設備由一個連接到計算機的電子控制卡、一個伺服器和客戶端應用程式組成，它們通過請求和確認來運行系統。Yilmaz和Katrancioglu（2011）[6]還開發了一個帶有內部教育實驗塊的PLC實驗裝置。

Chen和Gao（2012）[59]設計並實現了一個遠程可編程邏輯控制器實驗室。在[59]中，作者描述了計算機和網際網路的發展使遠程實驗室的遠程學習變得更容易和更快，遠程實驗室設計用於可編程邏輯控制器的實際工作。編程練習可以在不同的地點和時間進行。

卡拉漢等人。（2005）[60]開發了用於規劃和開發柔性製造系統的計算方法。

Ozdemir和Orhan（2012）[61]設計了一個用於教育的實驗性微型水力發電廠原型系統。選用PLC系統作為主控制器。

6.4 製造業
Buhrer等人。（2015）[62]使用編排引擎設計製造自動化系統，該引擎允許在可編程邏輯控制器的變化中具有靈活性。編排引擎甚至能夠適應生產環境的物理變化。

洪（2011）[63]利用基於PLC的控制系統，開發了自動生產線上的自動翻轉裝置。採用PLC控制液壓系統，大大提高了系統的穩定性、可靠性、安全性和自動化水平。

Tay等人。（2005）[64]開發了一種適用於柔性製造系統[FMS]的柔性可編程振動碗進給系統。該進給系統由計算機控制，電動氣缸和步進電機驅動，能夠識別非旋轉零件的方向，並主動地將其重新定位到所需的方向。進料系統由PLC控制。

Chua（2007）[65]開發了一種由可編程邏輯控制器（PLC）和電動氣動系統控制和驅動的主動給料機。斯威德等人。[8] 還開發了一個利用PLC控制電空系統的系統。

Saad和Arrofiq（2012）[4]開發並設計了一種基於PLC的改進型PWM控制器，用於控制感應電動機的轉速和實現恆定V/Hz比控制。該裝置由一個PWM逆變器、一個感應電動機和一個負載組成。PWM逆變器作為PLC和感應電動機之間的接口。個人計算機（PC）作為開發和下載程序的終端，包括模糊邏輯程序到PLC和人機界面（HMI）設計到HMI。

Jang等人。（1997）[66]設計製造單元，包括一個可編程邏輯控制器、兩個工業機器人、兩個機器站（用於研磨和清洗）和一個輸送機。該單元已被證明能有效地實現多機器人操作的效率和可靠性優勢。

Piggin（2004）[67]描述了與安全相關的現場總線現在被應用於許多不同的應用中。一些安全控制器的預定義診斷和可視化的結合使得能夠及時檢測和顯示診斷。使用傳統（非安全）現場總線，可編程安全控制器的狀態和安全診斷可輕鬆集成到基於PLC/PC的系統中。可編程安全控制器能夠持續監控安全，同時提供監察安全功能，確保定期進行安全系統測試（例如每天或每班開始時）。

Ren等人。（2007）[68]開發了以PLC為控制核心，交流伺服電機為執行元件，半徑跟蹤裝置為控制核心的閉環張力控制系統，實現了半徑的實時補償。

Hajarnavis and Young（2008）[69]調查了德國、英國和美國汽車工業中的可編程邏輯控制器軟體設計技術。作者的調查目標是一個特定的p r o生產線，稱為白商店中的車身，在裝配過程中，面板連接在一起形成車身。這是汽車製造過程中自動化程度最高的一部分，機器人、焊接控制器、夾具、驅動器和傳輸設備等設備都需要由一個PLC控制，協調製造單元中發生的所有操作。

Hu等人。（1999）[70]根據可編程邏輯控制器的邏輯功能圖和順序控制過程，開發了兩種通用診斷模型。提出了一種典型的柔性製造系統診斷模型。

Alper Selver等人。（2011）[71]開發了一個自動化的工業傳送帶系統，該系統使用圖像處理和分層聚類對大理石板進行分類。採用PLC作為控制器。

6.5 植物和其他應用的控制和監測
Ardi等人。（2013）[72]利用可編程控制器（PLC）設計活塞加工過程的控制系統。他們的研究表明30%的循環時間從40秒每片提高到28秒每片。

本田等。（2008）[73]使用可編程邏輯控制器和監控與數據採集系統取代了JT-60 NBI系統中低溫設施的控制系統。系統採用功能框圖（FBD）對控制進行優化。目前，更換後的系統運行良好。


Zhang等人。（2009）[74]採用真空擺動吸附法研究了煙氣雜質對燃煤電站煙氣co2捕集性能的影響。建立了全可編程邏輯控制器（PLC）自動化三柱試驗裝置，通過人機界面/監控和數據採集（HMI/SCADA）系統進行實時控制和數據採集。

Kazagic和Smajevic（2007）[75]對不同波士尼亞煤種和生物質在電加熱氣流實驗堆中的灰分行為進行了實驗研究。反應區的溫度由可編程邏輯控制器（PLC）控制，每個加熱區配有晶閘管單元，允許在從環境溫度到1560°C的範圍內隨意改變工藝溫度。

Sastry and Seekumar（2012）[76]開發了一種自動操作和實時監控船舶裝載臂的系統。該系統採用工業標準位置傳感器、PLC系統、人機互動界面（HMI），併集成了故障安全操作和緊急停機程序。

Guasch等人。（2000）[77]發展了改進燃氣輪機故障診斷的方法。該方法包括自動開發故障排除系統，該系統可以使用嵌入在可編程邏輯控制器（PLC）中的確定性知識自動構建。該系統試圖克服傳統燃氣輪機PLC控制器存在的診斷缺陷。

Kolokotsa等人(2002)[78]在克裡特島技術大學電子實驗室建築中實現了一種用於室內環境管理的遺傳算法優化模糊控制器。PLC或本地操作網絡（LON）模塊運行優化的模糊控制器，保持室內熱舒適、視覺舒適和室內空氣品質。

Aydogmus和Talu（2012）[5]開發了一種基於視覺的測量裝置，使用通過對象連結和嵌入過程控制（OPC）技術供電的PLC。該系統由PLC、網絡攝像機和SCADA計算機組成，

於文清（201 1）[79]利用PLC和人機界面（HMI）設備開發了配氣裝置，實現了對氣體質量流量、氣體輸出混合物和可燃氣體比例的連續控制。

Xin等人（2012）[80]設計了一種利用PLC精確調節植物生態園土壤水分和鉀濃度的系統。該系統採用PLC控制器，同時採用控制算法對K的水分和濃度進行分析。

Jing等人。（2012）[81]煙囪鍋爐智能控制系統的實現研究。該系統將自學習自尋優模糊控制系統與PLC結合起來。模糊控制系統通過控制風煤比達到最佳燃燒和優化燃燒，而PLC則加快了對鍋爐的響應速度。

鍾、羅（2011）[82]對水箱三階對象的單迴路和串級控制進行了比較研究。系統由西門子PLC控制。

快堆技術組（IGCAR）建造了兩個通用名稱為INSOT的獨立鈉迴路，用於對原型快堆（PFBR）組件進行動態鈉的材料試驗Shanmugal等人。[83]。成功地實現了基於PLC的過程參數監測與控制儀表系統。

實驗先進超導託卡馬克（EAST）是世界上第一個具有偏濾器結構的全超導託卡馬克，Chen等人（2012）[84]。在等離子體放電過程中，需要一個穩定可靠的真空操作控制系統。plc硬體控制系統應用於底層。

Randolf和Moore（2006）[85]開發了一個質子交換膜（PEM）測試系統，該系統集成了實時目標（運行模擬）、測試臺PC（控制測試臺的運行）和可編程邏輯控制器（PLC），用於安全和低級控制任務（圖20-45）。

7 PLC的優點和局限性
全自動化裝配是一種高水平的生產工具。這是昂貴的，將涉及一定程度的投資風險[86]。在這裡，可編程邏輯控制器有助於將系統擴展到半自動化甚至全自動化系統，但它也有其自身的局限性。在本節中，我們將討論可編程邏輯控制器的一些優點和局限性。

7.1 PLC的優點
雖然可編程邏輯控制器在硬體結構上類似於「傳統」計算機，但它們具有適合於工業控制的優勢[87]。下面列出了可編程邏輯控制器的一些優點；
**i.**它更堅固，並且具有抗噪聲能力
ii 模塊化結構，易於更換/添加單元（如I/O）
iii 標準I/O連接和信號電平
**iv **與繼電器相比，更可靠，因為機電設備和繼電器邏輯控制中的物理磨損在每次設備打開時都會發生。
**v ** 易於理解、編程和重新編程（如梯形圖）：離線編程：編程軟體允許在PC機上進行PLC程序開發，並使用仿真軟體進行測試，以便在軟體用於控制系統之前發現問題。在線編程允許程式設計師在可編程邏輯控制器執行生產程序時編輯梯形邏輯梯級[14]
vi 廣泛的應用基礎：PLC軟體在眾多行業支持廣泛的離散和模擬應用。
vii 低成本和小腳印：可編程邏輯控制器的成本和規模在過去10年中大幅下降[14]。一個微型PLC可以放在你的手掌心，提供強大的機器控制低於300美元。
**viii ** 高端控制呈指數級增長：雖然成本和規模都在低端下降，但大型PLC系統的能力也在擴大。使用眾多專有和國際網絡標準對控制進行聯網和分配的能力，允許可編程邏輯控制器控制整個製造系統和生產工廠[14]。

Aprea和Maiorino（2009）[88]對住宅應用中的「分流系統」的工作優化進行了實驗研究，該系統通過改變使用PLC改善電子背壓閥控制（由於控制系統的靈活性）所提出的散熱量來冷卻空氣。

7.2 可編程邏輯控制器的局限
在本節中，我們將討論PLC對PC編程的局限性，因為現在的自動化主要是基於PC的系統和能夠執行自動化系統的高級程式語言。下面列出了PLC對PC的局限性。
i 個人電腦的發展速度快，價格便宜，比可編程邏輯控制器的功率更大[1]
**ii. **今天廣泛使用的奔騰系統甚至比最快的PLC還要好
iii. 每六到九個月就會有新一代的個人電腦問世
**iv.**當可編程邏輯控制器仍在MB或甚至仍在KB內時，PC內存已超過1 TB。
v. PC在全球範圍內，只要一接到通知，就可以從許多供應商那裡獲得。
vi PC開發人員不斷提高兼容PC的硬體和軟體的功能性和易用性。
vii PC可以提供一個完全集成的解決方案，集成了PLC、人機界面（HMI）和編程終端的功能[1]。軟邏輯軟體允許PC模擬PLC的動作[14]。軟體可編程控制器（PLC）在管道焊接中的應用。（2011）[89]。

對某些系統的研究也表明，並非所有的可編程邏輯控制器應用程式都需要改進一個系統，即下面所述的幾個例子。

DeBedictis等人進行的一項研究。（2013）[90]關於加州市政水泵運行能效的提高，發現可編程邏輯控制器沒有提高水泵系統的效率，但實際上可能會損害水泵系統的整體能效。

Ahshan等人。（2008）[91]使用微控制器開發了基於小型感應發電機的風力渦輪機。在[91]中，作者指出，他們正在考慮使用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制系統，但是，對於低成本的小型風力發電機來說，這不是一個經濟有效的選擇。他們的系統需要非常低的計算能力，因此單板計算機是不必要的。

8 結論
可編程控制器最早誕生於60年代末，現在已成為自動化系統的主要參與者。綜上所述，可編程邏輯控制器可以完全適用於任何研究、工業應用、簡單或先進系統的控制、監控甚至與市場上任何其他控制器（如PID、PIC MCU、PLA、PAL和模糊控制器）的聯合控制。

隨著可編程邏輯控制器在當前市場上的進一步發展，無論是在硬體上還是在軟體上的應用，我們都可以看到越來越多的人開始接受在應用中使用可編程邏輯控制器作為他們的主控制器。與其他程式語言相比，使用梯形圖編程系統是非常有益的，因為即使是編程知識有限的電工也可以根據自己的電氣系統知識來理解和編程PLC。編程不再是程式設計師的事，但是簡單的外行可以參與編程機器。

在不久的將來，我們可以看到研究人員將傾向於使用可編程邏輯控制器作為他們的主要控制器進行任何領域的研究，即使市場上還有其他控制器。無論是簡單的控制系統還是複雜的控制系統，plc都可以應用於任何系統。

致謝
我們要感謝聯合會和聯合會的全體工作人員給予我們的支持和鼓勵。最後，我們要特別感謝總編輯勞倫斯L.卡茲默斯基教授和兩位匿名評論員（評論員1和評論員9）為我們提供了所有建設性意見和有益建議。

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