【正文】 一。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)曾頒布PLC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并作了如下定義:可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的高級(jí)電子系統(tǒng)，采用可編程的存儲(chǔ)器在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。由此 PL C是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)，用面向?qū)ο蟮摹⒚嫦蚩刂七^(guò)程的“自然語(yǔ)臺(tái)”，編程的，簡(jiǎn)單易懂、操作方便、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的，高可靠性的新一代工業(yè)控制裝置PLC發(fā)展經(jīng)歷了四次換代，現(xiàn)代的PLC系列產(chǎn)品已成為具有邏輯控制功能、過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和聯(lián)網(wǎng)通信功能的多功能控制器，能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的不同需求，能適應(yīng)更加復(fù)雜和惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。由于 PL C控制對(duì)象的復(fù)雜性和多樣性，應(yīng)用環(huán)境的特殊性和工作運(yùn)行的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性，使其在設(shè)計(jì)上有更高要求。1. 抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠PL C通常工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并且要求有較高的平均無(wú)故障時(shí)間(510萬(wàn)小時(shí))，因此PLC的設(shè)計(jì)中，在硬件上選用優(yōu)質(zhì)元器件，并采用電源多級(jí)濾波和穩(wěn)壓措施，電磁屏蔽、輸入輸出濾波、光電隔離及通道間絕緣，輸入電4li與輸出電源外部封裝。在軟件上采月J循環(huán)掃描工作方式，具有程序語(yǔ)法檢查、故障檢測(cè)與診斷和出錯(cuò)后報(bào)警、保護(hù)數(shù)據(jù)、封閉數(shù)據(jù)以及恢復(fù)數(shù)據(jù)等措施。、類型多?，F(xiàn)代 PL C模塊化能力大大增強(qiáng)，不僅具有電源模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊，還具有專用的模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和各種連接模塊，更重要的是在聯(lián)網(wǎng)通信方面推出功能強(qiáng)大通信模塊、modem模塊、天線模塊和遠(yuǎn)程通信控制模塊等。隨著應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的拓展，PLC的功能模塊還在不斷發(fā)展創(chuàng)新。，應(yīng)用范圍廣現(xiàn)代 PL C產(chǎn)品系列化和模塊化，而且不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有A/D, D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和通信等功能，這使得PLC的應(yīng)用可根據(jù)實(shí)際情況方便靈活地組成功能不同的控制系統(tǒng)，既可是控制單機(jī)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)也可是控制多機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，又司利用通信功能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的遠(yuǎn)程群控系統(tǒng)。PL C雖然由內(nèi)部微處理器控制，但并沒(méi)有采用微機(jī)控制中常用的匯編語(yǔ)言或其他專用高級(jí)語(yǔ)言，而是結(jié)合實(shí)際提出了梯形圖(LAD)、語(yǔ)句表(STL)和邏輯符號(hào)圖(FBD)等編程方法，這些編程語(yǔ)臺(tái)‘都是面向?qū)ο?、面向控制過(guò)程的，易于編寫(xiě)、易于調(diào)試，這也大大增進(jìn)了PLC的廣泛應(yīng)用。、結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大作為微電子的高科技產(chǎn)品，PLC不僅結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、體積小、重量輕，而且功耗很低。例如SIEMENS S7400系列的主控模塊CPU 4121,尺寸僅為25*290*210 (W*H*D) mm39。，重720g，功耗小于8w121，而且這些主控模塊具有很好的抗震性，并能適應(yīng)環(huán)境溫度的劇烈變化。PLC在設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)決定了PLC高性能和廣闊的應(yīng)用范圍。PLC替代繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用。PLC利用專用的模擬量I/O模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬量(如溫度、壓力、流量、液體等連續(xù)變化量)的閉環(huán)控制。利用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線或軸運(yùn)動(dòng)的控制，這使PLC可廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代P LC都具有數(shù)據(jù)運(yùn)算(定點(diǎn)、浮點(diǎn)、函數(shù)運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)排序和查表功能，并具有數(shù)據(jù)的采集、分析、處理和建庫(kù)等功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大中型控制系統(tǒng)。現(xiàn)代 PL C除了主控CPU模塊上的MPI接口連接通信外，還可通過(guò)擴(kuò)展的一系列通信模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，如通過(guò)專用通信處理器CP和專用遠(yuǎn)程通信控制模塊TIM等。通過(guò)功能強(qiáng)大的通信處理模塊，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和信息的交換，構(gòu)成分散控制、集中管理的分層式集散型復(fù)雜控制系統(tǒng)。1．2 PLC的結(jié)構(gòu)組成及工作方式一、PLC的結(jié)構(gòu)組成可編程控制器實(shí)現(xiàn)控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入和輸出變換，并將這個(gè)變換予以物理實(shí)現(xiàn)，即輸入輸出和物理實(shí)現(xiàn)是PLC實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本點(diǎn). PLC對(duì)輸入和輸出的處理類似于現(xiàn)代微處理機(jī)的信息處理，但是針對(duì)復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯得更加專業(yè)化。PLC的物理實(shí)現(xiàn)要考慮實(shí)際控制的需要，例如，要求輸入應(yīng)排除干擾信號(hào)，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，并能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便的使用，這點(diǎn)使PLC有別于普通微機(jī)信號(hào)只針對(duì)信號(hào)本身，而不考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的需要。PL C 的 基本組成仍采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，一般都是由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器(memory),輸入部分(input),輸出部分(output)和電源部分(supply)五部分組成。其中，CPU是PLC的核心，存儲(chǔ)器是存放系統(tǒng)程序和用戶程序及數(shù)據(jù)的，1/O部分是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU的接口電路，電源部分則為PLC內(nèi)部電路提供電源。圖1 .1示意了PLC的原理圖圖 1. 中 央處 理單元CPU作為PLC控制器的核心，中央處理單元具有以下功能:① 接收輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)并送入存儲(chǔ)器。② 監(jiān)視電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)。③ 診斷用戶程序和系統(tǒng)程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤，并對(duì)用戶程序指令進(jìn)行編譯。④ PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，并執(zhí)行。⑤ 采集輸入部分送來(lái)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器。⑥ 按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新相關(guān)標(biāo)志的狀態(tài)和輸出的狀態(tài)或數(shù) 據(jù)寄存器的內(nèi)容。⑦ 傳送狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的相關(guān)內(nèi)容到輸出接口。⑧ 響應(yīng)各種外圍設(shè)備(編程器、鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)等)的請(qǐng)求?，F(xiàn)代 PL C按功能分散處理、聯(lián)網(wǎng)通信和容錯(cuò)技術(shù)的要求往往包括多個(gè) CPU，分別承擔(dān)一定的控制功能。2. 存儲(chǔ)器現(xiàn)代PLC均配有系統(tǒng)程序控制器，用于存放監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能的子程序、調(diào)用管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)。用戶程序存儲(chǔ)器存放用戶編制的程序及隨機(jī)參數(shù)等。3. 輸入輸出部分也稱為I/O單元，是PLC與被控設(shè)備的接口電路，是CPU與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或設(shè)備間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備間傳送信息的作用。I/O單元既可通過(guò)底板總線與主控模塊放在一起，也可通過(guò)連接器用電纜引出遠(yuǎn)程放置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)及控制。一般1/O模塊上有狀態(tài)顯示和UO接線端子排，方便監(jiān)視與連接。輸入接口電路一般山光電禍合電路和微電腦輸入接口電路組成，而輸出接口電路一般由微電腦輸出接口和功率放大器組成?，F(xiàn)代 PLC除了以上1/O接口電路外，還配有各種和外圍設(shè)備連接的接口電路，通過(guò)相應(yīng)的接口電路的插座可連接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備。PL C一般 配有專用的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源供內(nèi)部電路使用，現(xiàn)代大多數(shù)機(jī)型可向外提供直流24 V穩(wěn)壓電源，以供外部設(shè)備(如傳感器等)使用，從而避免電源污染也減少了外部連線。PLC常配有高能的后備電源(鏗電池)以備外部電源正?；蚍钦嚯娗闆r下內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)丟失。二、工作方式PL C采用對(duì)1/O操作、數(shù)據(jù)處理等的循環(huán)掃描工作方式。這種工作方式在系統(tǒng)軟件控制下，順序掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)①自診斷是指在PLC掃描用戶程序之前先執(zhí)行故障自診斷程序，主要診斷I/O部分、存儲(chǔ)器和CPU等，自診斷正常則繼續(xù)向下掃描。②與編程器或計(jì)算機(jī)通信是指PLC檢查編程器或計(jì)算機(jī)等是否有通信的請(qǐng)求，并接收發(fā)送來(lái)的程序、指令和各種數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)和信息顯示出來(lái)。③ CPU對(duì)各輸入端掃描并將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的輸入采樣過(guò)程。 ④CPU逐條調(diào)出并執(zhí)行用戶程序的指令，按照指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果送至輸出寄存器，實(shí)現(xiàn)PLC的程序執(zhí)行過(guò)程。⑤當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，PLC集中將輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)通過(guò)輸出模塊單元轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出狀態(tài)的刷新。1．3 PLC網(wǎng)絡(luò)及通信一、PLC網(wǎng)絡(luò)PL C網(wǎng)絡(luò)多采用類似ISO提出的OSI7 層模型[191， 也是分層結(jié)構(gòu)，由上至下，各層發(fā)揮不同的作用。一般，上層負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理，底層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制與監(jiān)測(cè)，中間層則負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控及優(yōu)化。PL C網(wǎng)絡(luò) 通常采用多級(jí)通信子網(wǎng)以構(gòu)成復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，夯在不同級(jí)別的子網(wǎng)中配置不同的通信協(xié)議，這是根據(jù)PLC網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際通信要求，即上層主要傳遞管理信息，通信報(bào)文較長(zhǎng)、傳輸信息量大、通信范圍廣，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。而底層主要傳送過(guò)程數(shù)據(jù)和控制指令，報(bào)文較短、通信量不大、通信距離較近，但對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高。中間層通信要求介于上、下層之間川]。PLC網(wǎng)絡(luò)采用多級(jí)復(fù)合型結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)，可根據(jù)PLC網(wǎng)絡(luò)分層情況，對(duì)相鄰且通信要求相近的幾層進(jìn)行合并，由級(jí)子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，因而這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。 S7系列PLC典型網(wǎng)絡(luò)西門(mén)子S7系列PLC網(wǎng)絡(luò)通常采用三級(jí)總線復(fù)合型結(jié)構(gòu):最下層是遠(yuǎn)程UO鏈路層，直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接通信，配置周期I/O通信機(jī)制。中間層為主從式多點(diǎn)鏈路或Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線IZ61前者采用主從式總線，輪詢方式通信，后者是一種新型現(xiàn)場(chǎng)總線，是可承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)、控制、監(jiān)控三級(jí)任務(wù)的以太網(wǎng)，傳送生產(chǎn)管理信息，配置以太網(wǎng)通信協(xié)議。通過(guò)對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)及各級(jí)子網(wǎng)的上述分析，我們可以得出以下規(guī)律:① PLC網(wǎng)絡(luò)通常是三級(jí)或四級(jí)子網(wǎng)構(gòu)成的復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且為適應(yīng)各級(jí)子網(wǎng)的通信特點(diǎn)而配置不同的子網(wǎng)通信協(xié)議。② PLC網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議一般有通用協(xié)議和專用協(xié)議兩種。③ PLC網(wǎng)絡(luò)的高層子網(wǎng)中常配置MAP規(guī)約(全MAP )或Ethernet協(xié)議，使得PLC 網(wǎng)絡(luò)更加標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，也使得PLC 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、PLC網(wǎng)絡(luò)與其它局域網(wǎng)的互聯(lián)更加容易。④ PLC網(wǎng)絡(luò)的中間層和底層多采用專用協(xié)議，最底層常采用周期I/O方式通信，以適應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高但信息較短的過(guò)程數(shù)據(jù)和控制命令的傳送，中間層多采用令牌方式或主從方式控制通信。⑤ PC (個(gè)人電腦)加入不同級(jí)別的子網(wǎng)，必須按所聯(lián)入的子網(wǎng)配置通信模板，并按該級(jí)子網(wǎng)配置的通信協(xié)議編制用戶程序:⑥ PLC網(wǎng)絡(luò)底層子網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，采用協(xié)議多只有物理層、層和應(yīng)用層三層。高層子網(wǎng)與普通網(wǎng)絡(luò)相近，加之要與異種網(wǎng)互聯(lián)，通信協(xié)議多為標(biāo)準(zhǔn)7層協(xié)議。二、PLC網(wǎng)絡(luò)中的通信PL C網(wǎng)絡(luò) 可分為PLC控制網(wǎng)絡(luò)和PLC通信網(wǎng)絡(luò)兩種，它們?cè)诠δ苌虾凸ぷ鞣绞缴嫌泻艽蟮牟顒e。PLC控制網(wǎng)絡(luò)只傳運(yùn)。每次傳送數(shù)量較少，例如，PLC的遠(yuǎn)程I/O鏈路、通過(guò)Link區(qū)交換數(shù)據(jù)的PLC同位系統(tǒng)。PLC通信網(wǎng)絡(luò)則即可傳送開(kāi)關(guān)量又可傳送數(shù)字量，且通信數(shù)據(jù)量較大，例如，SIEMENS的SIENECH l網(wǎng)、AB公司DH+網(wǎng)等。PLC通信網(wǎng)絡(luò)類似于普通的局域網(wǎng)。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)并不做具體劃分。PLC網(wǎng)絡(luò)的通信包括PLC之間、PLC與上下位計(jì)算機(jī)間和PLC與智能設(shè)備間的通信。常規(guī)的聯(lián)網(wǎng)通信方法是利用PLC主控模塊上的RS232或RS 422/423接口和專用電纜組成較簡(jiǎn)單的多機(jī)系統(tǒng)。也可利用PLC的專用通信模塊，用雙絞線、同軸電纜或光纜連接組成網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息交換，構(gòu)成集中管理、分散控制的集散型、分層式控制系統(tǒng)。并行通信和串行通信在PLC及其網(wǎng)絡(luò)中都存在。其中，在PLC內(nèi)部，多處理器的PLC中的多個(gè)處理器間通過(guò)共享存儲(chǔ)區(qū)在協(xié)處理器控制與管理之下的通信和PLC中CPU與各智能模塊處理器間經(jīng)背板總線的通信多為并行通信。我們研究的重點(diǎn)是PLC網(wǎng)絡(luò)中的串行通信。PLC網(wǎng)絡(luò)中的各級(jí)子網(wǎng)無(wú)論是環(huán)形結(jié)構(gòu)還是總線結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)的共享資源，網(wǎng)絡(luò)中的PLC建立通信，就必須取得共享通信介質(zhì)的使用權(quán)，即要有一個(gè)存取控制方式來(lái)分配共享通信介質(zhì)的使用權(quán)。另外，PLC建立通信通道后，要將數(shù)據(jù)傳送出去，這又要考慮數(shù)據(jù)傳送方式是有連接的還是無(wú)連接的，是有應(yīng)答的還是無(wú)應(yīng)答的，或是廣播通信。即通過(guò)本段內(nèi)容我們可以明確，PLC網(wǎng)絡(luò)中各級(jí)子網(wǎng)的通信方法包括存取控制和數(shù)據(jù)傳送方式兩部分。以下將詳細(xì)介紹PLC網(wǎng)絡(luò)中的典型通信方式： LC控制網(wǎng)絡(luò)的“全局1/O方式”通信“全局1 /O方式”是利用串行共享存儲(chǔ)區(qū)通信的方式，主要用于帶有Link鏈接區(qū)的PLC間的通信。工作原理是在PLC網(wǎng)絡(luò)中的各臺(tái)PLC的1/O區(qū)劃出一塊鏈接區(qū)，每個(gè)鏈接區(qū)都采用相同的郵箱結(jié)構(gòu)，相同編號(hào)的發(fā)送區(qū)與接收區(qū)的大小相同，占用相同的地址段，一個(gè)為發(fā)送區(qū)，其余皆為接收區(qū)，通過(guò)廣播式通信，使各PLC鏈接區(qū)11’的數(shù)據(jù)保持一致，即鏈接區(qū)中既有自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，也有其它PLC送來(lái)的數(shù)據(jù)，每臺(tái)PLC只要訪問(wèn)自己的鏈接區(qū)，就等于訪問(wèn)了其它PLC，就相當(dāng)于與其它PLC交換了數(shù)據(jù)。實(shí)際上鏈接區(qū)成為網(wǎng)絡(luò)的共享存儲(chǔ)區(qū)，也成為PLC交換數(shù)據(jù)的中介區(qū)。“全局1 /O方式”。鏈接區(qū)可采用異步方式刷新，也可采用同步方式刷新。當(dāng)采用異步方式刷新時(shí)，與PLC中用戶程序無(wú)關(guān)，山各PLC月矛帶通信處理器按順序進(jìn)行廣播通信，并使所有鏈接區(qū)保持等值。當(dāng)采用同步方式刷新時(shí)，山用戶程序中對(duì)鏈接區(qū)的發(fā)送指令啟動(dòng)一次刷新，只有當(dāng)鏈接區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)變化時(shí)刁刷新。鏈接區(qū)是從PLC的I/O區(qū)劃分出來(lái)的，經(jīng)等值化通信變成所有PLC的共享區(qū)，因此稱為“全局I/O方式”通信。 C控制網(wǎng)絡(luò)的“周期I/O方式”通信“周 期 U O方式”通信主要用于PLC的遠(yuǎn)程I/O鏈路的控制網(wǎng)絡(luò)的通信。工作原理:遠(yuǎn)程I/O鏈路按主從方式工作，PLC自帶的I/O主單元在遠(yuǎn)程UO鏈路中擔(dān)任主站，其它遠(yuǎn)程I/0鏈路作為從站。在主站中設(shè)立“遠(yuǎn)程I/0緩沖區(qū)”，采用郵箱結(jié)構(gòu)，劃分出幾個(gè)分箱分別與梅個(gè)從站相對(duì)應(yīng)，每個(gè)分箱再分為發(fā)送區(qū)和接收區(qū)。主站中的通信處理器采用周期掃描方式按順序與各從站交換數(shù)據(jù)，把與其對(duì)應(yīng)的分箱中的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)送往從站，從從站區(qū)讀取數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的接收區(qū)，這樣使得主站中的遠(yuǎn)程I/0緩沖區(qū)得以周期性地