【正文】 ，在經(jīng)濟全球化的同時，減少資金投入，降低人力成本，提高勞動生產(chǎn)率，縮短訂單處理事件等成為用戶不斷追求的目標(biāo)，對于制造業(yè)系統(tǒng)處理速度，開放性等方面的要求也韶討從前川。自動控制系統(tǒng)所包含的內(nèi)容也從對一些操作量的簡單調(diào)節(jié)發(fā)展成為集實時控制、運動控制、故障診斷、數(shù)據(jù)綜合分析、信息管理、質(zhì)量跟蹤等一系列復(fù)雜控制任務(wù)于一體統(tǒng)一的軟硬件系統(tǒng)平臺，這些任務(wù)的復(fù)雜性與控制的難度急劇增加，對自動控制系統(tǒng)的功能提出了更高的要求 .而要實現(xiàn)這些目標(biāo)，就需要采用新的技術(shù)，不斷改進軟件和硬件系統(tǒng) ，如采用基于 PC 的控制，就可以將 CPU高速的處理性能和良好的開放性引入到控制領(lǐng)域。早在 20 世紀(jì) 70 年代， PLC 的出現(xiàn)逐步替代原有的繼電器控制系統(tǒng)以來， PLC 被廣泛適用于各種控制系統(tǒng)中，但是隨著 PC 在控制系統(tǒng)中的出現(xiàn)，其功能在不斷發(fā)生變化，由初期的人機界面功能逐步增加報普，報表，連接數(shù)據(jù)庫，連接辦公網(wǎng)絡(luò)等，現(xiàn)在在許多應(yīng)用場合，可以用 PC 實現(xiàn) PLC 的功能，即 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 6 of 27 基于 PC 的 PLC 自動化控制，而且傳統(tǒng)的 PLC 控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的功能，采用基于 PC 的控制將變得非常簡單，如開環(huán) /閉環(huán)控制、運動控制、視頻信號處理、連 接辦公網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜控制算法等。 可編程邏輯控制器（ PLC）作為新一化的工業(yè)控制裝置，結(jié)構(gòu)簡單、性能全面、可靠性高。其突出的優(yōu)點是：使用方便，具有杰出的實時功能和強大的通訊能力。在其小小的單元中，包含了強大的功能，使之能夠獨立地或通過網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)輕而易舉地完成復(fù)雜的控制任務(wù)，很小的投入即能獲得最有效的自動化系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域深受歡迎，特別是經(jīng)過特殊模塊配置后，可以在保持簡單易用的特點的同時大大擴展其應(yīng)用領(lǐng)域。 PLC 的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，編程方便，梯形圖編程方式面向一般電氣技術(shù)人員，操作簡單，維修方便，易于實 現(xiàn)機電一體化 。 1． 可編程控制器 PLC 1． 1 PLC概述 可編程控制器 PLC 及其組成的多級分布式網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成 CIMS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱 (PLC、機器人、 CAD/CAM)之 一。 國際電工委員會 (IEC)曾頒布 PLC 的國際標(biāo)準(zhǔn)，并作了如下定義 :可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的高級電子系統(tǒng)，采用可編程的存儲器在其內(nèi)部存儲執(zhí)行順序控制、定時計數(shù)、邏輯運算和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程。由此 PL C 是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù) 和通信技術(shù)，用面向?qū)ο蟮摹⒚嫦蚩刂七^程的“自然語臺”，編程的，簡單易懂、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、過程控制功能、運動控制功能、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)場環(huán)境 。 由于 PL C 控制對象的復(fù)雜性和多樣性，應(yīng)用環(huán)境的特殊性和工作運行的連續(xù)性、實時性，使其在設(shè)計上有更高要求。 1. 抗干擾能力強，運行穩(wěn)定可靠 PL C 通常工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場 ，并且要求有較高的平均無故障時間 (510 萬小時 )，因此 PLC 的設(shè)計中，在硬件上選用優(yōu)質(zhì)元器件，并采用電源多級濾波和穩(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，具有程序語法檢查、故障檢測與診斷和出錯后報警、保護數(shù)據(jù)、封閉數(shù)據(jù)以及恢復(fù)數(shù)據(jù)等措施。 、類型多 。 現(xiàn)代 PL C 模塊化能力大大增強，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 信方面推出功能強大通信模塊、 modem 模塊、天線模塊和遠程通信控制模塊等。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算、定時計數(shù)、順序控制等功能，還具有 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字運算、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)，既可是控制單機的簡單系統(tǒng)也可是控制多機的復(fù)雜系統(tǒng)，又司利用通信功能實現(xiàn)更復(fù)雜的遠程群控系統(tǒng)。 PL C 雖然由內(nèi)部微處理 器控制，但并沒有采用微機控制中常用的匯編 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 7 of 27 語言或其他專用高級語言，而是結(jié)合實際提出了梯形圖 (LAD)、語句表 (STL)和邏輯符號圖 (FBD)等編程方法，這些編程語臺‘都是面向?qū)ο?、面向控制過程的，易于編寫、易于調(diào)試，這也大大增進了 PLC 的廣泛應(yīng)用。 、結(jié)構(gòu)緊湊，功能強大 作為微電子的高科技產(chǎn)品， PLC 不僅結(jié)構(gòu)緊湊、堅固、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)計上的特點決定了 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 模塊實現(xiàn)了對模擬量 (如溫度、壓力、流量、液體等連續(xù)變化量 )的閉環(huán)控制。 利用專用的運動控制模塊可實現(xiàn)對直線或軸運動的控制，這使 PLC 可廣泛應(yīng)用于運動機械設(shè)備控制系統(tǒng)。 現(xiàn)代 P LC 都具有數(shù)據(jù)運算 (定點、浮 點、函數(shù)運算 )、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，還可通過擴展的一系列通信模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，如通過專用通信處理器 CP 和專用遠程通信控制模塊 TIM 等。通過功能強大的通信處理模塊，可實現(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 可編程控制器實現(xiàn)控制，其實質(zhì)是按一定算法進行 輸入和輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)，即輸入輸出和物理實現(xiàn)是 PLC 實現(xiàn)控制的兩個基本點 . PLC 對輸入和輸出的處理類似于現(xiàn)代微處理機的信息處理，但是針對復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境顯得更加專業(yè)化。 PLC 的物理實現(xiàn)要考慮實際控制的需要，例如，要求輸入應(yīng)排除干擾信號，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，并能為實際控制系統(tǒng)方便的使用，這點使 PLC 有別于普通微機信號只針對信號本身，而不考慮實際現(xiàn)場的需要。 PL C 的 基本組成仍采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，一般都是由中央處理單元 (CPU)、存儲器 (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 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 8 of 27 圖 示意了 PLC 的結(jié)構(gòu)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)程序的語法錯誤，并對用戶程序指 令進行編譯 。 ④ PLC 進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并執(zhí)行 。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 9 of 27 ⑤ 采集輸入部分送來的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器 。 ⑥ 按程序進行處理，根據(jù)運算結(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、顯示器、打印機等 )的請求 ?，F(xiàn)代 PL C 按功能分散處理、聯(lián)網(wǎng)通信和容錯技術(shù)的要求往往包括多個 CPU，分別承擔(dān)一定的控制功能。 2. 存儲器 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)。用戶程序存儲器存放用戶編制的程序及隨機參數(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 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 單元既可通過底板總線與主控模塊放在一起，也可通過連接器用電纜引出遠程放置，實現(xiàn)遠程聯(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，通過相應(yīng)的接口電路的插座可連接編程器、計算機、打印機等設(shè)備。 PL C 一般 配有專用的開關(guān)式穩(wěn)壓電源供內(nèi)部電路使用，現(xiàn)代大多數(shù)機型可向外提供直流 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 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 輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應(yīng)的控制信號 整個工作過程如圖 所示 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、 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 10 of 27 存儲器和 CPU 等，自診斷正常則繼續(xù)向下掃描 。 ②與編程器或計算機通信是指 PLC 檢查編程器或計算機等是否有通信的請求，并接收發(fā)送來的程序、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 。 ③ CPU 對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，完成對現(xiàn)場信息的輸入采樣過程 。 ④ CPU 逐條調(diào)出并執(zhí)行用戶程序的指令，按照指令 對數(shù)據(jù)進行運算，并將結(jié)果送至輸出寄存器，實現(xiàn) PLC 的程序執(zhí)行過程 。 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)通過輸出模塊單元轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備的電壓或電流信號，以驅(qū)動控制設(shè)備，實現(xiàn)對輸出狀態(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)場控制與監(jiān)測，中間層則負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的監(jiān)控及優(yōu)化。 PL C 網(wǎng)絡(luò) 通常采用多級通信子網(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)中的實際通信要求，即上層主要傳遞管理信息，通信報文較長、傳輸信息量大、通信范圍廣，但對實時性要求不高 。而底層主要傳送過程數(shù)據(jù)和控制指令，報文較短、通信量不大、通信距離較近，但對實時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，對相鄰且通信要求相近的幾層進行合并，由級子網(wǎng)實現(xiàn)，因而這種結(jié)構(gòu)具有很強的適應(yīng)性和擴展性。 圖 示意了 SIEMENS S7 系列 PLC 典型網(wǎng)絡(luò) 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 論 PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 機電工程系機電一體化專業(yè) 075 班 臧寶亮 Page 11 of 27 西門子 S7 系列 PLC 網(wǎng)絡(luò)通常采用三級總線復(fù)合型結(jié)構(gòu) :最下層是遠程 UO 鏈路層，直接與現(xiàn)場設(shè)備連接通信，配置周期 I/O 通信機制 。中間層為主從式多點鏈路或 Profibus 現(xiàn)場總線 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)場總線，是可承擔(dān)現(xiàn)場、控制、監(jiān)控三級任務(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 。 通過對 PLC 網(wǎng)絡(luò)及各級子網(wǎng)的上述分析，我們可以得出以下規(guī)律 : ① PLC 網(wǎng)絡(luò)通常是三級或四級子網(wǎng)構(gòu)成的復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且為適應(yīng)各級子網(wǎng)的通信特點