【文章內(nèi)容簡介】 輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。而集散型控制系統(tǒng) DCS（ Distribution Control System）是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，回路調節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。而 PLC隨微電技術，計算機技術和通信技術的發(fā)展，無論在功能上，速度上，智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都用很大的提高。并開始與小型計算機聯(lián)成網(wǎng)絡，構成了以 PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著 PLC網(wǎng)絡通信功能不斷增強， PLC與 PLC 及計算機的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)告訴公路上（ Data Highway）掛接在線通用計算機，實現(xiàn)在線組態(tài)，編程和下裝，進 行在線監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，這樣就已具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上 PLC的價格和可靠性優(yōu)勢，使之可以與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競爭。 PLC控制系統(tǒng)的組成 湖南鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 8 PLC控制系統(tǒng)像一般的計算機控制系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件兩個部分組成的，硬件是指 PLC本身及其外圍設備，軟件是指管理 PLC的系統(tǒng)軟件， PLC 的應用程序，編程語言和編程支持工具軟件。 硬件的組成 PLC控制系統(tǒng)的硬件是由 PLC，輸入 /輸出（ I/O）電路及外圍設備等組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實際應用的需要而定，可大可小。下面對構成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹 。 PLC系統(tǒng) （ 1）主控模塊 除了早期生產(chǎn)的整體式 PLC（ PLC的各個不見都在同一機殼內(nèi)）外，目前市場多數(shù)的 PLC都已采用模塊化的結構（ PLC的各個部件獨立封裝，稱之為模塊）。在 PLC中各個模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構成一個系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱 CPU），它包括： CPU，存儲器，通信接口等部分。 ①CPU ： CPU是 PLC 的控制中樞，它由控制器和運算器組成。其中，控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制 PLC工作的部件。運算器則是進行邏輯，算術等運算部件。 PLC在 CPU的控制下使整個機器有條不紊的協(xié)調工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設備的控制。 CPU的具體作用如下： 執(zhí)行接受，存儲用戶程序的操作指令。 用以掃描方式來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。完成數(shù)據(jù)和信息的處理，產(chǎn)生相應的內(nèi)部控制信號，完成用戶指令規(guī)定的各種操作。響應外部設備（如編程器，打印機）的請求。 PLC中所采用的 CPU 隨機型的不同而不同，通常有 3種：通用微處理器（如 8086，80286， 80386等），單片機芯片，位片式處理器。一般來 說，小型 PLC 大采用 8位微處理器或單片機作為 CPU，如 Intel8086， Inter96 系列單片機，具有集成度高，運算速度快，可靠性高等優(yōu)點。如日本歐姆龍公司生產(chǎn)的 OMRONC200H型 PLC 采用的是Motorola公司生產(chǎn)的 MC68B09的 CPU芯片。這是一種增強型 8位微處理器。對大型 PLC，大多采用高速位片式微處理器，它具有靈活性強，速度快，效率高的優(yōu)點。 目前，一些廠家生產(chǎn)的 PLC中，還采用了冗余技術，即采用雙 CPU 或三 CPU工作，進一步提高了系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術可使 PLC的平均無故障工作 時間達幾十萬小時以上。 ② 存儲器： PLC系統(tǒng)中的存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序，用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。 湖南鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 9 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：采用 PROM或 EPROM芯片存儲器。它是由生產(chǎn)廠家直接存放的，永久存儲的程序和指令，稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序和 PLC的硬件組成與專用部件的特性有關，用戶不能隨意訪問和修改這部分存儲器的程序。 存儲器區(qū)：工作數(shù)據(jù)是 PLC運行過程中經(jīng)常變化的，需要隨機存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存，因此采用隨機存儲器 RAM。數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括輸入，輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，定時器 /計數(shù)器預置 和當前數(shù)值的數(shù)據(jù)。 用戶程序存儲區(qū)：用于存放用戶經(jīng)編程器或計算機輸入的應用程序。一般采用EPROM或 EEPROM存儲器，用戶可檫寫重新編程。用戶程序存儲器的容量一般就代表 PLC的標稱容量。通常，小型機小于 8KB，中型機小于 50KB，而大型機可以在 50KB以上。 ③ 通信接口：主控模塊通常有一個或一個以上的通信接口（簡稱通信口），用以與計算機，編程器相連，實現(xiàn)編程，調試，運行，監(jiān)視等功能。 （ 2）輸入 /輸出模塊 PLC的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O模 塊實現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量，如溫度，壓力，液位，速度，電壓，開關量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應的 I/O模塊作為 CPU 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的橋梁。且這些模塊應具有較好的抗干擾能力。目前，生產(chǎn)廠家已開發(fā)出各種型號的模塊供用戶選擇。對于輸入 /輸出模塊有：數(shù)字量輸入 /輸出模塊，開關量輸入 /輸出模塊，模擬量輸入 /輸出模塊，交流新號輸入 /輸出模塊， 220V交流輸入 /輸出模塊。還有智能模塊，它本身帶 CPU，存儲器和監(jiān)控系統(tǒng)，可獨立完成各種運算。智能模塊的種類很多，如高速計數(shù)模塊， PID調節(jié)的模擬量控制模塊，閥門控制模 塊，智能存儲模塊和智能 I/O模塊。 （ 3）電源模塊 該模塊將交流電源轉換成供 CPU存儲器所需的直流電源，是整個 PLC系統(tǒng)的能源供給中心。它的好壞直接影響到 PLC的功能和可靠性。目前，大多數(shù) PLC采用高質量的開關式穩(wěn)壓電源，與普通電源相比， PLC的電源工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力也強。有些機器的電源除了供內(nèi)部電路使用外，還向外提供 24VDC的穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器的需要，這樣就避免了因外部電源不合格而引起的外部故障。 I/O電路 PLC的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號。 經(jīng)過 PLC 處理后，通過執(zhí)行裝置實現(xiàn)控制。輸入電路就是被控對象（需要進行控制的機器，設備和生產(chǎn)過程）進行檢測，采集，轉換和輸入。另外，安裝在控制臺上的按鈕，開關等也可以向 PLC送控制指令。輸出電路的功能就是接受 PLC輸出的控制信號，對被孔對象執(zhí)行控制任務。 PLC外圍設備 PLC的外圍設備很多，但基本功能不外乎對信息和數(shù)據(jù)的處理。常用的有編程器，湖南鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 10 可編程終端，打印機，條碼讀入機等等。編程器 PLC的重要外圍設備之一，它可以將用戶編寫的程序送到 PLC的用戶程序存儲器。因此，它的主要任務是輸入程序，調 試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。可編程終端是具有 I/O功能的 PLC人機界面產(chǎn)品。人可以通過觸摸屏幕將信息輸入 PLC中同樣可編程終端也可以將 PLC的輸入數(shù)據(jù)和信息顯示在屏幕上。 軟件的組成 PLC控制系統(tǒng)的軟件主要是系統(tǒng)軟件，應用軟件，編程語言及編程支持工具軟件幾個部分組成。 PLC系統(tǒng)軟件與工作過程 PLC系統(tǒng)軟件是 PLC 工作所必須的軟件。在系統(tǒng)軟件的支持西， PLC 對用戶程序進行逐條的解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結束，然后返回到程序的起始又開始新的一輪掃描。 PLC的這種工作方式 就稱之為循環(huán)掃描。 值得注意的是在繼電器控制系統(tǒng)中，一個繼電器的線圈被接通或斷開，繼電器的所用觸點（常開觸點和常閉觸點）都會立即動作。但在 PLC中，由于采用的是循環(huán)掃描的工作方式，所用只有掃描到 ” 線圈 ” 的觸點時，才會動作，沒有掃描到時，觸點就不會動。并且 PLC掃描一次用戶程序的時間即掃描周期與擁護程序的長短和掃描速度有關，一般為 1ms至幾十毫秒?，F(xiàn)以 OMRONP 型機為例來說明 PLC掃描的工作過程，如上圖在沒有掃描之前， PLC首先應保證自身的完好性。接通電源之后，為消除各元件狀態(tài)的隨機性，進行清零或復 位處理，檢查 I/O單元連接是否正確，再執(zhí)行一段程序。使它涉及到各種指令和內(nèi)存單元，如果執(zhí)行的時間不超過規(guī)定的時間范圍，則證明自身完好，否則系統(tǒng)關閉。上述操作完成后，將時間監(jiān)視定時復位，才允許掃描用戶程序。 公共操作公共操作是在每次掃描程序前又一次自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了報警顯示燈亮之外，還判斷故障性質。一般性故障，只報警不停機，等待處理；對于嚴重故障，則停止運行用戶程序，此時 PLC切斷一切輸出。 I/O數(shù)據(jù)輸入 /輸出操作有的稱為 I/O狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一是采樣輸入信號（即刷新輸入狀態(tài)的 內(nèi)容）；二是送出處理結果（即按輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路）。 ① 輸入映象存儲器及刷新。由上圖所示可知送入 PLC端子上的輸入信號，經(jīng)過電隔離，電平轉換，濾波處理后，進入緩沖器內(nèi) CPU的采樣。在 PLC的存儲器有一個專門存放 I/O數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，稱之為輸入映象存儲器。當 CPU采樣時，輸入信號由緩沖區(qū)進入映象區(qū)。接著就是數(shù)據(jù)輸入或輸出狀態(tài)刷新。 只有在采樣刷新的時刻，輸入映象存儲器中的內(nèi)容才與輸入信號（不考慮電路固有的慣性和濾波滯后影響）一致，其他時間范圍輸入信號變化是不會影 響映象存儲器湖南鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 11 的內(nèi)容的。由于 PLC掃描周期一般只有幾十毫秒，所以兩次采樣時間很短，對一般開關量來說，可以認為沒有因間斷采樣引起的誤差。即認為輸入信號一旦變化，就能立即進入輸入映象的存儲器內(nèi)。 ② 輸出映象存儲器及輸出狀態(tài)刷新。同樣道理， CPU不能直接驅動負載。按用戶程序要求及當前輸入狀態(tài)，要保持到下次刷新為止。同樣，對于變化較慢的控制過程來說，因為兩次刷新的時間間隔和輸出電路的慣性時間常數(shù)一般才幾十毫秒，可以認為輸出信號是及時的。 ⑶ 執(zhí)行用戶程序這里又包括監(jiān)視與執(zhí)行兩部分。 ① 監(jiān)視定時器 WDT。監(jiān)視定時器就 T1是通常所說的 ” 看門狗 ”WDT（ WatchDogTimer），它是用來監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常。正常時，執(zhí)行完用戶程序多用的時間不會超過 T1，在程序復位 WDT，即執(zhí)行程序并開始計時：執(zhí)行完用戶程序后立即令 WDT復位，表示程序執(zhí)行正常。當程序執(zhí)行過程中因某種干擾使掃描失控或進入死循環(huán)，則 WDT會發(fā)出超時報警信號，使程序重新開始執(zhí)行。如果是偶然因素造成超時，重新程序不會再遇到 ” 偶然干擾 ” ，系統(tǒng)便轉入正常運行；若由于不可恢復的確定性故障，則系統(tǒng)會自動地停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負載，發(fā)出故障信 號，等待處理。 ② 執(zhí)行用戶程序。用戶程序是放在用戶程序存儲器中的，掃描時，按順序從零步開始，逐步解釋和執(zhí)行，直到執(zhí)行 END指令才結束對用戶程序的掃描。 應用軟件 PLC控制系統(tǒng)的應用軟件是指為完成 PLC 實際控制任務而編制的各種軟件。隨著PLC應用領域范圍的不斷擴大，應用水平的提高， PLC應用軟件也大大豐富起來了。 PLC應用軟件與一般計算機信息處理軟件相比，有很大不同， PLC應用軟件有以下幾個特點： ⑴ 應用軟件設計必須與生產(chǎn)工藝緊密結合。生產(chǎn)工藝要求不同，控制的功能也就要求不同 ，即使是相同的生產(chǎn)過程，由于各種設備的工藝參數(shù)不一樣，控制實現(xiàn)的方式也不一樣。所以程序設計人員必須深入現(xiàn)場，嚴格尊守生產(chǎn)工藝的具體要求來設計應用程序。 ⑵ 應用軟件與硬件緊密相關。軟件設計人員不能拋開硬件配置和系統(tǒng)孤立地考慮軟件設計。設計必須根據(jù)硬件系統(tǒng)，接口的實際情況進行相應的程序設計。 ⑶PLC 應用軟件的設計需要計算機，自動控制技術甚至網(wǎng)絡通信技術等多種知識。特別是 PLC網(wǎng)絡的出現(xiàn)， PLC控制系統(tǒng)不再是一個單獨的裝置。在控制系統(tǒng)中，可能包括有多臺不同型號的 PLC，計算機，外圍設備等。因此在 進行軟件設計時，實現(xiàn)和處理某種控制功能都離不開計算機，自動控制和通信技術。因此，應用程序中不僅有PLC程序，還有計算機程序和通信網(wǎng)絡程序等。 湖南鐵道職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 12 編程語言及編程支持工具軟件 PLC有多種編程語言：梯形圖語言，助記符語言，邏輯功能圖語言，布爾代數(shù)語言和某些高級語言（ Basic， C語言等）。但使用廣泛的還是梯形圖語言和助記符語言。現(xiàn)在世界上各個 PLC生產(chǎn)廠家都研制了自己的 PLC編程支持工具軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件。用戶可以根據(jù)自己的需要利用這些軟件來改善軟件的開發(fā)環(huán)境，提高編程效率。 3． 3PLC 控制系統(tǒng) 的發(fā)展趨勢 PLC當初是針對工業(yè)順序控制發(fā)展而研制的。經(jīng)過 30幾年的迅速發(fā)展， PLC已不僅能進行開關量控制，而且還能進行模擬量控制，位置控制。特別是 PLC的通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使得 PLC 如虎添翼，由單機控制向多機控制，由集中控制向多層次分布式控制系統(tǒng)發(fā)展?，F(xiàn)在 PLC的足跡已遍布了國民經(jīng)濟的各個領域，形成了滿足各種需要的 PLC應用系統(tǒng)。 今后 PLC控制系統(tǒng)將朝什么方向發(fā)展呢？在市場經(jīng)濟發(fā)達的今天，產(chǎn)品的發(fā)展取決于市場的需求。 PLC的主要應用領域是自動化。不同的企業(yè)對自動化的要求，規(guī)模以及投資數(shù)額都不相同，存在 著不同的層次需求。從我國目前正在開展的以高新技術帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展形式來看，我們不僅要大力發(fā)展適合于大，中型企業(yè)的高水準的 PLC網(wǎng)絡，而且也要發(fā)展合適小型企業(yè)該找的性能價格比高的小型 PLC控制系統(tǒng)。所以今后PLC控制系統(tǒng)將朝著兩個方向發(fā)展：一是向小型化，微型化系統(tǒng)方向發(fā)展。作為控制系統(tǒng)的關鍵設備， PLC 將朝著體