【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 2 PLC 和 HMI 基礎(chǔ) 可編程控制器基礎(chǔ) 可編程邏輯控制器是一種 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器的產(chǎn)生和應(yīng)用 20 世紀(jì) 60 年代 ，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入電路不匹配、編程難度大以及難于適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得推廣。 1968 年，美國通用汽車公司（ GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，立即引發(fā)了開發(fā)熱潮。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來 。 隨著 PLC 功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高， PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 鋼鐵、石油、化工、電 力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè) 。 PLC 的應(yīng)用范圍通常可分為開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng) 控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等 [5]。 可編程控制器的 組成和工作原理 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。 無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看， PLC 都是由 CPU、存儲(chǔ)器、 I/O 接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 21 PLC 基本結(jié)構(gòu)圖 CPU（中央處理器） CPU 是 PLC 的核心，由運(yùn)算器、控制器、寄存器、系統(tǒng) 總線， 外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路構(gòu)成。它的功能是接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等，是 PLC 不可缺少的組成單元。 主要功能包括以下幾 個(gè)方面。 （ 1）接收從編程器或者計(jì)算機(jī)輸入的程序和數(shù)據(jù)，并送入用戶程序存儲(chǔ)器 存 儲(chǔ)。 （ 2）監(jiān)視電源、 PLC 內(nèi)部各個(gè)單元電路的工作狀態(tài)。 （ 3）診斷編程過程中的語法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯。 （ 4）在 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，并分析、執(zhí)行該指令。 （ 5）采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的數(shù)據(jù)，并存入指定的寄存器中。 （ 6）按程序進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。 （ 7）根據(jù)輸出狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，將結(jié)果送到輸出接口。 （ 8）響應(yīng)中斷和各種外圍設(shè) 備（如編程器、打印機(jī)等）的任務(wù)處理請(qǐng)求。 I/O 接口 PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置 能力 的限制 ，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)， 輸 入 接 口 中 央 處 理 單 元CPU 輸 出 接 口 電源 存儲(chǔ)單元 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 PLC 的對(duì)外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊于外界聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)的。 輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng) I/O 裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設(shè)備之間的傳遞信息的作用。 I/O 模塊分為開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲(chǔ)器（ ROM） ，具有掉 電不丟失信息的特性。用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶根據(jù)工藝要求或者控制功能設(shè)計(jì)的控制程序，早期一般采用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ RAM），需 要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM）或閃存 (Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。 電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入 220VAC 或 110VAC， 直流輸入通常是 24V。 智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外， PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O 模塊，如 熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、 位置控制、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程 I/O 控制、打印機(jī)等專用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。 I/O 模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好， 模塊的 I/O 容量越大，系統(tǒng)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。 編程設(shè)備 常見的編程設(shè)備有簡(jiǎn)易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶程序，對(duì)系統(tǒng)作些設(shè)定，監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設(shè)備在 PLC 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、監(jiān)控運(yùn)行和檢查維護(hù)中是不可缺少的部件，但不直接參與現(xiàn)場(chǎng)的控制。 PLC 本質(zhì)上就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其工作原理與普通計(jì)算機(jī)類似，具有計(jì)算機(jī)的許多特點(diǎn)。但其工作方式卻與計(jì)算機(jī)有著較大的不同，具有一定的特殊性。 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時(shí)逐條順序掃描用 戶程序，如果一個(gè)線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，需 等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作 [6]。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 可編程控制器的分類及特點(diǎn) 根據(jù) PLC 的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。 還可以按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類，根據(jù) PLC的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少 ，可將 PLC 分為小型、中型、大型和超大型四類 : ? I／ O 點(diǎn)數(shù)在 256 以下為小型 PLC； ? I／ O 點(diǎn)數(shù)在 256～ 1024 為中型 PLC； ? I／ O 點(diǎn)數(shù)大于 1024 為大型 PLC； ? I／ O 點(diǎn)數(shù)在 4000 以上為超大型 PLC 可編程控制器有可靠性高、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修 方便、采用模塊化結(jié)構(gòu)、接口模塊豐富、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短等特點(diǎn) [7]。 人機(jī)界面基礎(chǔ) 隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機(jī)界面（ HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點(diǎn)，正好滿足這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。 人機(jī) 界面的定義 人機(jī)界面是指 連接可編程 控制器（ PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備 ,由硬件和軟件兩部分組成。 人機(jī)界面產(chǎn)品的組成及工作原理 人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存 貯單元等，其中處理器的性能決定了 HMI 產(chǎn)品的性能高低，是HMI 的核心單元。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級(jí)不同，處理器可分別選用 8 位、 16 位、 32 位的處理器。 HMI 軟件分為兩部分 ， 即運(yùn)行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于 PC 機(jī)Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作 “工程文件 ”，再通過 PC 機(jī)和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的 “工程文件 ”下載到 HMI的處理器中運(yùn)行。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 人機(jī)界面產(chǎn)品的特點(diǎn) (1) 系統(tǒng)運(yùn)行過程清晰化 控制過程可以動(dòng)態(tài)地顯示在 HMI 設(shè)備上。例如：爐子加 熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個(gè)控制系統(tǒng)變得形象易懂 ，也更加清晰。 (2) 系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單化 操作員可以通過 監(jiān)控界面 來控制過程。 可 從 監(jiān)控界面上啟動(dòng)和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置 PID 參數(shù)等。 (3) 顯示報(bào)警 控制過程達(dá)到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng) 加熱功率超出上下限時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。 (4) 數(shù)據(jù)歸檔 HMI 系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報(bào)警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過程變量等。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 3 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 弄懂 PLC 的基本工作原理和指令系統(tǒng)后 ,就可以把 PLC 應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。無論是用 PLC 組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)， PLC 控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖 所示的步驟。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象 (生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則往往會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為 4 點(diǎn)。 設(shè)計(jì)原則 (1)完整性原 則。最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。 (2)可靠性原則。確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。 (3)經(jīng)濟(jì)型原則。力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用、合理。 (4)發(fā)展性原則。適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面留有余地。 評(píng)估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。 (1) 控制規(guī)模 一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的 I/O 設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí) ,特別是開關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時(shí)，最適合采用 PLC 控制。 (2) 工藝復(fù)雜程度 當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時(shí) ,采用 PLC 控制具有更大的優(yōu)越性 。 (3) 可靠性要求 目前 ,當(dāng) I/O 點(diǎn)數(shù)在 20 甚至更少時(shí)，就趨向于選擇 PLC 控制了。 (4) 數(shù)據(jù)處理速度 若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 一般步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包 括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指 PLC 外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下 5 步進(jìn)行。 熟悉被控對(duì)象 深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對(duì)被控對(duì)象所有功能全面的了解，對(duì)對(duì)象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)評(píng)估 控制任務(wù) PLC機(jī)型的選擇 硬件連線 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC安裝 連接 程序檢查、調(diào)試 控制流程的設(shè)計(jì) 程序備份 修改軟、硬件 投入使用 是否滿足要求 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù) 。電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系 。PLC 與其他設(shè)備的關(guān)系， PLC 之間是否通信聯(lián)網(wǎng) 。系統(tǒng) 的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。 硬件選擇 具體包括如下。 (1) 系統(tǒng) I/O 設(shè)備的選擇 。輸入設(shè)備包括 按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等 。輸出設(shè)備包括繼電器、 接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等 。 (2) 選擇 PLC。 PLC 選擇包括對(duì) PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模 塊、電源等的選擇 。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。在進(jìn)行 I/O 通道分配時(shí)應(yīng)給出 I/O 通道分配表，表中應(yīng)包含 I/O 編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱及功能等。 (4) 繪制 PLC 外圍硬件線路 圖。 畫出系統(tǒng)其它部分的電 氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入 PLC 的控制電路等。由 PLC 的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 (5)計(jì)數(shù)