【文章內(nèi)容簡介】 7 使用了世界上第一個(gè) 在一塊芯片上實(shí)現(xiàn) PLC 全部功能的 32 位微處理器、即順序控制芯片，其掃描時(shí)間為每條基本指令 。 2. 增強(qiáng)小型 PLC 的功能 小型 PLC 一般指 I/O 點(diǎn)數(shù)小于 256 的 PLC，大多數(shù)采用整體結(jié)構(gòu)，小型 PLC 價(jià)格便宜，性價(jià)比不斷提高，很使用單機(jī)自動(dòng)化，或組成分布式系統(tǒng)。近年來， PLC 廠商不斷推出功能更強(qiáng)的小型 PLC，更新?lián)Q代的周期越來越短。除了開關(guān)量邏輯控制功能以外，現(xiàn)代小型 PLC 還具有中斷功能、脈沖捕獲功能、內(nèi)置的實(shí)時(shí)鐘、用 EEPROM 代替 RAM 和鋰電池，使 PLC 成為完成完全免維護(hù)的設(shè)備，將過去許多需要特 殊功能模塊完成的功能軟件化，如用 PID 指令實(shí)現(xiàn) PID 控制，用定位控制實(shí)現(xiàn)位置控制。各 PLC 廠家近年來推出一些價(jià)格便宜的專用人機(jī)接口裝置，用來監(jiān)視 PLC 的內(nèi)部變量和修改參數(shù)。與西門子 S7200配套的 TD200文本顯器可顯示兩行中文，每行 10或 20 個(gè)字符，可用 S7200編程軟件設(shè)置 TD200 的顯示內(nèi)容。 3. 不斷提高編程軟件的功能 （ 1）編程軟件日益普及 （ 2）編程軟件功能不斷完善 （ 3）編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化 （ 4） 編程軟件配備仿真功能，如西門子 S7200 與 STEP7 編程軟件配套使用的S7PLCSIM 仿 真軟件。 （ 5） 通訊功能的增強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)化 （ 6） PLC 的軟件化與 PC 主要用途 PLC 編程一般采用易于理解和掌握的梯形圖語言及面向工業(yè)控制的簡單指令編制程序，非常形象直觀，在了解了 PLC 簡單工作原理和它的編程技術(shù)后，就可以結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，進(jìn)而將 PLC 用語實(shí)際控制系統(tǒng)中，此外， PLC 還具有使用和編程方便，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在實(shí)際運(yùn)用中設(shè)施施工周期短等特點(diǎn)，是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的理想工具。 PLC 誕生后，受到工業(yè)界的普遍歡迎，并得到迅速發(fā)展，目前，它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)， 而且隨著 PLC 技術(shù)的推廣和應(yīng)用， PLC 將向著標(biāo)準(zhǔn)化，小型化，模塊化及低成本，高功能的方向發(fā)展。 32PLC 與一般的計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，由中央處理單元（ CPU），存儲器（ MEMERY），輸入 /輸出（ INPUT/OUTPUT）接口，電源部件外部設(shè)備接口等，但由于 PLC 專為工業(yè)環(huán)境下設(shè)計(jì)的，為了便于接線，擴(kuò)充功能，操作及維護(hù)，它的結(jié)構(gòu)與組成又與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有所區(qū)別。 可編程控制器 特點(diǎn) 中央處理單元（ CPU）是 PLC 控制部件，一般由控制電路，運(yùn)算器，寄存器等組成，通過地址及數(shù)據(jù)總線與存儲器， I/O 接口電路連接， 它主要完成從存儲器中讀取指令并執(zhí)行，然后再取下一條指令，處理中斷等任務(wù)。 存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路， PLC 的存儲器包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。其中，系統(tǒng)程序是 PLC 制造廠家編寫的控制和完成各種功能的程序，他們一般被固化到只讀存儲器（ RAM）中，允許修改，并用戶啟動(dòng)運(yùn)行。 輸入 /輸出借口電路用來連接 PLC 主機(jī)與外部設(shè)備。為了提高抗干擾能力，一般的輸入，輸出接口均有光電隔離裝置，最常用的是由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器。我們所用的 OMRON CPM1A 系列 PLC 的輸入 /輸出借口電路圖如 下圖所示： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 8 由于輸入及輸出的升年時(shí)秒度即可能是數(shù)字能量，又有可能是開關(guān)量或者模擬量，所以，選擇接口部件時(shí)要考慮接口處的信號的性質(zhì)。 電源部件用來將用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供 PLC 的各部分電子電路工作所需的直流電源，是 PLC 能正常工作。由于 PLC 的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此它對外部電源的要求并不高，直流 24V 供電的機(jī)型，允許電壓為 1632V。交流供電的機(jī)型，允許電壓為 85264V，頻率為 4753HZ，一般情況下， PLC 還為用戶提供 24V 直流電源作為輸入電源或負(fù)載電源。 可編程控制器是一種數(shù)字式 的電子裝置，它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能。用來對各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。 自 1969 年第一臺可控編程控制器問世以來，目前可編程控制器已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器。 PLC 所以被廣泛應(yīng)用，是由它的突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的性能分不開的，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對工業(yè)控制設(shè)備安全可靠的要求， PLC 采用了微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸電的的半導(dǎo)體電路來完成， PLC 選用的電子器件一般是工業(yè)機(jī)，有的甚至是軍用機(jī)，平均無故障時(shí)間很長。 PLC 具有良好的環(huán) 境適應(yīng)性，可用于十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。再電源瞬間斷電的情況下仍可以正常工作，具有很強(qiáng)的的抗空間電磁干擾能力，可以抗峰值高達(dá) 1000V、脈寬10us 的矩形波空間電磁干擾，具有良好的抗震能力和抗沖擊能力。一般對環(huán)境溫度要求不高，在環(huán)境溫度 20— 65 度、相對濕度為 35%85%情況下仍可正常工作。 可編程序控制器采用 SIEMENS 的 S7200 系列 CPU224 主機(jī)， I/O 點(diǎn)數(shù)為 40 點(diǎn) (14個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn) )，具有 2 個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。自由通訊口 方式是 S7200 PLC 的一個(gè)很有特色的功能，它使 S7200 PLC 可以由用戶自己定義通訊協(xié)議。利于自由通訊口方式，在本系統(tǒng)中 PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用 4 路 12 位 A/D 模擬量輸入的 EM231模塊，具有較高的精度。 PLC 編程采用 STEP7Micro/WIN 編程軟件，它提供一個(gè)完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換 . 可編程控制器能如此迅速的發(fā)展的原因是由于它具有通用計(jì)算機(jī)所不具備的特點(diǎn)： 1 可靠性 可編程控制器采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法 進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如：冗余設(shè)計(jì)、掉電保護(hù)設(shè)計(jì)、故障診斷、和信息保護(hù)和恢復(fù)等，提高了 MTBF，降低了 MTTR，使可靠性得到提高。可編程序控制器是為了工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了簡化的編程語言，變成出錯(cuò)率大大降低。在可編程控制器的軟件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用軟件過濾；軟件自診斷；簡化編程語言；信息保護(hù)和恢復(fù)。報(bào)警和運(yùn)行信息的顯示等。 2 易操作性 著體現(xiàn)在它的操作方便、編程方便、維護(hù)方便。 3 靈活性 編程的靈活性。編程 語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖、和語句表。這種編程的靈活性是繼電器順序控制所不能比擬的，正是由于編程的柔性特點(diǎn)，再柔性制造單元 FMC、柔性制造系統(tǒng) FMS、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS 和計(jì)算機(jī)集成流程工業(yè)系統(tǒng) CIPS，可編程控制系統(tǒng)成為主要的控制設(shè)備。 擴(kuò)展的靈活性。它不僅可通過增加輸入輸出卡件增加點(diǎn)數(shù)，通過擴(kuò)展單元來擴(kuò)大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統(tǒng) DCS 或其他上位機(jī)的通信來擴(kuò)展功能，并與外部設(shè)備進(jìn)行交換等。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 9 可編程控制器的組成 如圖所示， PLC 與通用計(jì)算機(jī)沒有什么區(qū)別，只是一臺增強(qiáng)了 I/O 功能的可與控制對象方便連接的計(jì)算機(jī)。其完成控制的實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行 I／ O 變換，并將這個(gè)變換物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場 。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按位進(jìn)行尋址，每一位對應(yīng)一個(gè)開關(guān)量，其值反映了開關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由輸入開關(guān)量驅(qū)動(dòng)，并保持一個(gè)掃描周期。 CPU 可以讀其值，但不可以寫或進(jìn)行修改。 圖 21. PLC 的組成 2. 輸出寄存器 輸出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一個(gè)時(shí)間段的輸出值 ,而程序循環(huán)執(zhí)行開始時(shí)的輸出寄存器的值 ,表明的是上一時(shí)間段的真實(shí)輸出值。在程序執(zhí)行過程中 ,CPU 可以讀其值 ,并作為條件參加控制 ,還可以修改其值 ,而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個(gè)循環(huán)的尾部時(shí)的值才影響下一時(shí)間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點(diǎn)的真實(shí)值產(chǎn)生影響。 3. 存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改， PLC 要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需要的資源， I/O 寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的 控制功能。 4. CPU 單元 CPU 單元控制著 I／ O 寄存器的讀、寫時(shí)序，以及對存儲器單元中程序的解釋執(zhí)行工作，是 PLC 的大腦。 5. 其它接口單元 其它接口單元用于提供 PLC 與其它設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理?xiàng)l件。 PLC的工作原理 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 10 CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。如下圖所示， CPU 的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請求、執(zhí)行 CPU 自診斷測試及寫輸出等內(nèi)容。 PLC 可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。它一直周而復(fù)始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的 一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)， PLC 也在掃描，只不過在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內(nèi)容。典型的 PLC 在一個(gè)周期中可完成以下 5 個(gè)掃描過程。 。為保證設(shè)備的可靠性，及時(shí)反應(yīng)所出現(xiàn)的故障， PLC 都具有自監(jiān)視功能。自監(jiān)視功能主要由時(shí)間監(jiān)視器完成。 WDT 是一個(gè)硬件定時(shí)器，每一個(gè)掃描周期開始前都被復(fù)位。 WDT 的定時(shí)可由用戶修改，一般在 100～ 200ms 之間。其它的執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤可由程序設(shè)計(jì)者通過標(biāo)志位進(jìn)行處理。 。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過 程，配有網(wǎng)絡(luò)的 PLC系統(tǒng)才有通信掃描過程，這一過程用于 PLC 之間及 PLC 與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。 。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一掃描周期內(nèi)部包換掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是可控的，即用戶可以通過軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長短，會影響過程所用的時(shí)間 . 。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一時(shí)間。個(gè)掃描周期內(nèi)都包含這個(gè)掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。 CPU 在處理用戶程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸 出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映像寄存器：一個(gè)為輸入映像寄存器，另一個(gè)為輸出映像寄存器。用戶程序中所用的輸入值是輸入映像寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器中。在輸入掃描過程中， CPU 把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器；在輸出過程中， CPU把輸出映像寄存器的值鎖定到實(shí)際輸出點(diǎn)。為了現(xiàn)場調(diào)試方便， PLC 具有 I/O 控制功能，用戶可以通過編程器封鎖或開放 I／ O。封鎖 I／ O 就是關(guān)閉 I／ O 掃描過程。 下圖描述了信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。 在讀輸入階段， CPU 對各個(gè)輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入 點(diǎn)的狀態(tài)鎖入輸入映像寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段， CPU 按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像寄存器中。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變 — 輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入階段才被集中讀入。在寫輸出階段，將輸出映像寄存器的狀態(tài)集中鎖定到輸出鎖存器，再經(jīng)輸出電路傳遞到輸出端子。 由上述分析得出循環(huán)掃描有如下特點(diǎn)： (一 ) 掃描過程周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、寫輸出和用戶 程序是否執(zhí)行是可控的。 (二 ) 輸入映像寄存器的內(nèi)容是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，在程序執(zhí)行過程中的一個(gè)工作周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變， CPU 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像積存的值來控制程序的執(zhí)行。 (三 ) 程序執(zhí)行完后的輸出映像寄存器的值決定了下一個(gè)掃描周期的輸出值，而在程序執(zhí)行階段，輸出映像寄存器的值即可以作為控制程序執(zhí)行的條件，同時(shí)又可以被程序修改用于存儲中間結(jié)果或下一個(gè)掃描周期的輸出結(jié)果。此時(shí)的修改不會影響輸出鎖存器的現(xiàn)在輸出值，這是與輸入映像寄存器完全不同的。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 11 (四 )對同一個(gè)輸出單元的多次使用、修 改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。由于輸出映像寄存器的值可以作為程序執(zhí)行的條件，所以程序的下一個(gè)掃描周期的集中輸出結(jié)果是與編程順序有關(guān)的，即最后一次的修改決定了下一個(gè)周期的輸出值，這是編程人員要注意的問題。 各個(gè)電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要缺點(diǎn)。各 PLC廠家為了縮小延遲采取了很多措施，編程人員應(yīng)對所使用型號的 PLC 的延遲時(shí)間的長短很清楚，它是進(jìn)行 PLC 選型時(shí)的重要指標(biāo)。 主要功能 PLC 的外部設(shè)備中，最重要的就是編程器，它用來對用戶程序進(jìn)行寫入，檢查，修改和調(diào)試，也可以在線監(jiān)視 PLC 的運(yùn)行，它經(jīng)過編程器接口與 CPU 聯(lián)系，完成人 機(jī)對話。目前，有很多 PLC 都可以利用