【文章內(nèi)容簡介】 機進行現(xiàn)在控制，計算機做上位機信息處 理。計算機與 PLC之間通過通信線路實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成，構(gòu)成一個功能較強的完整的控制系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較 由前所述可知， PLC是由繼電器邏輯控制系統(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(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。而 PLC 隨微電技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)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(luò)，構(gòu)成了以 PLC 為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著 PLC 網(wǎng)絡(luò)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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shè)備，軟件是指管理 PLC 的系統(tǒng)軟件， PLC 的應(yīng)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(shè)備等組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用的需要而定，可大可小。下面對構(gòu)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(jié)構(gòu)（ 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(gòu)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(shù)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(diào)工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)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(yīng)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(yīng)的內(nèi)部控 制信號，完成用戶指令規(guī)定的各種操作。響應(yīng)外部設(shè)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(shù)，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(shù)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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(guān)，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(yù)置和當(dāng)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(yīng)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(diào)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(guān)量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應(yīng)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(yīng)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(guān)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(diào)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(zhuǎn)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(zhì)量的開關(guān)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(shè)備和生產(chǎn)過程）進行檢測，采集，轉(zhuǎn)換和輸入。另外，安裝在控制臺上的按鈕，開關(guān)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(wù)。 PLC 外圍設(shè)備 PLC 的外圍設(shè)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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shè)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(wù)是輸入程序，調(diào)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(yīng)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(jié)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(guān)，一般為 1ms 至幾十毫秒。現(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(yīng)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(fù)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(guān)閉。上述操作完成后，將時間監(jiān)視定時復(fù)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(zhì)。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(jié)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(zhuǎn)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(yīng)輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，稱之為輸入映象 存儲器。當(dāng) 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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(guān)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(qū)動負載。按用戶程序要求及當(dāng)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(fù)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(fù)位，表示程序執(zhí)行正常。當(dāng)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(zhuǎn)入正常運行；若由于不可恢復(fù)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(jié)束對用戶程序的掃描。 應(yīng)用軟件 PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是指為完成 PLC 實際控制任務(wù)而編制的各種軟件。隨著PLC 應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴 大，應(yīng)用水平的提高， PLC 應(yīng)用軟件也大大豐富起來了。 PLC應(yīng)用軟件與一般計算機信息處理軟件相比，有很大不同， PLC 應(yīng)用軟件有以下幾個特點： ⑴ 應(yīng)用軟件設(shè)計必須與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)計應(yīng)用程序。 ⑵ 應(yīng)用軟件與硬件緊密相關(guān)。軟件設(shè)計人員不能拋開硬件配置和系統(tǒng)孤立地考慮軟件設(shè)計。設(shè)計必須根據(jù)硬件系統(tǒng)，接口的實際情況進行相應(yīng)的 程序設(shè)計。 ⑶PLC 應(yīng)用軟件的設(shè)計需要計算機，自動控制技術(shù)甚至網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種知識。特別是 PLC 網(wǎng)絡(luò)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(shè)備等。因此在進行軟件設(shè)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(shù)。因此，應(yīng)用程序中不僅有PLC 程序，還有計算機程序和通信網(wǎng)絡(luò)程序等。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)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?，F(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(dāng)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(guān)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(luò)技術(shù)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。現(xiàn)在 PLC 的足跡已遍布了國民經(jīng) 濟的各個領(lǐng)域，形成了滿足各種需要的 PLC 應(yīng)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。