【導讀】[1]教科書：胡壽松主編，《自動控制原理》，科學出版社，北京，20xx年第4版，65-132頁。[4]林小峰.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，[5]田瑞庭.可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之首。它采用可編程序的存儲器，用來存儲用戶指令，通過。各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。至整個工廠的自動化；從柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機器人到大型分散控制系統(tǒng)，PLC均承擔著重要角色。本論文闡述的主要內(nèi)容如下：。可編程控制器實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制中的應(yīng)用和研究以及理論與實踐相結(jié)合。編程控制器PLC在自動控制領(lǐng)域的最新應(yīng)用。PLC在未來的發(fā)展前景及走向。PLC已成為自動控制領(lǐng)域中先頭軍，同時它還會將在以后的自動控制領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用和。資料主要由指導老師提供及查閱參考書整理而成。PLC的結(jié)構(gòu)組成及工作-------------------------------------------8. 軟PLC控制技術(shù)綜述-----------------------------------------17. DCS控制系統(tǒng)與PLC控制區(qū)別------------------------------------21. PLC控制系統(tǒng)的概述---------------------------------------------22

　　

【正文】 展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面， DCS 和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方法上卻完全不同。 首先， DCS 的骨架 — 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是 DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于 DCS 整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家 都在這方面進行了精心的設(shè)計。對于 DCS 的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的 “ 確定 ” 的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，即通常所說的每秒比特數(shù)（ bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽?，無論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的 DCS 均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點數(shù)量應(yīng)比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行于較輕的通信負荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)實際運行過程中，各個節(jié)點的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。 常州信息職業(yè)技術(shù)學院 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 21 of 27 其次，這是一種完全對現(xiàn)場 I/O 處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DOS）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。一般一套 DCS 中要設(shè)置現(xiàn)場 I/O控制站 ，用以分擔整個系統(tǒng)的 I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點分擔數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。 DCS 的操作員站是處理一切與運行操作有關(guān)的人機界面（ HMIHuman Machine Interface 或 operator interface）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 DCS 的特點 DCS,（ Distributed Control System）分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習慣稱之為集散控制系統(tǒng)。 DCS 是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通 信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等 4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。 DCS 具有以下特點： （ 1） 高可靠性。由于 DCS 將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。 （ 2） 開放性。 DCS 采用開放式，標準化、模塊化和系列化設(shè) 計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。 DCS 控制系統(tǒng)與 PLC 控制區(qū)別 1. DCS 是一種 “ 分散式控制系統(tǒng) ” ，而 PLC 只是一種 (可編程控制器 )控制 “ 裝置 ” ，兩者是 “ 系統(tǒng) ” 與 “ 裝置 ” 的區(qū)別。系統(tǒng)可以實現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào) ,PLC 裝置只實現(xiàn)本單元所具備的功能 . 2. 在網(wǎng)絡(luò)方面 ,DCS 網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，和利時公司的 MACS 系統(tǒng)中的系統(tǒng)網(wǎng)采用的是雙冗余的 100Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)，采用的國際標準協(xié)議 TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好 .而 PLC 因為基本上都為個體工作，其在與別的 PLC 或上位機進行通訊時，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標準不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上， PLC 沒有很好的保護措施。我們采用電源 ,CPU,網(wǎng)絡(luò)雙冗余 . 3. DCS 整體考慮方案 ,操作員站都具備工程師站功能 ,站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)系，任何站、任何功能、任何被控裝置間都是相互連鎖控制 , 協(xié)調(diào)控制 。而單用 PLC 互相連接構(gòu)成的 系統(tǒng)，其站與站（ PLC 與 PLC）之間的聯(lián)系則是一種松散連接方式，是做不出協(xié)調(diào)控制的功能。 4. DCS 在整個設(shè)計上就留有大量的可擴展性接口，外接系統(tǒng)或擴展系統(tǒng)都十分方便，PLC 所搭接的整個系統(tǒng)完成后，想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現(xiàn)的。 5. DCS 安全性：為保證 DCS 控制的設(shè)備的安全可靠， DCS 采用了雙冗余的控制單元，當重要控制單元出現(xiàn)故障時，都會有相關(guān)的冗余單元實時無擾的切換為工作單元，保證整個系統(tǒng)的安全可靠。 PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念，就更談不上冗余控制策略。特別是當其某個 PLC 單元 發(fā)生故障時，不得不將整個系統(tǒng)停下來，才能進行更換維護并需重新編程。所以 DCS 系統(tǒng)要比其安全可靠性上高一個等級。 ，對各種工藝控制方案更新是 DCS 的一項最基本的功能，當某個方案發(fā)生 常州信息職業(yè)技術(shù)學院 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 22 of 27 變化后，工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后，執(zhí)行下裝命令就可以了，下裝過程是由系統(tǒng)自動完成的，不影響原控制方案運行。系統(tǒng)各種控制軟件與算法可以將工藝要求控制對象控制精度提高。而對于 PLC 構(gòu)成的系統(tǒng)來說，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個 PLC，然后要用與之對應(yīng)的編譯器進行程序編譯，最后再用專用的機 器（讀寫器）專門一對一的將程序傳送給這個 PLC，在系統(tǒng)調(diào)試期間，大量增加調(diào)試時間和調(diào)試成本，而且極其不利于日后的維護。在控制精度上相差甚遠。這就決定了為什么在大中型控制項目中（ 500 點以上），基本不采用全部由 PLC 所連接而成的系統(tǒng)的原因。 7. 模塊： DCS 系統(tǒng)所有 I/O 模塊都帶有 CPU，可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)判斷與標量變換，故障帶電插拔，隨機更換。而 PLC 模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元，沒有智能芯片，故障后相應(yīng)單元全部癱瘓 3. PLC 在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 PLC 控制系統(tǒng)概述 PLC 是一種專為 在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng) ,它將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體 ,成為實現(xiàn)單機、車間、工廠自動化的核心設(shè)備 ,具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸多優(yōu)點。隨著技術(shù)的進步 ,其控制功能由簡單的邏輯控制、順序控制發(fā)展為復雜的連續(xù)控制和過程控制 ,成為自動化領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱 (PLC、機器人、 CAD/CAM)之一。其主要應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域有 :順序控制、過程控制、位置控制、生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。近年來 ,PLC 生產(chǎn)廠商不斷推出功能更強的小型 PLC,更新?lián)Q代的周期越來 越短。如三菱公司的小型 PLCFX 系列先后推出了 FX FX0S、 FX0N、 FX2C、 FX2N、 FX2NC、 FX1S 和 FX1N 等系列 ,它們的性能價格比越來越高。除了開關(guān)量邏輯控制功能外 ,現(xiàn)代的小型 PLC 一般具有以下功能 :(1)多種工作模式的 32 位高速計數(shù)器 ,當計數(shù)值達到預(yù)置值時 ,用中斷方式改變 PLC 的輸出。高速計數(shù)功能是用中斷方式實現(xiàn)的 ,因此其計數(shù)頻率受到限制。三菱的 FX1S 和 FX1N 的計數(shù)頻率可達100kHz。 (2)包括脈沖列輸出 (PTO)和脈寬調(diào)制 (PWM)的高速輸出功能 ,FX1S、 FX1N 的輸出脈沖頻率 可達 100kHz。 (3)中斷功能 ,包括開關(guān)量輸入中斷、定時中斷、高速計數(shù)輸入中斷、高速脈沖輸出中斷和通信中斷等。 (4)脈沖捕獲功能 ,可捕獲脈寬為數(shù) 10μ s 的輸入脈沖 (5)內(nèi)置的實時鐘 ,或可以選配實時鐘模塊。 (6)內(nèi)置的 1 個或 2 個模擬量輸入電位器 ,可用于調(diào)節(jié)控制參數(shù) ,如修改定時器的設(shè)定值。 FX2N 可選配有 8 個模擬量輸入電位器的功能擴展板。 (8)用 EEPROM 代替 RAM 和鋰電池 ,使 PLC 成為完全免維護的設(shè)備。有的小型 PLC具有超高速的運算速度 ,如 FX2N 執(zhí)行基本指令的時間僅 s,運算速度遠遠高于某些大中 型 PLC 的運算速度。小型 PLC 不斷增加特殊功能模塊的品種 ,一般有下列特殊模塊 :模擬量輸入輸出模塊、熱電阻 /熱電偶溫度傳感器模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊、高速計數(shù)模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、可編程凸輪開關(guān)模塊和多種通信模塊等。 FX 系列 PLC 的功能擴展板體積小巧 ,價格便宜 ,可安裝在基本單元內(nèi)。 FX 系列有下述功能擴展板 :4 點開關(guān)量輸入板、 2 點開關(guān)量輸出板、 2 路模擬量輸入板、 1 路模擬量輸出板、 8 點模擬量調(diào)整板 ,RS232C、 RS485 和 RS422 通信板。 PLC 編程軟件 (1)編程軟件普及 :PLC 的手 持式編程器編程功能有限 ,使用不便。隨著計算機的迅速普及、升級以及編程軟件性能的不斷提高 ,使用編程軟件的人越來越多 ,筆記本電腦的大幅度降價解決了計算機編程的現(xiàn)場調(diào)試問題。編程軟件對 PLC 控制系統(tǒng)的硬件組態(tài) ,在屏幕上可以直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序 ,并可以實現(xiàn)不同編程 常州信息職業(yè)技術(shù)學院 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 23 of 27 語言的相互轉(zhuǎn)換。程序可以下載、存盤和打印 ,通過網(wǎng)絡(luò)或電話線 ,還可以實現(xiàn)遠程編程?，F(xiàn)在有的 PLC(如西門子的 S7200 系列 )用基于 PC 的編程軟件來編程 ,已不配置手持式編程器。 (2)編程軟件功能提高 :PLC 的編程軟件升級更 新非常快 ,如三菱先后推出了 MEDOC、SWOPCFXGP/WIN、 GPPW 編程軟件和 LLT 模擬仿真軟件。大多數(shù)廠家的編程軟件都有漢化版 ,方便了英語水平較差的國內(nèi)用戶。 (3)編程語言標準化 :PLC 的編程語言標準 IEC611311 已公布了多年 ,歐美的 PLC 廠家的編程語言基本上符合 IEC 標準。某些“軟 PLC” (即在 PC 上運行的可實現(xiàn) PLC 功能的軟件包 )幾乎都是按 IEC 標準設(shè)計的。隨著時間的推移 ,IEC 標準會得到越來越廣的使用。 (4)簡化編程過程 :S7200 的編程軟件 STEP7MicroWIN32 配備 了大量的編程向?qū)?,如PID、網(wǎng)絡(luò)讀寫、高速計數(shù)器和高速輸出指令的編程向?qū)?,位置控制模塊、文本顯示器TD200、調(diào)制解調(diào)器模塊、以太網(wǎng)模塊、互聯(lián)網(wǎng)模塊、 ASI 通信模塊等的編程向?qū)?。使用這些編程向?qū)r ,只需要輸入要求的數(shù)據(jù)或確定選項 ,編程軟件就可以自動地生成用戶程序。 (5)編程軟件具備仿真功能 :有的 PLC 生產(chǎn)廠家提供了在計算機上運行 ,可以用來代替PLC 的硬件調(diào)試用戶程序的仿真軟件 ,例如西門子公司與 STEP7 編程軟件配套使用的S7PLCSIM 仿真軟件、三菱公司與 SW3D5CGPPWC 編程軟件配套的 SW3D5CLLTC 仿真軟件 ,歐姆龍公司與 CXProgrammer 編程軟件配套的仿真軟件 CXSimulator 等 ,西門子的“ LOGO!”可編程邏輯模塊的編程軟件也有仿真功能。 PLC 通信功能 (1)通信功能增強。 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)通信在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用 ,通信功能受到越來越高的重視 ,因此 小型 PLC 的通信功能在不斷擴展和增強。以三菱的 FX 系列為例 ,它可以接入開放式通信網(wǎng)絡(luò) ,為此提供了 CCLink 系統(tǒng)主站模塊、 CCLink 接口模塊、 ASI 主站模塊、 Deviceet 接口模塊和 Profibus 接 口模塊。使用 MELSEC 遠程 I/O 鏈接系統(tǒng)主站模塊可組成遠程 I/O網(wǎng)絡(luò)。在軟件方面 FX 提供了一些專用的通信協(xié)議 ,如并行鏈接、 NN 鏈接、計算機鏈接和I/O 鏈接。計算機鏈接協(xié)議基本上符合 Modbus 通信協(xié)議中的 ASCII 傳輸模式 ,PLC 與 PC通信時 ,PLC 一側(cè)不需要用戶編程。其余的幾種鏈接的通信是周期性地自動實現(xiàn)的 ,用戶只需要作一些簡單的設(shè)置。 (2)通信開放程度提高。 早期的 PLC 基本上采用廠家專用的通信協(xié)議 ,給不同廠家的產(chǎn)品互聯(lián)互通和用戶的使用帶來了很大的困難?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是盡可能地采用符合國際標準的通 信協(xié)議 ,如符合現(xiàn)場總線國際標準 IEC 61158 和 IEC 62026 中的某些總線標準。值得一提的是 Modbus 通信協(xié)議 ,該協(xié)議包括兩種傳輸模式 (ASCII 和 RTU),它們在 PLC 的通信中得到了廣泛的使用 ,Modbus 協(xié)議已經(jīng)成為事實上的標準。有的廠家對 Modbus 協(xié)議作了一些改動。 (3)PLC 緊密結(jié)合現(xiàn)場總線。 現(xiàn)場總線與 PLC有著天然的聯(lián)系 ,因為很多現(xiàn)場總線都是 PLC生產(chǎn)廠家開發(fā)出來的 ,如Rockwell 的 Control Net 和 Device Net,西門子的 Profibus 等 ,現(xiàn)在已經(jīng)有相當多的 PLC有現(xiàn)場總線通信功能。值得關(guān)注的是