【正文】 [2] 參考書：Katsuhiko Ogata 著，盧伯英、于海勛等譯 ，《現(xiàn)代控制工程》[M]，電子工業(yè)出版社，北京，2003年7月，第4版，102156頁。衷心感謝班主任導(dǎo)師施紅老師，感謝施老師一直以來對作者的關(guān)心和輔導(dǎo)。答 謝 辭本文的工作是在導(dǎo)師胡盤峰老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。只不過過去，特別是七十年代和八十年代初，由于當(dāng)初計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的限制，以及計算機系統(tǒng)設(shè)計人員理解的不充分，長期以來，把工廠的計算機系統(tǒng)按六層功能模型相對應(yīng)的分成六級計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)。這充分說明了，可以把開發(fā)生產(chǎn)過程自動化控制功能的工具軟件和專用的控制器硬件分開，不需要把開發(fā)自動化控制功能的工具軟件和硬件始終捆綁在一起，這就不僅給自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)商一個更大的發(fā)展空間，也給用戶選擇硬件的靈活性。FactorySuite 2000包括如下的核心軟件: InTouch:過程圖形化軟件 InTrack:資源管理和WIP(Work in Process)跟蹤軟件 Industrial SQL Server:實時，關(guān)系型工廠數(shù)據(jù)庫 InControl:基于PC機的過程控制軟件 InBatch:柔性批處理管理系統(tǒng)I/O Server和OPC程序庫:具有750多個I/O驅(qū)動程序和OPC客戶程序，連接各種PLC，DCS，RTS，現(xiàn)場總線，回路控制器，測量設(shè)備，條碼閱讀機等設(shè)備。計算機的以太網(wǎng)卡比PLC的以太網(wǎng)通信模塊便宜得多,計算機顯示器的顯示效果比一般的觸模屏要好得多,“軟PLC”的性能價格比傳統(tǒng)的“硬PLC”更高。過去個人計算機主要用作PLC的編程器、操作站或人/機接口終端,如果用于工業(yè)控制現(xiàn)場,必須使用工業(yè)控制計算機。有的通信協(xié)議只需要編寫計算機一側(cè)的通信程序,PLC接收和發(fā)送通信幀是自動完成的。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(dāng)多的PLC有現(xiàn)場總線通信功能?，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。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。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。(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)?。大多?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。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)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。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)。FX2N可選配有8個模擬量輸入電位器的功能擴展板。(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。如三菱公司的小型PLCFX系列先后推出了FXFX0S、FX0N、FX2C、FX2N、FX2NC、FX1S和FX1N等系列,它們的性能價格比越來越高。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。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。特別是當(dāng)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。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。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。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)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。DCS的特點DCS,（Distributed Control System）分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱之為集散控制系統(tǒng)。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。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非常可靠，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)。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。 軟DCS 軟DCS定義DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。（2）基于嵌入式控制器或智能控制器的控制方案嵌入式控制器是一個超小型計算機系統(tǒng)，一般沒有顯示器，其軟件平臺是嵌入式操作系統(tǒng)（如WindowsCE）。在實際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。而要讓W(xué)indowsNT具有硬實時性，必須對它進行擴展，使得PC的控制任務(wù)具有最高的優(yōu)先級，不因為NT的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而被搶占。（2）發(fā)展的制約因素 盡管軟PLC技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但是這項技術(shù)的實現(xiàn)需要解決一些重要的問題。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網(wǎng)絡(luò)中，而且可以加入到標準計算機網(wǎng)絡(luò)中。軟PLC指令集可以更加豐富，用戶可以使用符合標準的操作指令。技術(shù)優(yōu)勢及其發(fā)展的制約因素（1）技術(shù)優(yōu)勢軟PLC解決了傳統(tǒng)PLC的兼容性差、通用性差等問題，具有多方面的優(yōu)勢。如果對控制器的可靠性和控制性能要求較高，可選擇插槽式PLC，因為它擁有自己的操作系統(tǒng)，有可靠的數(shù)據(jù)存儲和準確的重新啟動功能。PC機可以容納數(shù)個插槽式的PLC，并把它們當(dāng)作集成模塊，在操作系統(tǒng)支持下既獨立又協(xié)調(diào)地工作。該PC機上的操作系統(tǒng)是基于實時功能的，如：WindowsNT或WindowsCE或Linux等，在西門子開發(fā)的應(yīng)用軟件ProToolPro的支持下，實現(xiàn)控制和監(jiān)視，在編程軟件STEP7支持下，提供用戶編程環(huán)境。通常由IO接口、通信接口，系統(tǒng)管理器、錯誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成：①IO接口，可與任何IO系統(tǒng)通信，包括本地IO系統(tǒng)和遠程IO系統(tǒng)，遠程IO主要通過現(xiàn)場總線InterBus，ProfiBus，CAN等實現(xiàn)；②通信接口。軟PLC開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)是相互獨立而又密不可分的兩個應(yīng)用程序，可以分別單獨運行。根據(jù)傳統(tǒng)PLC的組成結(jié)構(gòu)，軟PLC系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分組成。這些問題都成了制約傳統(tǒng)PLC發(fā)展的因素。2. 軟PLC和軟DCS 軟PLC 軟PLC定義軟件PLC（SoftPLC，也稱為軟邏輯SoftLogic）是一種基于基于PC機開發(fā)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術(shù)可以將標準的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換成全功能的PLC過程控制器。歐美PLC在網(wǎng)絡(luò)和軟件方面具有優(yōu)勢，而日本PLC在靈活性和價位方面占優(yōu)勢?！　≡谖覈鴳?yīng)用的PLC系統(tǒng)中，I/O64點以下PLC銷售額占整個PLC的47%，64點~256點的占31%，合計占整個PLC銷售額的78%?！　?．6 PLC在我國的應(yīng)用　　日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。Logix等；1．5 典型的PLC產(chǎn)品同時由于各廠家PLC通信協(xié)議的專用特點，現(xiàn)代PLC系統(tǒng)將更多采用標準工業(yè)總線，向MAP規(guī)約[1p靠攏，使不同機型的PLC系統(tǒng)間可自由聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)資源共享，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)無人、無線、遠程、復(fù)雜的綜合控制管理的需要。，速度更快PL C是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)三者有機結(jié)合的高科技產(chǎn)品因而隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和現(xiàn)代自控技術(shù)的飛速發(fā)展PLC的功能也在不斷增強，并將推出速度更快、功能更強的PLC系列產(chǎn)品。CS MA /C D通信方式可根據(jù)實際情況對通信速度及可靠性的要求隨機選擇有連接、無連接、有應(yīng)答、無應(yīng)答或是廣播通信中的任一種數(shù)據(jù)傳送方式，靈活性較大。采用CSMA/CD存取控制方式，網(wǎng)絡(luò)總線上各站無主從之分，地位平等，對總線使用權(quán)的獲得多采用“先聽后講，邊講邊聽”的方法。在A站獲得令牌時，A站把待發(fā)送數(shù)據(jù)加載在傳送幀中，并繼續(xù)向下傳送令牌，經(jīng)B站到達C站后，C站將幀格式中的目的地址與本站地址比較，以確定此幀是否為傳送至C站的。很明顯后者通信時間長，導(dǎo)致實時性下降。為保證實時性，令牌總線通信方式中嚴格}‘良定每個站的令牌持有時間，并保證每個站在令牌循環(huán)過程中都有機會獲得總線使用權(quán)。主站獲得總線使用權(quán)后，再按主從方式確定在自己的令牌環(huán)持有時間內(nèi)與其它從站的通信。 C通信網(wǎng)絡(luò)的浮動主站(N:M) 通信方式浮動主站通信方式適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)。而對實時性要求較高的從站，則可采用靜態(tài)方式在輪詢表中讓該從站號多出現(xiàn)幾次，從而獲得較高的通信優(yōu)先權(quán)，同時也可采用中斷法的動態(tài)方式打斷正常的輪詢周期，隨時插入獲得總線使用權(quán)，從而更好的實現(xiàn)對實時性的要求。主站 中 的 通信處理器采用周期掃描方式與各從站交換數(shù)據(jù)，從而周期性的刷新“遠程I/0緩沖區(qū)”，這種通信方式既有周期性又涉及遠程I/0單元，因而被稱為“周期I/0方式”。在主站中設(shè)立“遠程I/0緩沖區(qū)”，采用郵箱結(jié)構(gòu)，劃分出幾個分箱分別與梅個從站相對應(yīng)，每個分箱再分為發(fā)送區(qū)和接收區(qū)。當(dāng)采用同步方式刷新時，山用戶程序中對鏈接區(qū)的發(fā)送指令啟動一次刷新，只有當(dāng)鏈接區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)變化時刁刷新。實際上鏈接區(qū)成為網(wǎng)絡(luò)的共享存儲區(qū)，也成為PLC交換數(shù)據(jù)的中介區(qū)。另外，PLC建立通信通道后，要將數(shù)據(jù)傳送出去，這又要考慮數(shù)據(jù)傳送方式是有連接的還是無連接的，是有應(yīng)答的還是無應(yīng)答的，或是廣播通信。并行通信和串行通信在PLC及其網(wǎng)絡(luò)中都存在。實際應(yīng)用中對PLC網(wǎng)絡(luò)并不做具體劃分。PLC控制網(wǎng)絡(luò)只傳運。④ PLC網(wǎng)絡(luò)的中間層和底層多采用專用協(xié)議，最底層常采用周期I/O方式通信，以適應(yīng)對實時性要求高但信息較短的過程數(shù)據(jù)和控制命令的傳送，中間層多采用令牌方式或主從方式控制通信。中間層為主從式多點鏈路或Profibus現(xiàn)場總線IZ61前者采用主從式總線，輪詢方式通信，后者是一種新型現(xiàn)場總線，是可承擔(dān)現(xiàn)場、控制、監(jiān)控三級任務(wù)的以太網(wǎng)，傳送生產(chǎn)管理信息，配置以太網(wǎng)通信協(xié)議。而底層主要傳送過程數(shù)據(jù)和控制指令，報文較短、通信量不大、通信距離較近，但對實時性和可靠性要求較高。⑤當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，PLC集中將輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)通過輸出模塊單元轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備的電壓或電流信號，以驅(qū)動控制設(shè)備，實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的刷新。這種工作方式在系統(tǒng)軟件控制下，順序掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應(yīng)的控制信號①自診斷是指在PLC掃描用戶程序之前先執(zhí)行故障自診斷程序，主要診斷I/O部分、存儲器和CPU等，自診斷正常則繼續(xù)向下掃描。現(xiàn)代 PLC除了以上1/O接口電路外，還配有各種和外圍設(shè)備連接的接口電路，通過相應(yīng)的接口電路的插座可連接編程器、計算機、打印機等設(shè)備。3. 輸入輸出部分也稱為I/O單元，是PLC與被控設(shè)備的接口電路，是CPU與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備間傳送信息的作用。⑧ 響應(yīng)各種外圍設(shè)備(編程器、鍵盤、顯示器、打印機等)的請求。④ PLC進入運行狀態(tài)后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，并執(zhí)行。其中，CPU是PLC的核心，存儲器是存放系統(tǒng)程序和用戶程序及數(shù)據(jù)的，1/O部分是連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU的接口電路，電源部分則為PLC內(nèi)部電路提供電源。通過功能強大的通信處理模塊，可實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和信息的交換，構(gòu)成分散控制、集中管理的分層式集散型復(fù)雜控制系統(tǒng)。PLC利用專用的模擬量I/O模塊實現(xiàn)了對模擬量(如溫度、壓力、流量、液體等連續(xù)變化量)的閉環(huán)控制。例如SIEMENS S7400系列的主控模塊CPU 4121,尺寸僅為25*290*210 (W*H*D) mm39。隨著應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的拓展，PLC的功能模塊還在不斷發(fā)展創(chuàng)新。1. 抗干擾能力強，運行穩(wěn)定可靠PL C通常工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，并且要求有較高的平均無故障時間(510萬小時)，因此PLC的設(shè)計中，在硬件上選用優(yōu)質(zhì)元器件