【正文】 之間通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)連接。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ： 6 圖 21 PLC 基本結(jié)構(gòu)圖 1） 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(xiàn) ， 外圍芯片、總線(xiàn)接口及有關(guān)電路構(gòu)成。 它 的功能 是 接收并存貯用戶(hù)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(lái)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(guò)程中的語(yǔ)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(hù)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(guò)程中的 語(yǔ)法錯(cuò)誤，對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行編譯。 （ 4）在 PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從用戶(hù)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(lái)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。 2） I/O 接口 PLC 是通過(guò)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 輸 入 接 口 中 央 處 理 單 元CPU 輸 出 接 口 電源 存儲(chǔ)單元 7 反映輸入信號(hào)狀態(tài)，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(guò)各種 I/O 接口模塊于外界聯(lián)系來(lái)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(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入和 模擬量輸出等模塊。 3）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(hù)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(hù)程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶(hù)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(xiě)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。 4） 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(lèi)型 ， 交流 輸入 220VAC 或 110VAC， 直流輸入通常是 24V。 5）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(zhuān)用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿(mǎn)足各種特殊功能的控制要求。 I/O 模塊的類(lèi)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)。 6）編程設(shè)備 常見(jiàn)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(zhuān)用編程軟件。編程設(shè)備用于輸入和編輯用戶(hù)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(lèi)似，具有計(jì)算8 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(hù)程序，如果一個(gè)線(xiàn)圈接通或斷開(kāi)，該線(xiàn)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]。 可編程控制器的分類(lèi)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(lèi)。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。 還可以 按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類(lèi) ， 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(lèi) : ? 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(lái)越強(qiáng)大，控制過(guò)程也變得越來(lái)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(mǎn)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(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等）寫(xiě)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 。 9 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(huà)面組態(tài)軟件（如組態(tài) 王等 ）。 用戶(hù) 必須先使用組態(tài)軟件制作 “工程文件 ”，再通過(guò) 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 。 人機(jī)界面產(chǎn)品的 特點(diǎn) (1) 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程清晰化 控制過(guò)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(guò)指示燈亮滅來(lái)顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來(lái)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(guò) 監(jiān)控界面 來(lái)控制過(guò)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(guò)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)爐子溫度超出溫度上下限時(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(guò)程變量值和報(bào)警信息并歸檔。例如：通過(guò)歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過(guò)去一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行情況，過(guò)程變量等。 (5) 報(bào)表系統(tǒng) HMI 系統(tǒng)可以輸出報(bào)警 和過(guò)程值報(bào)表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù) [8]。 10 第三章 PLC 控制系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 在掌握了 PLC 的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后 ，就可以PLC 作為主要控制器來(lái)構(gòu)造 PLC 控制系統(tǒng)。 本章主要 從 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度 ， 介紹 該 項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)以及 PLC 控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定 。 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(wú)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 31 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(guò)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(guò)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)。 1. 設(shè)計(jì)原則 (1)完整性原則。最大限度的滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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。 2. 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(lái)衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí) ,特別是開(kāi)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 . 11 (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(guò)程控制為主時(shí)，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。 圖 31 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 外部評(píng)估控制任務(wù) PLC機(jī)型的選擇 控制柜設(shè)計(jì)及布線(xiàn) 程序設(shè)計(jì) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 PLC安裝 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 模擬運(yùn)行 投入使用 是否滿(mǎn)足要求 12 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。 1. 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(wèn)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)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。 2. 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(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)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(chēng)及功能等。 (4) 繪制 PLC 外圍硬件線(xiàn)路 圖。 畫(huà)出系統(tǒng)其它部分的電氣線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路已經(jīng)確定。 (5)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。 3. 編寫(xiě)應(yīng)用程序 根據(jù) 控制 系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì) PLC 程序。程序要以滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求為主線(xiàn)，逐一編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的 功能。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動(dòng)作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對(duì)某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。 13 (2)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對(duì)獨(dú)立，一般在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再添加。 (3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂 。 4. 程序調(diào)試 程序調(diào)試分為 2 個(gè)階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。 根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái) PLC 或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)以硬接線(xiàn)的方式連到 PLC 系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。 (2)軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫(xiě)一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)