可編程控制器概述

1、第二章PLC原理第一節(jié)可編程控制器概述匚§ 2.1.0 =概述二|可編程控制器是可編程序控制器(Programmable Controller)的簡稱，通?？s寫為 PC。但它不是個人計算機的PC( Personal Computer)。也不僅是(但包括)早期的可編程邏輯控制器 PLC( Programmable Logic Controller )、可編程順序控制器 PSC ( Programmable SequenecController)及可編程矩陣控制器PMC ( Programmable Matrix Controller )?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在

2、工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指 令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器及其 有關設備，都應按照易于與工業(yè)控制形成一個整體，易于擴充其功能的原則來設計。Z§ 2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展 1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC根據(jù)對生產(chǎn)過程進行控制的需要，研制出了第一臺可編程控制器，并在美國通用汽車公司(GM的汽車自動裝配線上試用成功。盡管當時的可編程控制器功能有限、體積龐大，但它標志著這門新技術的產(chǎn)生和迅速發(fā)展的開始。早期的可編程控制器雖然采用了計算機技術

3、的優(yōu)點和設計思想，并注重了面向用戶、用于控制和適合工業(yè)現(xiàn)場的特點，但限于當時的技術發(fā)展水平，其功能很有限，器件多、線路復雜 且體積大，名稱也不統(tǒng)一。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，現(xiàn)代可編程控制器對網(wǎng)絡功能的要求更強，一般都有現(xiàn)場總線功能、互連網(wǎng)接入功能等，EASY嵌入式PLC采用CAN bus現(xiàn)場總線技術并支持專用的嵌入式Web服務器。§ 2.1.2可編程控制器的特點二|可編程控制器實際上是面向用戶需要，適宜安裝在工作現(xiàn)場的、為進行生產(chǎn)控制所設計的專用計算機。因而它和計算機有基本類似的結構，但按其作用它有自己的特點：（1 ）編程簡單，使用面向控制操作的控制邏輯語言。比如，梯形圖、順序功能流程圖

4、。生產(chǎn)現(xiàn)場的工人易于掌握和使用它，便于普及和應用。（2 ）可靠性高，抗干擾能力強，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運行。它完全不需要一般計算機所要求的環(huán)境。因為它采用了很多硬件措施（屏蔽、濾波、隔離等）和軟件措施（故障的檢測與處理、信息的保護與恢復等），以提高可靠性，適應生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。（3 ）系統(tǒng)采用了分散的模塊化結構。這不但使之可針對各類不同控制需要進行組合，便于擴展；也易于檢查故障和維修更換，從而大大提高了效率。目前較高檔的PC還配有各類智能化模板，如：模擬量 I/O模板，PID過程控制模板，I/O通訊模板，視覺輸入、伺服及編碼 等專用模板等等，大大提高了PC的功能與適應性。（4）由于PC采用了大

5、規(guī)模集成電路技術和微處理器技術，故可將其設計得緊湊、堅固、小體積，再加上它的可靠性，PC易于裝入機械設備內(nèi)部，實現(xiàn)機電一體化。（5） 相對于繼電器邏輯控制而言，PC可節(jié)省大量繼電器，故降低了成本且提高了可靠性， 而且用程序來執(zhí)行控制功能，使其靈活易于修改。這一切都大大提高了其性能價格比。（6）目前中、高檔PC均具有極強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力。通過簡單的組合可連成工業(yè)局域網(wǎng)，在網(wǎng)絡間通訊。并可通過網(wǎng)絡連接主控級的計算機，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)對全廠的自動化生產(chǎn)和管理都能進行控制 。§ 2.1.3 PLC的應用口目前可編程控制器已廣泛應用于交通運輸、食品工業(yè)、木材加工、采礦、冶金、化工、石油、環(huán)

6、保（污水處理）、市政（供水、供熱）、電力、水泥生產(chǎn)、機械制造、汽車制造、造紙、 紡織、娛樂等各行各業(yè)。如果從PC具體的控制對象和類型來看，它有如下幾個方面的特點:（1）用于順序邏輯控制這是早期PC與現(xiàn)代PC都具備的基本控制類型。如：電站設備的自動起停、石油化工各種閥門的自動關閉、機床電氣控制、高爐上料、貨物存取（倉庫、停車場）、電梯控制等各種單機、多機群、自動生產(chǎn)線的控制等。（2）用于閉環(huán)過程控制現(xiàn)代的中高檔PC都具有PID控制功能，可監(jiān)控多個回路進行PID調節(jié)控制，能對溫度、流量、位置、速度等進行閉環(huán)過程控制，如：鍋爐、冷凍、反應堆、自動電焊機等等。（3）用于機械加工的數(shù)字控制和機器人的控制

7、PC能和機械加工中的數(shù)控機床與加工中心結合進行數(shù)值控制。PC也用于對自動化生產(chǎn)網(wǎng)絡中的機器人進行控制，如自動加工生產(chǎn)線或自動焊接線上的機器人的多維機械動作的控制。（4 ）用于組成多級分布式控制系統(tǒng)PC是組成多級分布式控制系統(tǒng)的底層車間生產(chǎn)級的基本設備?？珊推渌骷壨ㄟ^工業(yè)局域網(wǎng)通訊，以實現(xiàn)全廠自動化生產(chǎn)網(wǎng)絡的計算機集成制造系統(tǒng)的生產(chǎn)方式。目前各大PC生產(chǎn)廠家都分別建立了自己的多級分布式控制系統(tǒng)。據(jù)說，美國一些大的PC廠家：A-B公司、GE公司、GOULD公司等，和美國一些大的計算機廠家：IBM公司、DEC公司、HP公司、MOTOROLA 公司等已表示同意遵守美國GM公司提出的“制造自動化通信協(xié)

8、議（ MAP ） ”。顯然這為實現(xiàn)異機通訊，實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS ）的規(guī)范化創(chuàng)造了條件。§ 2.1.4PLC市場狀況2003年，中國PLC市場規(guī)模達26.8億人民幣，小型 PLC占64%由于中國制造業(yè)的高速 發(fā)展，市場未來可望保持年15%勺增長率。在傳統(tǒng)的單機設備控制增長的前提下，PLC正在壓縮單片機應用市場，擠占DCS份額，與IPC全面對抗。IPC市中國的PLC市場，僅5洶本土化產(chǎn)品，其他均為國外制造。在壓縮單片機市場和場的競爭中，具有現(xiàn)場總線和互連網(wǎng)接入功能的PLC（尤其是小型PLC）體現(xiàn)出強大競爭力,EASY嵌入式PLC正是在這種市場推動下產(chǎn)生的。§ 2.

9、1.5嵌入式PLC嵌入式PLC是將PLC內(nèi)核構建于控制器內(nèi)， 運用PLC語言開發(fā)用戶所需產(chǎn)品，能提高開發(fā)速度，降低開發(fā)費用，提高控制器的穩(wěn)定性。嵌入式PLC又稱客制式PLC,即根據(jù)用戶控制需要定制硬件，以PLC的應用方式解決對象控制問題的專用 PLGEASY嵌入式PLC軟件平臺具有開發(fā)通用、專用PLC的基本功能，支持 CANbus現(xiàn)場總線、支持通用HMI、組態(tài)軟件包。EASY嵌入式PLC指令集包括87條基本指令。§ 2.1.6 嵌入式PLC的開發(fā)流程嵌人設廿浣稈相關工具軟件及參考手冊：C8051F040數(shù)據(jù)手冊新華龍電子Keil Nision 2單片機集成開發(fā)環(huán)境德國KEIL公司CA

10、NSet網(wǎng)絡設置軟件科威自控EASYDownhex嵌入加載軟件科威自控FXGP_WIN_C梯形圖編輯軟件三菱工控EASY編程手冊科威自控EASY V1.00 嵌入式PLC軟件平臺科威自控第二節(jié)PLC編程語言§ 2.2.0PLC指令系統(tǒng)及軟件資源PLC是工控行業(yè)的通用控制器，具有工控人員熟悉的指令系統(tǒng)和軟件資源。PLC指令系統(tǒng)：包括繼電器邏輯指令、計時器和計數(shù)器指令、整數(shù)運算指令和浮點數(shù)運算指令、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送指令、專用算法指令（如PID指令）等。PLC軟件資源：包括輸入繼電器、輸出繼電器、中間繼電器、計數(shù)器、計時器、數(shù)據(jù)寄存器等。§ 2.2.1PLC編程語言無論采用哪種

11、編程語言,PLC最終都是按照指令和軟件資源組成的語句表來執(zhí)行程序的， 由于PLC的應用者大多是工控行業(yè)的技術人員，他們熟悉電氣控制圖或者信號流程圖，因此,PLC的編程語言必須從形式上符合他們的使用習慣。這樣的編程語言才更有利于PLC的應用。梯形圖（ladder）就是與電氣控制圖相似的一種PLC編程語言.順序功能流程圖（SFC）就是與信號流程圖相似的一種PLC編程語言.梯形圖編程語言和順序功能流程圖編程語言都符合工控行業(yè)的國際標準科威公司的嵌入式 PLC選用的編程語言是梯形圖語言 .第三節(jié)PLC系統(tǒng)軟件開發(fā)模式PLC運行梯形圖語言的監(jiān)控程序（或系統(tǒng)軟件），開發(fā)模式依硬件而異，就小型PLC而言,開

12、發(fā)使用的語言有匯編和 C語言之分，開發(fā)使用的平臺有基于嵌入式實時系統(tǒng)（自制或標準的）及自制前/后臺系統(tǒng)模式。§ 2.3.0PLC開發(fā)語言二jPLC是一種實時性很強的控制器，大量控制具有硬實時的特點。對小型PLC而言，因追求成本控制的需要，在CPU選擇、存儲器容量等方面，資源都比較有限。因此在開發(fā)語言的選擇 上，匯編語言更適合小型 PLC的開發(fā)，它具有時序透明、 代碼效率高、模塊結構配置靈活等優(yōu) 點。由于硬件成本隨半導體技術的高速發(fā)展而降低，在小型PLC中應用的CPU功能與90年代的相比，已很強大?；旧现С諧語言來開發(fā)（主要是資源夠用）。使用C語言和匯編語言混合編程已成為開發(fā)實時性很

13、強的PLC的基本模式，在中斷任務調用等實時性很強或代碼利用率較高的程序段使用匯編語言，而在算法、表達等實時性不強的場合， 使用C則能提高編程的速度。§ 2.3.1嵌入式實時系統(tǒng)上開發(fā)PLC借助嵌入式實時系統(tǒng)開發(fā) PLC是主令PLC開發(fā)的主流模式，其實時內(nèi)核可選用標準的公開 發(fā)行版本，也可以根據(jù)自身需要，定制實時內(nèi)核。Hclinux用于ARM系列芯片為CPU的 PLC開發(fā)上已取得成功。Hcos/ H用于小型 CPU （如 8位機）上的PLC開發(fā)比較合適。自制實時內(nèi)核體現(xiàn)了 PLC對實時性的完美整合，對于小型PLC而言，如果對前/后臺系統(tǒng)無法容忍，選擇自制內(nèi)核是一個好主意。自制實時內(nèi)核是

14、一種根據(jù)開發(fā)需要，選擇合適的硬實時及軟實時模式，配置有限的任務級調度，尤其調度方式上更為靈活。在進程間切換時，犧牲更少的CPU機時，與最終開發(fā)的軟件 代碼綁定時，體現(xiàn)出完美的實時、高效特點。§ 2.3.2EASY開發(fā)模式二|EASY嵌入式PLC是在自制實時內(nèi)核基礎上，直接用匯編語言編寫的， 運行在51單片機上(F040)。第四節(jié)PLC的通信信息化技術的深深溶入自動化技術之中，PLC即使是小型PLC也必須具有很強的網(wǎng)絡能力,各家PLC制造商都有自己的現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)接口及通信軟件。二 § 2.4.0Profibus二ProfiBus 是由西門子公司開發(fā)的一種用于工廠自動化

15、車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信 與控制的現(xiàn)場總線技術，適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等領域。 ProfiBus協(xié)議結構以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡0SI為參考模型，定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。ProfiBus 由三個兼容部分組成，即ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS。(1) ProfiBus-DP:是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。可取代24VDC或 4-20mA信號傳輸。(2) ProfiBus-PA :專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構連在一根總線上，并有 本征安全規(guī)范。(3) ProfiBus-F

16、MS :用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是一個令牌結構、實時多主網(wǎng)絡。ProfiBus提供了用于DP和FMS的RS485傳輸技術、用于PA的IEC1158-2數(shù)據(jù)傳輸技術、 光纖三種數(shù)據(jù)傳輸類型。官方網(wǎng)站：§ 241 ModibusModbus協(xié)議最初是由 Modicon公司開發(fā)出來的，1979年末，該公司成為施耐德自動化(Sch neider Automatio n)部門的一部分，現(xiàn)在 Modbus已經(jīng)是工業(yè)領域全球最流行的協(xié)議。該協(xié)議支持傳統(tǒng)的 RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設備。許多工業(yè)設備，包括PLC DCS智能儀表等都在使用 Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標準。M

17、odbus協(xié)議包括ASCII、RTU PLUSTCP等，并沒有規(guī)定物理層。該協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。官方網(wǎng)站：§ 242CC-link在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環(huán)境、高性能、省配線”為理念，開發(fā)、公布和開放了現(xiàn)場總線CC-Link。CC-Link是Control& Communication Link （控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱，是在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbps高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網(wǎng)絡。CC-Link具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點。CC-Link的底

18、層通訊協(xié)議遵循 RS485 CC-Link提供循環(huán)傳輸和瞬時傳輸 2種通信方式。一般情況下， CC-Link主要采用廣播輪詢（循環(huán)傳輸）的方式進行通訊。除了廣播輪詢方式以外，CC-Link 也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬時通訊。官方網(wǎng)站：§ 2.4.3 CAN bus/DeviceNetCAN全稱為“ Controller Area Network "，即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch公司最先提出，已成為國際標準ISO11898 （高速應用）和ISO11519 （低速應用）。CAf是一種多主方式的 串行通訊總線，CAf規(guī)范定義了 OSI模型的最下面兩層： 數(shù)據(jù)鏈路層

19、和物理層。CAN協(xié)議有2.0A 和2.0B兩個版本。CAF協(xié)議2.0A版本規(guī)定CANS制器必須有一個11位的標志符，2.0B版本規(guī)定CAN 控制器的標志符長度可以是 11位或29位。DeviceNet規(guī)范由Rockwell自動化公司開發(fā)，并將其作為一個基于 CAf協(xié)議的開放式現(xiàn)場總 線標準公布。DeviceNet協(xié)議特別為工廠自動控制而定制，是一個簡單、廉價而且高效的協(xié)議，適用于最底層的現(xiàn)場總線。基于DeviceNet現(xiàn)場總線，羅克韋爾公司提出了三層網(wǎng)絡結構， 即 DeviceNet （設備層）、 ControlNet （控制和自動網(wǎng)）、 EtherNet （信息層）。官方網(wǎng)站：§ 2.4.4EASY中 的 CAN bus協(xié)議標準科威公司EASY系列嵌入式PLC選用CANBUS作為現(xiàn)場組網(wǎng)總線.CANbus與OSI七層參考模型比較，只有三層結構，即物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合CAN2.0A或CAN2.0B,由芯片制造商固化在芯片內(nèi)，而應用層未制定相關標準，為促進CANBUS的標準化應用，科威公司制定了 EASY產(chǎn)品的應用層協(xié)議 標準.凡按該標準開發(fā)的 CAN網(wǎng)絡從站設備均可連入 EASY為主站的CAN網(wǎng)絡，從而擁有CAN 網(wǎng)絡帶給的增