第二章可編程控制器

1、第二章 可編程控制器（PLC）概述2.1 PLC的組成可編程控制器（PLC）采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要由CPU模塊、編程器、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成9。中央處理器CPU是可編程控制器的核心，它的作用是接受輸入的程序并保存程序，掃描現(xiàn)場的輸入狀態(tài)，執(zhí)行用戶程序，并自我診斷。存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)的，器存儲空間一般包括三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映像區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等），用戶程序存儲區(qū)。輸入接口采集現(xiàn)場各種開關(guān)接點的信號狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化成標準的邏輯電平，輸出接口用于輸出電信號來控制對象。編程器用于用戶的編程、調(diào)試、系統(tǒng)設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制

2、的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 可編程控制器系統(tǒng)機構(gòu)圖2.2 PLC的工作原理及編程語言 2.2.1 PLC的工作原理PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式進行工作的，這個工作過程一般包括五個階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸入掃描、用戶程序?qū)嵭小⑤敵鎏幚?。其工作過程如圖所示。其中，CPU執(zhí)行指令的速度、每條指令占用的時間、指令條數(shù)的多少等是影響掃描周期長短的三大主要因數(shù)18。圖2-2 工作原理圖在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號作周期性循環(huán)，若是沒有跳轉(zhuǎn)指令，那么就從第一條指令開始逐步順

3、序執(zhí)行指令，一直到程序結(jié)束在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的每個掃描周期必須經(jīng)過三個階段:輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。輸出采樣階段：首先以掃描的方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進行程序執(zhí)行。用戶程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中的所有內(nèi)容對著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有額指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)再刷新階段輸送至鎖存器中

4、，并按一定的方式（繼電器、晶體管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)的輸出設(shè)備。 2.2.2 PLC的編程語言 根據(jù)可編程器的應(yīng)用范圍，程序設(shè)計語言可以組合使用，常用的程序設(shè)計語言分別有：梯形圖、布爾助記符、功能表圖、結(jié)構(gòu)化語句描述、梯形圖與結(jié)構(gòu)化語句描述、布爾助記符與功能表圖、布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語句描述。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本的成語設(shè)計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能。功能表圖語言和語句描述語言是高級的程序設(shè)計語言，它可以根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作。1、梯形圖是用梯形圖的圖形符號來描述成語的一種語言。它的特點有： 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性； 與原有

5、繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于掌握和學習； 與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待； 與布爾助記符有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查。2、布爾助記符是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計語言。它的特點有： 采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握的特點； 在編程的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點，可在無計算機的場合進行編程設(shè)計； 與梯形圖有一一對應(yīng)的關(guān)系。其特點與梯形圖基本類同。3、功能塊圖是采用功能模塊來表示模塊所具有的功

6、能，不同的功能塊有不同的功能。它的特點有： 以功能塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易； 功能塊使圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設(shè)計人員的編程和組態(tài)，有較好的易操作性； 對控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復雜的系統(tǒng)，由于控制功能的關(guān)系可以較清楚地表達出來，因此，編程和組態(tài)時間可以縮短，調(diào)試時間也能減少。4、結(jié)構(gòu)化語句描述是用結(jié)構(gòu)化的描述語句來描述程序的一種程序設(shè)計語言。它的特點有： 采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算； 需要有一定的計算機高級程序設(shè)計語言的知識和編程技巧，對編程人員的技能要求較高，普通電器人員無法完成； 直觀性和易操作性等性能較差； 常被用于

7、采用功能模塊等其他語言較難實現(xiàn)的一些控制功能的實施。2.3 PLC的特點 2.3.1 PLC的定義PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。其定義為：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 2.3.2 PLC的特點可編程控制器是

8、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。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力?？删幊炭刂破靼l(fā)展的如此之快是因其有著一些優(yōu)于通用計算器的特點，如下1213：(1) 可靠性高，抗干擾能力強  工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設(shè)備要求很高，應(yīng)具有很強的抗干擾能力和高的可靠性，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，平均故障間隔時間長，故障修復時間短。這是PLC控制優(yōu)于微機控制的一大特點。PLC控制系統(tǒng)通常有故障：一種是由于惡劣環(huán)境（電磁干擾、超高溫、過電壓、欠電壓）引起的偶發(fā)性故障，這類故障在環(huán)境條件恢復正常時，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞系統(tǒng)也隨之恢復正常，但因PLC受外界影響后，內(nèi)部存儲的

9、信息被破壞，必須從初始狀態(tài)重新起動。另一類是由于元器件不可恢復的損壞引起的永久性故障。但是在PLC在設(shè)計中從硬件和軟件兩個方面采取了保護措施，提高了它的可靠性。在硬件方面采用了導電、導磁良好的材料對電源變壓器、CPU編程器等主要部件進行屏蔽，防止外界的干擾。同時，PLC采用聯(lián)鎖的方式使得所有的輸出模塊都能受開門信號控制，這樣就可以有效的防止非正常的輸出，因為開門信號只有在規(guī)定的條件下才能運行。此外，在硬件方面還采用了模塊結(jié)構(gòu)和環(huán)境檢測和診斷電路，模塊結(jié)構(gòu)有助于故障情況下的及時修復，環(huán)境檢測和診斷電路能與軟件配合，可實現(xiàn)靈活保護和故障顯示等。在軟件方面設(shè)有故障檢測，軟件可定期對外界環(huán)境的一些情況

10、進行處理。同時，加強了對程序的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)程序有誤便立即報警并停止執(zhí)行。當然，在軟件方面也對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)驚醒后備，避免信息丟失。如此，PLC從硬件和軟件兩個方面大大提高了可靠性以及穩(wěn)定性。(2) 編程簡單，使用方面 大多數(shù)PLC采用的編程設(shè)計語言是梯形圖。這種編程語音的控制線路清晰直觀，更加受到大家的歡迎，更能被人們接受。(3) 功能完善 具有數(shù)字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示功能，使用設(shè)備水平大提高。(4) 操作靈活 PLC產(chǎn)品具有各種擴充單元，可以方便地適應(yīng)不同工業(yè)控制需要的不同輸入輸出點及不同輸入輸出方式的系統(tǒng)。編程的靈活性P

11、LC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖和語句描述編程語言，只要掌握其中一種語言就可以進行編程。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易3。(5) 控制程序可變 在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)線設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只要改變程序就可以滿足要求，具有很好的柔性,更改控制方案時不需改動硬件接線17。 (6)機電一體化 PLC是專門為工業(yè)過程控制而設(shè)計的控制設(shè)備，它的體積大大減小，功能不斷完善，抗干擾性能增強、機械與電氣部件被有機地結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起。因此，它已成為當今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、過程流程控制等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備。2.4

12、 PLC的主要功能和應(yīng)用目前，PLC即使在國內(nèi)外的許多行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，比如說鋼鐵、電力、交通運輸?shù)鹊?。它的主要功能有如下的幾個方面。（1）開關(guān)量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛放入應(yīng)用；領(lǐng)域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)了邏輯控制、順序控制。既可以用于單臺設(shè)備的控制，也可以實現(xiàn)自動化控制生產(chǎn)線。如機床控制、包裝機械的控制、電梯的控制、化工系統(tǒng)的控制、各種生產(chǎn)線的控制等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中由許多連續(xù)變化的物理量需要進行控制，例如溫度、壓力、流量等，這些都是模擬量。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，模擬量變化的處理方式都是通過將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)化，也是為此，

13、許多的廠家都有自己的一套能實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備。（3）PLC的運動控制是專門對直線運動、圓周運動的位置、速度、加速度進行控制的。如今世界上各大PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛的應(yīng)用于機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）閉環(huán)過程控制是指對溫度、壓力、流量等聯(lián)系變化的模擬量的閉環(huán)控制，通過模擬量模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換并對模擬量實現(xiàn)閉環(huán)比例、積分、微分控制。閉環(huán)過程控制主要應(yīng)用在冶金、鍋爐控制、化工等你場合。（5）數(shù)據(jù)處理是指可編程控制器具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、微操作功能可完成數(shù)據(jù)的分析和處理，其中的數(shù)學運算又包括矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算。對這

14、些數(shù)據(jù)的處理分析既可以完成一些控制操作又可以傳送到別的裝置中。數(shù)據(jù)處理主要應(yīng)用在造紙、食品工業(yè)中。（6）PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能包括PLC與PLC之間、PLC與計算機之間以及PLC與智能設(shè)備之間的通信，如與變頻器的通信。PLC和計算機之間可以構(gòu)成“集中管理，分散控制”的多級分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。如今的社會進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，隨計算機控制的發(fā)展，各大PLC廠家都十分看重PLC的通信功能。如圖所示是PLC在數(shù)控加藥系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖2-3 恒壓加藥裝置示意圖2.5 PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較如今的電子行業(yè)正在飛速的發(fā)展，PLC在各行各業(yè)都有應(yīng)用，而且能滿足不同客戶的要求。在工業(yè)控制系統(tǒng)中除了PLC控制系

15、統(tǒng)還有繼電接觸器控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。在電梯領(lǐng)域，PLC控制電梯系統(tǒng)相對于繼電接觸器、計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)來說有很多優(yōu)點14，在這里我們從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特性等方面將這幾種控制器進行比較。1. 與繼電接觸器控制系統(tǒng)的比較在以前的工業(yè)控制系統(tǒng)中，繼電接觸器一直占著主導的地位，但是繼電接觸器控制系統(tǒng)的缺點是體積大、耗電量大、使用壽命短、可靠性差以及運行速度慢等，但是PLC得軟件硬件設(shè)計簡單、維護方便、體積小、可靠性高、耗電量小、使用壽命長、運行速度快。PLC控制系統(tǒng)取代繼電接觸器控制系統(tǒng)不僅節(jié)約了成本，而且PLC控制系統(tǒng)還可以通過計算機進行數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控。正是由于PLC的

16、這些優(yōu)點，使得PLC控制系統(tǒng)能夠迅速的取代繼電接觸器控制系統(tǒng)。除了上述的功能特性的優(yōu)點之外，在系統(tǒng)方面PLC還具有一下優(yōu)點：1） 靈活性和擴展性。繼電接觸器控制系統(tǒng)采用的是硬件接線的方式實現(xiàn)的，接線多而雜，而且繼電器的觸點數(shù)目有限，所以它的靈活性和擴展性差;PLC由軟件和硬件組成的，通過編程來實現(xiàn)要求的功能，所以要改變其的功能只需要改變它的程序即可，除此之外，它的接線少，體積小，觸點可無限使用，故PLC控制系統(tǒng)得靈活性和擴展性好。2） 可靠性和可維護性。繼電接觸器控制系統(tǒng)有很多機械觸點，在接通和斷開時會有電的損壞以及磨損，接線多，可靠性和可維護性差；PLC系統(tǒng)的許多觸點采用的是半導體電路，使用

17、壽命長，并有自檢和監(jiān)測的功能，對于調(diào)試和維護都是十分的方便。相對于繼電器控制系統(tǒng)，PLC 活動部件比較少，連接線不多，系統(tǒng)簡單易維護，其次是設(shè)計相對比較合理、操作簡單，容易掌握4。3） 控制速度和穩(wěn)定性。繼電接觸器控制系統(tǒng)的工作頻率低，觸點開合時間長，而且還不穩(wěn)定；PLC控制系統(tǒng)的執(zhí)行執(zhí)行速度快，工作穩(wěn)定。2.與計算機控制系統(tǒng)的比較計算機控制系統(tǒng)是指用單片機處理、工控機等組成的計算機控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)有以下幾個方面的差異。在工作方式上計算機控制系統(tǒng)才用的是中斷方式；而PLC系統(tǒng)采用的是掃描的工作方式，這樣有利于順序邏輯控制的實施。在編程語言方面計算機控制系統(tǒng)采用的匯編語言

18、、高級語言；而PLC系統(tǒng)采用的是梯形圖、助記符語句表等，梯形圖的編程語言簡單，易懂易學易維護。在工作環(huán)境方面計算機控制系統(tǒng)的環(huán)境要求高；而PLC系統(tǒng)的環(huán)境要求低，可在較差的環(huán)境下工作。計算機控制系統(tǒng)對使用者的要求高，需要是進行過專門學習培訓的人才能掌握，更適合；PLC系統(tǒng)對使用者的要求低，編程語言易學，只要稍加培訓就可以使用，更適合工程技術(shù)人員。計算機控制系統(tǒng)的適合辦公、管理、科學計算、家庭等領(lǐng)域；PLC控制系統(tǒng)適合的領(lǐng)域是工業(yè)控制。在信息處理方面計算機控制系統(tǒng)要比PLC控制系統(tǒng)做的好。所以在工業(yè)控制方面同時是將這兩種控制系統(tǒng)結(jié)合起來使用的，PLC系統(tǒng)負責現(xiàn)場控制，計算機控制系統(tǒng)進行信息處理。

19、兩者之間通過通信線路進行信息的傳送和交換。3. 與集散控制系統(tǒng)的比較集散控制系統(tǒng)是由化工行業(yè)回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展以來的分布式控制系統(tǒng)。 集散控制系統(tǒng)在功能方面具有控制、操作、現(xiàn)場儀表三級結(jié)構(gòu)，組成穩(wěn)定的功能，但是PLC系統(tǒng)就更加靈活。但是PLC隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，與計算機實現(xiàn)互連，可以實現(xiàn)大規(guī)模的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，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)和功能。 2.6 PLC的硬件設(shè)計 1.PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體原則 一般來說，可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計的總體原則是：在客觀條件允許的范圍內(nèi)，全面滿足滿足被控對象的控制要求。在完成控制目

20、標的基礎(chǔ)上，進一步突顯系統(tǒng)編程簡單、易操作、易維護、能耗低等特點，從而有效地提高系統(tǒng)舒適性、安全性、可靠性，并使之具有一定的可擴展性5。 2.硬件設(shè)計的基本要求 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此選擇最優(yōu)的控制方案應(yīng)該滿足系統(tǒng)的控制要求。為了使系統(tǒng)的控制方案達到最優(yōu)，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)前我們應(yīng)該對我們的設(shè)計充分的了解，所以在設(shè)計前我們應(yīng)該進行相關(guān)資料的搜集，以便我們能更加精確的掌握系統(tǒng)的工作方式以及控制功能。通過以下幾個方面來確定P選擇合適的PLC硬件系統(tǒng)的配置，以便制定系統(tǒng)的最優(yōu)控制方案。1)最大限度地滿足被控對象的要求 最大限度地滿足被控對象的

21、控制要求，是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的首要前提。要能達到這一前提，在設(shè)計前，相關(guān)的工作人員就要進入現(xiàn)場進行調(diào)研，搜集相關(guān)的現(xiàn)場資料。由現(xiàn)場的控制信號與檢測的反饋信號來確定PLC輸入輸出信號的性質(zhì)與數(shù)量，選擇更加合適的PLC確定硬件系統(tǒng)的配置，以便制定系統(tǒng)的最優(yōu)控制，達到最大限度地滿足被控對象的要求。2）保證系統(tǒng)的可靠性PLC控制系統(tǒng)在硬件的設(shè)計時就應(yīng)該采取一系列的措施，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此設(shè)計者在系統(tǒng)的設(shè)計、器件的選擇、軟件編程等方面都要有著全面的考慮，以確定PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行。例如：在電源干擾特別嚴重的情況下，可采用屏蔽層隔離變壓器供電，以便抑制從交直流電源侵入的常磨

22、合共模干擾，同時還可以抑制PLC內(nèi)部開關(guān)電源向外發(fā)出噪音。3） 經(jīng)濟性、簡單方便在保證控制功能和可靠性的基礎(chǔ)上，應(yīng)當盡量降低成本。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益15，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。 3.硬件設(shè)計的一般步驟1） 選擇合適的PLC機型：為了完成設(shè)定的控制任務(wù),主要根據(jù)電梯控制方式與輸入/輸出點數(shù)和占用內(nèi)存的多少來確定PLC的機型。從性能結(jié)構(gòu)、I/O點數(shù)、存儲量和特殊功能來考慮，并根據(jù)系統(tǒng)復雜程度和控制要求來選擇。為了使系統(tǒng)運行可靠

23、、維修方便、使用簡單、性價比高。本系統(tǒng)中用到的機型為西門子S7-300系列，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖2-4 S7-300結(jié)構(gòu)圖2）PLC的I/O點數(shù)的選擇：首先預估系統(tǒng)需要的I/O點數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場的輸入輸出設(shè)備。選擇時要保留百分之10到15的余量。西門子S7-300的IO分配：數(shù)字量模塊從4號槽位開始每個槽位分配4B（32個I/O點），模擬量模塊從4號槽開始，每個槽位分配16B（8個通道）。3）輸入輸出模塊的選擇輸入部分：根據(jù)現(xiàn)場輸入信號與PLC輸出模塊的距離來選擇工作電壓；對于高密度的輸入模塊，一般接入輸入模塊總點數(shù)不得超過PLV輸入總點數(shù)的百分之60。輸出部分：輸出部分有繼電器輸出、晶體管、晶閘

24、管輸出。繼電器輸出在變化不太快、開關(guān)頻率慢的場合優(yōu)先選擇。在開關(guān)頻率、功率因數(shù)低的感性負載，可選擇晶閘管或晶體管輸出，但是其過載能力低，對感性負載斷開瞬間的反向擊穿電壓必須采取保護措施。如圖是繼電器輸出模塊。圖2-5 繼電器模式輸出單元3） 內(nèi)存容量的估算：用戶控制程序所需內(nèi)存容量與內(nèi)存利用率、輸入/輸出點數(shù)、用戶的程序編寫水平等因素有關(guān)。因此,在用戶程序編寫前只能根據(jù)輸入/輸出點數(shù)、控制系統(tǒng)的復雜程度進行估算。本章小結(jié)本章介紹了PLC的組成，它由CPU模塊、編程器、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成。PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式進行工作的，這個工作過程一般包括五個階段，常用的程

25、序設(shè)計語言分別有：梯形圖、布爾助記符、功能表圖、結(jié)構(gòu)化語句描述、梯形圖與結(jié)構(gòu)化語句描述、布爾助記符與功能表圖、布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語句描述，每種語言都有其特點。PLC控制器與其他控制器相比，有著強大的功能，并且在很多領(lǐng)域都有涉及到PLC。PLC的硬件設(shè)計包括PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的總體原則、硬件設(shè)計的基本要求、硬件設(shè)計的一般步驟。第三章 可編程自動控制器（PAC）概述3.1 PACSystems RX3i的硬件概述 3.1.1 PAC的定義可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）為結(jié)合可編程控制器（PLC）與工業(yè)電腦（IPC）的多功能工業(yè)用自

26、動化控制器，硬件結(jié)合可編程控制器的耐用度以及工業(yè)電腦的強大功能。PAC(Programmable Automation Controller)，可編程自動化控制器)融合了PLC和PC(個人電腦)各自的優(yōu)點，將PC強大的計算能力、通信處理、廣泛的第三方軟件與PLC可靠、堅固、易于使用等特性最佳地結(jié)合在一起。著名工業(yè)咨詢集團的專家們認為，PAC提供了開放的工業(yè)標準，擴展的域功能，通用的開發(fā)平臺，以及其他高級功能。 3.1.2 PACSystems RX3i的硬件概述 PACSystems RX3i 的控制器是創(chuàng)新的可編程自動化控制器，是PACSystems 家族中新增加的部件。它是中、高端過程和離

27、散控制應(yīng)用的新一代控制器。如其他的產(chǎn)品一樣，它的特點是具有單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境，一級真正的各種控制選擇的交叉滲透。PACSystems RX3i系統(tǒng)外形示意圖如圖所示。圖3-1 PACSystems RX3i外形示意圖 PACSystems RX3i 易于集成，為多平臺的應(yīng)用提供空前的自由度，能實現(xiàn)統(tǒng)一過程控制系統(tǒng)，并可以更加靈活、更加開放第升級或者轉(zhuǎn)換。PACSystems RX3i模塊在一個小型的、低成本的系統(tǒng)中提供了高級功能，它具有下列性能的優(yōu)點10： (1)把一個新型的高速底板（PCI-27mhz）結(jié)合到現(xiàn)成的90-30系列串行總線(2)具有Intel 300mHz CPU(

28、與RX7i相同)。(3)消除信息的瓶頸現(xiàn)象，獲得快速通過量。(4)支持新的RX3i和90-30系列輸入/輸出模塊。(5)大容量的電源，支持多個裝置的額外功率或多余要求。(6)使用與RX7i模塊相同的引擎，使得容易實現(xiàn)程序的移植。(7)RX3i還使用戶能夠更靈活地配置輸入/輸出。(8)具有擴充診斷和中斷的新增加的、快速的輸入/輸出。(9)具有大容量接線端子板的32點離散輸入/輸出。(10)支持以太網(wǎng)遠程編程。 PACSystems RX3i支持多種編程語言：梯形圖、C語言、FBD功能塊圖、用戶定義功能塊、ST結(jié)構(gòu)化文本、指令表、符號變量編程等。3.2 PACSystems的特點PACSystem

29、s的特點6：(1)PAC系統(tǒng)為繼PLC、DCS之后的新一代控制系統(tǒng)(2)克服了PLC/DCS長期過于封閉化、專業(yè)化的導致其技術(shù)發(fā)展緩慢的缺點，PAC消除了PLC/DCS與PC機間不斷擴大的技術(shù)差距的瓶頸(3)操作系統(tǒng)和控制功能獨立于硬件(4)采用標準的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(5)開放式標準背板總線VME/PCI(6)CPU模塊均為PIII/PM處理器(7)支持FBD，可用于過程控制，尤其適用于混合型集散控制系統(tǒng)(Hybrid DCS)(8)編程語言符合IEC1131PAC Systems系列產(chǎn)品代表了在控制工業(yè)領(lǐng)域的革命，它們解決了業(yè)內(nèi)一直存在的與工業(yè)和商業(yè)都有關(guān)的問題，即如何實現(xiàn)更高的產(chǎn)量和提供

30、更開放的通訊方式。這一靈活的技術(shù)幫助用戶全面提升整個自動化系統(tǒng)的性能，降低工程成本、大幅度減少有關(guān)短期和長期的系統(tǒng)升級問題以及這一控制平臺壽命的問題。3.3 PAC的性能特征PAC設(shè)計了一個通用、軟件形式的控制引擎用于應(yīng)用程序的執(zhí)行。控制引擎位于實時操作系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)之間，這個控制引擎與硬件平臺無關(guān)，可在不同平臺的PAC系統(tǒng)間移植。這樣，根據(jù)用戶需求的迅速擴展的變化，用戶系統(tǒng)和程序無需變化。由一個輕便的控制引擎支持，且對多種應(yīng)用使用同一種開發(fā)工具，PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)功能的統(tǒng)一集成，而不僅僅是一個完全無關(guān)的部件拼湊的集成。PAC系統(tǒng)具備一下主要的特征和性能：1） 提供通用發(fā)展平臺和單翼數(shù)據(jù)

31、庫，以滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的需求。2） 一個前邊的控制引擎，可以實現(xiàn)多領(lǐng)域的功能，包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等。3） 允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求，在同一平臺上運行多個不同功能的應(yīng)用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，在個程序間進行系統(tǒng)資源的分配。4） 采用開放的、模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)問功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級帶來的麻煩。5） 支持IEC61158限產(chǎn)總線規(guī)范，可以實現(xiàn)給予現(xiàn)場總線的高度分散性的工廠自動化環(huán)境。6） 支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準，可以與工廠的EMS、ERP系統(tǒng)輕易集成。7） 使用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、程序標準語言，以保障用戶的投資及多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)

32、交換。3.4 PAC與PLC的區(qū)別在形式上，PAC與傳統(tǒng)PLC很相似，但是PAC性能卻廣泛得多。PAC是一種多功能控制器平臺，它包含多種可按用戶意愿組合、搭配和實施的技術(shù)和產(chǎn)品。PLC是一種基于專有架構(gòu)的產(chǎn)品，僅僅具備了制造商認為必要的性能。PAC與PLC最根本的不同在于它們的基礎(chǔ)不同。PLC性能的實現(xiàn)主要依賴于專用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行依靠專用硬件芯片實現(xiàn)，硬件的非通用性會導致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制，由于專用操作系統(tǒng)，實時可靠性與功能都無法與通用實時操作系統(tǒng)相比，這樣導致了PLC整體性能的專用性和封閉性。 PAC的性能是基于其輕便控制引擎，標準、通用、開放的實時操作系統(tǒng)，嵌入式硬件系統(tǒng)

33、設(shè)計以及背板總線。PAC設(shè)計了一個通用、軟件形式的控制引擎用于應(yīng)用程序的執(zhí)行，控制引擎位于實時操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間，這個控制引擎與硬件平臺無關(guān)，可在不同平臺的PAC系統(tǒng)間移植。因此對于用戶來說，同樣的應(yīng)用程序不需修改即可下載到不同PAC硬件系統(tǒng)中，用戶只需根據(jù)系統(tǒng)功能需求和投資預算選擇不同性能PAC平臺。這樣，根據(jù)用戶需求的迅速擴展和變化，用戶系統(tǒng)和程序無需變化，即可無縫移植。PLC基于專有技術(shù)建立，而PAC的軟件和硬件由于采用標準通用部件，可使用商品現(xiàn)貨供應(yīng)產(chǎn)品和技術(shù)，這樣：(1)有助于確保系統(tǒng)的可靠性和可用性，因為可保證硬/軟件迅速、方便的維護；(2)降低了系統(tǒng)價格、減少了停機時間，因為

34、隨時可得到現(xiàn)貨；(3)提高了開放性、靈活性、可擴展性。本章小結(jié)本章介紹了可編程自動控制器（PAC）的定義和PACSystems RX3i模塊的優(yōu)點以及特點。本章還簡單敘述了PAC系統(tǒng)的主要特征及性能，相對于傳統(tǒng)PLC來說，PAC的性能要更加的強大。第四章 硬件設(shè)計4.1 電梯控制功能要求 1 系統(tǒng)的控制功能要求本系統(tǒng)采用3層電梯結(jié)構(gòu)，以電梯控制器為控制核心，直觀地反映電梯的運行過程，較全面地演示電梯的運行規(guī)律7。電梯主要由機房、井道、轎廂、門系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。本文研究的電梯控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能如下：1） 在每一層電梯的門廳都要裝一個上行和下行的呼喚按鈕，分別或同時按動上行、下行按鈕，該

35、信號能被記憶，對應(yīng)的信號燈亮；2） 當電梯上行時，如遇到某層有上行的呼喚信號時，則在該層停止，同時消除該層的上行信號，對應(yīng)的信號燈滅，門自動打開，而在上行過程中，下層的呼喚信號不起作用，下行信號仍被記憶，下行同理；3） 在轎廂內(nèi)按下關(guān)門按鈕，門自動關(guān)閉，門到位后才能升降。電梯在升降過程中經(jīng)過無呼喚信號的樓層時，不停止也不開門；4） 在上升的過程中，如果上行和下行都有呼喚信號，應(yīng)優(yōu)先服務(wù)于上行的呼喚信號，在上層無呼喚信號而下層有呼喚信號時，則服務(wù)于下行呼喚信號，電梯在下降過程中的情況同理；5） 電梯在停止時，可以用按鈕直接控制開門、關(guān)門、開門定時時間到后若無人關(guān)門，電梯將自動關(guān)門，電梯停在某一層

36、時，在門廳按下該層的呼喚按鈕也能開門；6） 電梯開門時不能上升和下降；電梯在升降過程中不能開門；7） 在轎廂內(nèi)設(shè)置有選層按鈕和對應(yīng)的信號燈，在上行時優(yōu)先服務(wù)于上行的選層按鈕；在下行時，優(yōu)先服務(wù)于下行按鈕信號；當電梯停在某一層時，該層的選層信號應(yīng)被清除6。 2 電梯控制系統(tǒng)的工作流程電梯正常工作，主要需要如下信號：控制信號、層樓信號、指令信號、召喚信號和消防信號。這些信號分別來自轎廂控制面板、井道行程開關(guān)、層面控制銨鈕和層面火警開關(guān)。來自井道行程開關(guān)的層樓信號進行層樓定位并參與自動定向，同時顯示所在層樓位置。來自轎廂控制面板的指令信號和來自層面控制按鈕的召喚信號分別進行指令登記和召喚登記，同時進

37、行信號登記顯示。這兩種信號也參與自動定向，和層樓信號一同對電梯進行運行控制，包括開關(guān)門、上下行和停站。當來自層面的火警開關(guān)發(fā)出消防控制信號時，立即消除指令登記和召喚登記，直接控制電梯下行至底樓并開門。運行控制電梯的同時進行運行顯示和驅(qū)動電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，即電梯上行或下行。下圖是PLC 單臺電梯控制系統(tǒng)工作流程圖。圖4-1 PLC 單臺電梯控制系統(tǒng)工作流程圖 3 PLC 控制系統(tǒng)的一般設(shè)計步驟 在設(shè)計系統(tǒng)之前，需要全面的掌握系統(tǒng)的控制要求，全面分析、解決問題、總結(jié)結(jié)論、制定準確可行的設(shè)計方案?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計步驟如下圖所示。圖4-2 PLC 控制系統(tǒng)的一般設(shè)計步驟4.2 I/O點數(shù)及其分布 4.2

38、.1 I/O點數(shù)分配 本系統(tǒng)中所使用的PLC是PACSystems RX3i型控制器。它是中、高端過程和離散控制應(yīng)用的新一代控制器。PACSystems RX3i 的特點是具有單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境 ，提供應(yīng)用程序在多種硬件平臺上的可移植性和真正的各種控制選擇的交叉滲透。PACSystems RX3i 易于集成，為多平臺的應(yīng)用提供空前自由度，能統(tǒng)一過程控制系統(tǒng)，并可以更靈活、更開放的升級或者轉(zhuǎn)換。在 Proficy Machine Edition 的開發(fā)軟件環(huán)境中， 它單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境能整體上提升自動化水平。 根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的控制功能要求，表4-1是三層電梯的I/O分配

39、地址。輸入輸出器件說明器件說明I1啟動Q11FI2停止Q22FI3SQ1Q33FI4SQ2Q41FOI5SQ3Q51FCI6UP1Q62FOI7DOWN2Q72FCI8UP2Q83FOI9DOWN3Q93FCI10內(nèi)呼1Q101FUI11內(nèi)呼2Q112FUI12內(nèi)呼3Q122FDQ133FDQ14SQ1Q15SQ2Q16SQ3表4-1 三層電梯的I/O分配地址三層電梯電氣接口圖如下圖所示：圖4-3 三層電梯電氣接口圖 4.2.2 系統(tǒng)的硬件組態(tài) GE PAC的編程軟件是Proficy Machine Edition，系統(tǒng)的硬件組態(tài)需要在編程軟件中完成。進入該軟件界面后，創(chuàng)建一個空工程，工程命名

40、為dianti，右鍵點擊工程，選擇 Add TargetGE Fanuc Controller PACSystems RX3i，在 Proficy Machine Edition 軟件 界 面 中 ，依 次 點 開 瀏 覽 器 的 diantiTarget1Hardware Configuration，即可進行硬件配置。由于 PAC采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個插槽均有可能配置不同的模塊，所以需要對每個插槽上的模塊進行定義，CPU 才能識別到模塊進行工作。 該電梯控制系統(tǒng)中硬件所使用的模塊分別為：電源模塊，Slot 0：IC695PSD040； CPU 模塊 ，RX3i CPU 模塊占兩槽的寬度，Slo

41、t 1：IC695CPU310，Slot 2：Used With Slot 1；離散輸入模塊。Slot3：IC694MDL660;數(shù)字量輸入仿真器模塊，Slot4：IC694ACC300；以太網(wǎng)模塊，Slot 5：IC695ETM001； 運動控制模塊，Slot6：IC695HSC304;；模擬量輸入模塊，Slot7：IC695ALG600;模擬量輸出模塊，Slot8：IC695ALG704;通信模塊，Slot9：IC695CMM002;10號槽是空的;離散量輸出模塊，Slot11：IC695MDL754;總線擴展，Slot12：IC695LRE001。配置以太網(wǎng)模塊時還要配置以太網(wǎng)模塊的 I

42、P地址為：192.168.0.3。配置好的系統(tǒng)硬件配置圖如圖 4-4 所示。圖4-4 系統(tǒng)硬件配置圖 4.2.3 工業(yè)以太網(wǎng)的通訊設(shè)置 GE RX3i、計算機和HMI 是采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信的。GE RX3i在首次使用、更換電池或丟失配置信息后，以太網(wǎng)通信模塊的配置信息必須重新設(shè)定，即設(shè)置臨時IP地址，并將此IP地址寫入 RX3i，供臨時通訊使用。然后可通過寫入硬件配置信息的方法設(shè)置成“永久”IP。在設(shè)置IP地址時，一定要注意GE RX3i，計算機和HMI三者的IP地址要處于同一網(wǎng)段中，且兩兩不可重復。GE RX3i的IP地址就是通用底板上的通信模塊的IP地址。設(shè)定以太網(wǎng)通信模塊的臨時IP地

43、址的步驟如下：1） 將GE PAC 系統(tǒng)連接到以太網(wǎng)上；2） 打開設(shè)定臨時IP地址（Set Temporary IP Address）對話框，在對話框內(nèi)寫入：MAC 地址，此地址是以太網(wǎng)接口模塊上標出的12 位地址；IP地址，此IP地址應(yīng)該與硬件配置中以太網(wǎng)模塊IC695ETM001所配置的IP地址相同，為19216803；3） 以上區(qū)域都正確配置后，單擊“Set IP”按鈕11；設(shè)置臨時IP地址對話框如圖4-5 所示。輸入完畢后即可進行軟件、硬件之間的通信聯(lián)系。圖4-5 設(shè)置臨時 IP 地址的界面本章小結(jié)本章簡述了三層電梯的控制功能要求以及電梯控制系統(tǒng)的工作流程，三層電梯主要由機房、井道、轎

44、廂、門系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。GE PAC的編程軟件是Proficy Machine Edition，系統(tǒng)的硬件組態(tài)需要在編程軟件中完成，在本章中，描述了三層電梯選用的硬件模塊以及工業(yè)以太網(wǎng)的通訊設(shè)計方式。 第五章 軟件設(shè)計5.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 根據(jù)電梯的內(nèi)外呼信號，以及目前電梯所在的位置，來判斷電梯的運行方向。GE PAC根據(jù)外圍設(shè)備的輸入信號，自動確定電梯的運行狀態(tài)。根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程圖如下圖所示。在主程序中按照功能要求分幾個程序塊來執(zhí)行相應(yīng)的程序，要實現(xiàn)某一功能時就調(diào)用相應(yīng)的子程序快。子程序共分為：內(nèi)外呼信號的采集及顯示子程序；電梯樓層位置的采集及顯示子

45、程序；響應(yīng)內(nèi)呼叫信號的子程序；響應(yīng)外呼叫信號的子程序；確定電梯運行方向子程序；電梯開關(guān)門控制子程序。各子程序塊不完全獨立，它們之間存在著有機聯(lián)系。電梯控制系統(tǒng)軟件的升降流程圖如下圖所示。 系統(tǒng)的主程序及各子程序均是利用GE的編程軟件Proficy Machine Edition進行編寫的。圖5-1 電梯上升下降流程圖5.2 程序流程圖 1.電梯在運行過程中收集樓層信號的梯形圖 2.電梯在1層和2層可以進行轎廂外的呼叫上行信號的梯形圖 3.電梯在3層和2層可以進行轎廂外的呼叫上行信號的梯形圖 4.乘客在進入電梯后，可以在轎廂內(nèi)部進行樓層的選擇，可實現(xiàn)電梯上行還是下行的梯形圖。 5.當電梯到達樓層

46、時的梯形圖本章小結(jié)本章敘述了電梯控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第六章 3層控制系統(tǒng)的實驗調(diào)試6.1實驗器材的準備 實驗器材：1.GE FANUC RX3i系統(tǒng)一套2.PYS3三層電梯模塊一塊3.網(wǎng)線 一根4.KNT連接導線若干5.安裝了PME7.0編程軟件的計算機。實驗器材如圖6-1。圖6-1 三層電梯模塊6.2軟件編譯及實驗調(diào)試采用GE FANUC Proficy ME軟件進行編程工作。編程調(diào)試步驟如下：1. 打開編程軟件；2. 硬件配置 為對象MYPLC進行硬件配置，依次點開Hardware ConfigurationRack0,在下拉條目中分別對12個Slot（插槽）口進行配置，CPU模塊占兩個槽

47、。右擊Slot，選擇Add Module,彈出Catalog窗口，根據(jù)模塊類型（從RX3i的每個模塊上讀?。?，選擇型號，點擊 OK，模塊添加成功。3 輸入梯形圖程序并進行程序測試 4.地址配置； 5.保存地址進行連接，點擊閃電按鈕通PAC進行鏈接，連接成功后小手變?yōu)榫G色確保連接好以后，關(guān)掉CPU進行程序?qū)?，然后打開CPU。 6.3程序運行過程三個樓層信號任意一個至1,表示電梯停的當前層,此時,樓層信號燈點亮.按下電梯外呼信號UP或者down電梯升降到所在樓層，電梯門打開，延時閉合,此時模擬人進入電梯。進入電梯后,按下內(nèi)呼叫信號選擇要去的樓層.關(guān)閉樓層限位(模擬矯箱離開當前層),打開目標樓層限位(表示矯箱到達該層)電梯門打開延時閉合(模擬人出電梯過程)。以下是電梯從一樓到三樓，且二樓有向上呼叫的，同時三樓向下呼叫的工作過程。如圖是電梯在一樓且有人進入。圖6-2 電梯在1層本章小結(jié)本章內(nèi)容敘述了電梯的實驗調(diào)試過程，其包括實驗