可編程控制器概述.doc

第二章 PLC原理第二章 PLC原理第一節(jié) 可編程控制器概述2.1.0 概述可編程控制器是可編程序控制器（Programmable Controller）的簡稱，通常縮寫為PC。但它不是個人計(jì)算機(jī)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 Sequenec Controller）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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則來設(shè)計(jì)。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(shè)備公司（DEC）根據(jù)對生產(chǎn)過程進(jìn)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(dāng)時的可編程控制器功能有限、體積龐大，但它標(biāo)志著這門新技術(shù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)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(diǎn)，但限于當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展水平，其功能很有限，器件多、線路復(fù)雜且體積大，名稱也不統(tǒng)一。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代可編程控制器對網(wǎng)絡(luò)功能的要求更強(qiáng)，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(shù)并支持專用的嵌入式Web服務(wù)器。2.1.2 可編程控制器的特點(diǎn)可編程控制器實(shí)際上是面向用戶需要，適宜安裝在工作現(xiàn)場的、為進(jìn)行生產(chǎn)控制所設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)。因而它和計(jì)算機(jī)有基本類似的結(jié)構(gòu)，但按其作用它有自己的特點(diǎn)：（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。生產(chǎn)現(xiàn)場的工人易于掌握和使用它，便于普及和應(yīng)用。（2）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運(yùn)行。它完全不需要一般計(jì)算機(jī)所要求的環(huán)境。因?yàn)樗捎昧撕芏嘤布胧ㄆ帘?、濾波、隔離等）和軟件措施（故障的檢測與處理、信息的保護(hù)與恢復(fù)等），以提高可靠性，適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。（3）系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)。這不但使之可針對各類不同控制需要進(jìn)行組合，便于擴(kuò)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(yīng)性。（4）由于PC采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)，故可將其設(shè)計(jì)得緊湊、堅(jiān)固、小體積，再加上它的可靠性，PC易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(qiáng)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(luò)間通訊。并可通過網(wǎng)絡(luò)連接主控級的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)對全廠的自動化生產(chǎn)和管理都能進(jìn)行控制。2.1.3 PLC的應(yīng)用目前可編程控制器已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、食品工業(yè)、木材加工、采礦、冶金、化工、石油、環(huán)保（污水處理）、市政（供水、供熱）、電力、水泥生產(chǎn)、機(jī)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(diǎn)：（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(shè)備的自動起停、石油化工各種閥門的自動關(guān)閉、機(jī)床電氣控制、高爐上料、貨物存?。▊}庫、停車場）、電梯控制等各種單機(jī)、多機(jī)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(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，能對溫度、流量、位置、速度等進(jìn)行閉環(huán)過程控制，如：鍋爐、冷凍、反應(yīng)堆、自動電焊機(jī)等等。（3）用于機(jī)械加工的數(shù)字控制和機(jī)器人的控制PC能和機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床與加工中心結(jié)合進(jìn)行數(shù)值控制。PC也用于對自動化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器人進(jìn)行控制，如自動加工生產(chǎn)線或自動焊接線上的機(jī)器人的多維機(jī)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(shè)備?？珊推渌骷壨ㄟ^工業(yè)局域網(wǎng)通訊，以實(shí)現(xiàn)全廠自動化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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)議（MAP）”。顯然這為實(shí)現(xiàn)異機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的規(guī)范化創(chuàng)造了條件。2.1.4 PLC市場狀況2003年，中國PLC市場規(guī)模達(dá)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%的增長率。在傳統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備控制增長的前提下，PLC正在壓縮單片機(jī)應(yīng)用市場，擠占DCS份額，與IPC全面對抗。中國的PLC市場，僅5%為本土化產(chǎn)品，其他均為國外制造。在壓縮單片機(jī)市場和IPC市場的競爭中，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(qiáng)大競爭力，EASY嵌入式PLC正是在這種市場推動下產(chǎn)生的。2.1.5 嵌入式PLC嵌入式PLC是將PLC內(nèi)核構(gòu)建于控制器內(nèi)，運(yùn)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(fèi)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(yīng)用方式解決對象控制問題的專用PLC。EASY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CAN bus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 相關(guān)工具軟件及參考手冊：C8051F040數(shù)據(jù)手冊新華龍電子Keil Vision 2單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境 德國KEIL公司CANSet 網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jì)時器和計(jì)數(shù)器指令、整數(shù)運(yùn)算指令和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)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(jì)數(shù)器、計(jì)時器、數(shù)據(jù)寄存器等。2.2.1PLC編程語言無論采用哪種編程語言,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(yīng)用者大多是工控行業(yè)的技術(shù)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(xí)慣。這樣的編程語言才更有利于PLC的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn).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(yùn)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(shí)時系統(tǒng)（自制或標(biāo)準(zhǔn)的）及自制前/后臺系統(tǒng)模式。2.3.0PLC開發(fā)語言PLC是一種實(shí)時性很強(qiáng)的控制器，大量控制具有硬實(shí)時的特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。由于硬件成本隨半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展而降低，在小型PLC中應(yīng)用的CPU功能與90年代的相比，已很強(qiáng)大。基本上支持C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(shí)時性很強(qiáng)的PLC的基本模式，在中斷任務(wù)調(diào)用等實(shí)時性很強(qiáng)或代碼利用率較高的程序段使用匯編語言，而在算法、表達(dá)等實(shí)時性不強(qiáng)的場合，使用C則能提高編程的速度。2.3.1嵌入式實(shí)時系統(tǒng)上開發(fā)PLC借助嵌入式實(shí)時系統(tǒng)開發(fā)PLC是主令PLC開發(fā)的主流模式，其實(shí)時內(nèi)核可選用標(biāo)準(zhǔn)的公開發(fā)行版本，也可以根據(jù)自身需要，定制實(shí)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/用于小型CPU（如8位機(jī)）上的PLC開發(fā)比較合適。自制實(shí)時內(nèi)核體現(xiàn)了PLC對實(shí)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(shí)時內(nèi)核是一種根據(jù)開發(fā)需要，選擇合適的硬實(shí)時及軟實(shí)時模式，配置有限的任務(wù)級調(diào)度，尤其調(diào)度方式上更為靈活。在進(jìn)程間切換時，犧牲更少的CPU機(jī)時，與最終開發(fā)的軟件代碼綁定時，體現(xiàn)出完美的實(shí)時、高效特點(diǎn)。2.3.2EASY開發(fā)模式EASY嵌入式PLC是在自制實(shí)時內(nèi)核基礎(chǔ)上，直接用匯編語言編寫的，運(yùn)行在51單片機(jī)上（F040）。第四節(jié) PLC的通信信息化技術(shù)的深深溶入自動化技術(shù)之中，PLC即使是小型PLC也必須具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)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。2.4.0ProfibusProfiBus是由西門子公司開發(fā)的一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，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(lǐng)域。ProfiBus協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信?？扇〈?4VDC或4-20mA信號傳輸。(2) ProfiBus-PA：專為過程自動化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。(3) ProfiBus-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時多主網(wǎng)絡(luò)。ProfiBus提供了用于DP和FMS的RS485傳輸技術(shù)、用于PA的IEC1158-2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、光纖三種數(shù)據(jù)傳輸類型。官方網(wǎng)站：2.4.1ModibusModbus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(Schneider Automation)部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)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(shè)備。許多工業(yè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP等，并沒有規(guī)定物理層。該協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。官方網(wǎng)站：2.4.2CC-link在1996年11月，以三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)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(luò)。CC-Link具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點(diǎn)。CC-Link的底層通訊協(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(jìn)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(shè)備站之間的瞬時通訊。官方網(wǎng)站：2.4.3CAN 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(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用）。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，CAN規(guī)范定義了OSI模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。CAN 協(xié)議有2.0A和2.0B兩個版本。CAN協(xié)議2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標(biāo)志符，2.0B版本規(guī)定CAN控制器的標(biāo)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CAN協(xié)議的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)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?；贒eviceNet 現(xiàn)場總線，羅克韋爾公司提出了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即DeviceNet（設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu),即物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(yīng)用層未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),為促進(jìn)CANBUS的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用,科威公司制定了EASY產(chǎn)品的應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).凡按該標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的CAN網(wǎng)絡(luò)從站設(shè)備均可連入EASY為主站的