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PLC基礎(chǔ)知識(shí)
PLC的發(fā)展歷程
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。
個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。
上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。
1.2 PLC的構(gòu)成
從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。
1.3 CPU的構(gòu)成
CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(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)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。
CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。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。
在使用者看來，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。
CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。
1.4 I/O模塊
PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。
常用的I/O分類如下：
開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。
模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。
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的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。
1.5 電源模塊
PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。
1.6 底板或機(jī)架
大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。
1.7 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備
1.7.1 編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。
1.7.2 人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。
1.8 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)
依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說法。
PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。
2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本原則
2.1 最大限度的滿足被控對象的控制要求。
2.2 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用和維護(hù)方便。
2.3 保證控制系統(tǒng)安全可靠。
2.4 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)在選擇PLC容量時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有余量。
3 PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言
3.1 PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機(jī)、將程序語言翻譯成機(jī)器語言，診斷機(jī)器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預(yù)。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制要求，用PLC的程序語言編制的應(yīng)用程序（也就是邏輯控制）用來實(shí)現(xiàn)各種控制。STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，也就是用戶程序，我們就是使用STEP7來進(jìn)行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序執(zhí)行結(jié)果的在線監(jiān)視。
3.2 PLC提供的編程語言
3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點(diǎn)
3.2.1.1 它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點(diǎn)、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號(hào)構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。
3.2.1.2 梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是PLC輸入點(diǎn)接的開關(guān)也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。
3.2.1.3 梯形圖中的接點(diǎn)可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。
3.2.1.4 內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。
3.2.1.5 PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點(diǎn)的值在用戶程序中可以當(dāng)做條件使用。
3.2.2 語句表語言，類似于匯編語言。
3.2.3 邏輯功能圖語言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來表達(dá)，一般一個(gè)運(yùn)算框表示一個(gè)功能左邊畫輸入、右邊畫輸出。
4 STEP7程序的使用
4.1 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目就象一個(gè)文件夾，所有數(shù)據(jù)都以分層的結(jié)構(gòu)存在于其中，任何時(shí)候你都可以使用。在創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目之后，所有其他任務(wù)都在這個(gè)項(xiàng)目下執(zhí)行。
4.2 組態(tài)一個(gè)站，組態(tài)一個(gè)站就是指定你要使用的可編程控制器，例如S7300、S7400等。
4.3 組態(tài)硬件，組態(tài)硬件就是在組態(tài)表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用戶程序中以什么樣的地址來訪問這些模板，地址一般不用修改由程序自動(dòng)生成。模板的特性也可以用參數(shù)進(jìn)行賦值。
4.4 組態(tài)網(wǎng)絡(luò)和通訊連接，通訊的基礎(chǔ)是預(yù)先組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，也就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)滿足你的控制方案的子網(wǎng)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)特性、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接特性以及任何聯(lián)網(wǎng)的站所需要的連接。網(wǎng)絡(luò)地址也是程序自動(dòng)生成如果沒有更改經(jīng)驗(yàn)一定不要修改。
4.5 定義符號(hào)，可以在符號(hào)表中定義局部或共享符號(hào)，在你的用戶程序中用這些更具描述性的符號(hào)名替代絕對地址。符號(hào)的命名一般用字母編寫不超過8個(gè)字節(jié)，最好不要使用很長的漢字進(jìn)行描述，否則對程序的執(zhí)行有很大的影響。
4.6 創(chuàng)建程序，用梯形圖編程語言創(chuàng)建一個(gè)與模板相連結(jié)或與模板無關(guān)的程序并存儲(chǔ)。創(chuàng)建程序是我們控制工程的重要工作之一，一般可以采用線形編程（基于一個(gè)塊內(nèi)，OB1）、分布編程（編寫功能塊FB,OB1組織調(diào)用）、結(jié)構(gòu)化編程（編寫通用塊）。我們最常采用的是結(jié)構(gòu)化編程和分布編程配合使用，很少采用線形編程。
4.7 下載程序到可編程控制器，完成所有的組態(tài)、參數(shù)賦值和編程任務(wù)之后，可以下載整個(gè)用戶程序到可編程控制器。在下載程序時(shí)可編程控制器必須在允許下載的工作模式下（STOP或RUN-P）,
RUN-P模式表示，這個(gè)程序?qū)⒁淮蜗螺d一個(gè)塊，如果重寫一個(gè)舊的CPU程序就可能出現(xiàn)沖突，所以一般在下載前將CPU切換到STOP模式。
5 WINCC程序的使用
5.1 簡介，WINCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能，是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作監(jiān)視系統(tǒng)，它很容易結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的和用戶的程序建立人機(jī)界面精確的滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。WINCC有兩個(gè)版本RC版（具有組態(tài)和開發(fā)環(huán)境）、RT版（只有運(yùn)行環(huán)境），我們一般使用的是RC版。
5.2 WINCC簡單使用步驟
5.2.1 變量管理，首先確定通訊方式安裝驅(qū)動(dòng)程序，然后定義內(nèi)部變量和外部變量，外部變量是受你買的WINCC軟件授權(quán)限制的最大授權(quán)64K字節(jié)，內(nèi)部變量沒有限制。
5.2.2 畫面生成，進(jìn)入圖形編輯器，圖形編輯器是一種用于創(chuàng)建過程畫面的面向矢量的作圖程序。也可以使用包含在對象和樣式庫中的眾多的圖形對象來創(chuàng)建復(fù)雜的過程畫面?？梢酝ㄟ^動(dòng)作編程將動(dòng)態(tài)添加到單個(gè)圖形對象上。
5.2.3 報(bào)警記錄設(shè)置，報(bào)警記錄提供了顯示和操作選項(xiàng)來獲取和歸檔結(jié)果?？梢匀我獾剡x擇消息塊、消息級別、消息類型、消息顯示以及報(bào)表。為了在運(yùn)行中顯示消息，可以使用包含在圖形編輯器中的對象庫中的報(bào)警控件。
5.2.4 變量記錄，變量記錄是用來從運(yùn)行過程中采集數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備將它們顯示和歸檔。
5.2.5 報(bào)表組態(tài)，報(bào)表組態(tài)是通過報(bào)表編輯器來實(shí)現(xiàn)的。是為消息、操作、歸檔內(nèi)容和當(dāng)前或已歸檔的數(shù)據(jù)定時(shí)器或事件控制文檔的集成的報(bào)表系統(tǒng)，可以自由選擇用戶報(bào)表的形式。
5.2.6 全局腳本的應(yīng)用，全局腳本就是C語言函數(shù)和動(dòng)作的通稱，根據(jù)不同的類型腳本被用于給對象組態(tài)動(dòng)作并通過系統(tǒng)內(nèi)部C語言編譯器來處理。全局腳本動(dòng)作用于過程執(zhí)行的運(yùn)行中。一個(gè)觸發(fā)可以開始這些動(dòng)作的執(zhí)行。
5.2.7 用戶管理器設(shè)置，用戶管理器用于分配和控制用戶的單個(gè)組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)編輯器的訪問權(quán)限。每建立一個(gè)用戶，就設(shè)置了WINCC功能的訪問權(quán)利并獨(dú)立的分配給此用戶。至多可分配999個(gè)不同的授權(quán)。
5.2.8 交叉表索引，交叉索引用于為對象尋找和顯示所有使用處，例如變量、畫面和函數(shù)等。使用“鏈接”功能可以改變變量名稱而不會(huì)導(dǎo)致組態(tài)不一致。
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