沈陽(yáng)理工大學(xué)1一、概述1.1PLC的基本概念早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLC,plc自1966年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國(guó)，日本，德國(guó)的可編程序控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：a、電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去b.中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。c、存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。d、輸入輸出接口電路1、現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。2、現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。沈陽(yáng)理工大學(xué)2e、功能模塊如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。f、通信模塊如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。1.2PLC的發(fā)展概況PLC產(chǎn)生于上世紀(jì)60年代，崛起于70年代，成熟于80年代，于90年代取得技術(shù)上的新突破，21世紀(jì)PLC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)為：適應(yīng)市場(chǎng)需要，加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力；PLC向開(kāi)放性發(fā)展；PLC的體積小型化，運(yùn)算速度高速化；軟PLC出現(xiàn)；PLC編程語(yǔ)言趨于標(biāo)準(zhǔn)化。其應(yīng)用領(lǐng)域目前不斷擴(kuò)大，并延伸到過(guò)程控制、批處理、運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)控制、無(wú)線電遙控以至實(shí)現(xiàn)全廠的綜合自動(dòng)化。21世紀(jì)PLC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)1、適應(yīng)市場(chǎng)需要，加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力在信息時(shí)代的今天，幾乎所有PLC制造商都注意到了加強(qiáng)PLC通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力這一點(diǎn)。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有專門的通信模塊。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC的通信聯(lián)網(wǎng)能使其與PC和其它智能控制設(shè)備很方便地交換信息，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理。也就是說(shuō)，用戶需要PLC與PC更好地融合，通過(guò)PLC在軟技術(shù)上協(xié)助改善被控過(guò)程的生產(chǎn)性能，在PLC這一級(jí)就可以加強(qiáng)信息處理能力。例如，CONTEC與日本三菱電機(jī)公司（以下簡(jiǎn)稱為三菱電機(jī)）合作，推出專門插在小Q系列PLC的機(jī)架上的PC機(jī)模塊，該模塊實(shí)際上就是一臺(tái)可在工廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下正常運(yùn)行，而且可通過(guò)PLC的內(nèi)部總線與PLC的CPU模塊交換數(shù)據(jù)的PC機(jī)。其處理芯片采用IntelCeleron400M主頻、系統(tǒng)內(nèi)存128MB、Cache128K、支持外掛顯示器，該模塊內(nèi)裝WindowsNT4.0或Windows2000。支持的軟件有：三菱綜合F4軟件，包括PLC編程軟件GT、FA數(shù)據(jù)處理軟件MX、人機(jī)界面畫(huà)面設(shè)計(jì)軟件GT、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)編程軟件MT等。2、PLC向開(kāi)放性發(fā)展早期的PLC缺點(diǎn)之一是它的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開(kāi)放的，如專用總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、I/O模塊更互不通用，甚至連機(jī)架、電源模板亦各不相同，編程語(yǔ)言之一的梯形圖名稱雖一致，但組態(tài)、尋址、語(yǔ)言結(jié)構(gòu)均不一致，因此，幾乎各個(gè)公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在開(kāi)放性方面已有實(shí)質(zhì)性突破。十多年前PLC被攻破的一個(gè)重要方面就是它的專有性，現(xiàn)在情況有了極大改觀，不少大型PLC廠商在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61131-3、IEEE802.3以太網(wǎng)、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEGSchneider集團(tuán)已開(kāi)發(fā)以PLC機(jī)為基礎(chǔ)，在Windows平臺(tái)下，符合IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的全新一代開(kāi)沈陽(yáng)理工大學(xué)3放體系結(jié)構(gòu)的PLC實(shí)現(xiàn)高度分散控制，開(kāi)放度高。高度分散控制是一種全新的工業(yè)控制結(jié)構(gòu)，不但控制功能分散化，而且網(wǎng)絡(luò)也分散化，所謂高度分散化控制，就是控制算法常駐在該控制功能的節(jié)點(diǎn)上，而不是常駐在PLC上或PC上，凡掛在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備，均處于同等的位置，將“智能”擴(kuò)展到控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從傳感器、變送器到I/O模塊，乃至執(zhí)行器，無(wú)處不采用微處理芯片，因而產(chǎn)生了智能分散系統(tǒng)（SDS）。3、PLC的體積小型化，運(yùn)算速度高速化PLC小型化的好處是節(jié)省空間、降低成本、安裝靈活。目前一些大型PLC，其外形尺寸比他們前一代的同類產(chǎn)品的安裝空間要小50%左右。近幾年，很多PLC廠商推出了超小型PLC，用于單機(jī)自動(dòng)化或組成分布式控制系統(tǒng)。西門子公司的超小型PLC稱通用邏輯模塊LOGO！，它采用整體式結(jié)構(gòu)，集成了控制功能、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和操作顯示單元，可用面板上的小型液晶顯示屏和6個(gè)鍵來(lái)編程。LOGO！超小型PLC使用功能模塊圖FBD編程語(yǔ)言，有在PC上運(yùn)行的Windows98/NT編程軟件。三菱電機(jī)的超小型PLC叫簡(jiǎn)單應(yīng)用控制器，簡(jiǎn)稱并有AL-PCS/win-C型VLS軟件，是強(qiáng)有力且界面友好的編程工具。松下電工的超小型PLC叫可選模式控制器。德國(guó)金鐘默勒公司（MOELLER）的超小型PLC稱控制繼電器，簡(jiǎn)稱easy。4、軟PLC出現(xiàn)所謂軟PLC，實(shí)際就是在PC機(jī)的平臺(tái)上，在Windows操作環(huán)境下，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC的功能，也就是說(shuō)，軟PLC是一種基于PC機(jī)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，利用軟件技術(shù)可以將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換全功能的PLC過(guò)程控制器。軟PLC綜合了計(jì)算機(jī)和PLC的開(kāi)關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，通過(guò)一個(gè)多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期，可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。軟PLC具有硬PLC的功能，同時(shí)又提供了PC機(jī)環(huán)境的各種優(yōu)點(diǎn)。GEFanuc公司推出了一種外形類似筆記本電腦的PC以Windows為操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)PLC的CPU模塊的功能，通過(guò)以太網(wǎng)和I/O模塊、通信模塊用于工廠的現(xiàn)場(chǎng)控制。在美國(guó)底特律汽車城，大多數(shù)汽車裝配自動(dòng)生產(chǎn)線、熱處理工藝生產(chǎn)線等都已由傳統(tǒng)PLC控制改為軟件PLC控制，可以說(shuō)，高性能價(jià)格比的軟PLC將成為今后高檔PLC的發(fā)展方向。5、PLC編程語(yǔ)言趨于標(biāo)準(zhǔn)化IEC61131是可編程控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，共有8個(gè)部分，從1992年開(kāi)始陸續(xù)頒布實(shí)行。IEC61131-3是PLC編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)，于1993年頒布實(shí)施。沈陽(yáng)理工大學(xué)4IEC61131-8于2001年頒布實(shí)施，與IEC61131-3被稱為PLC語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)則。IEC61131-3PLC編程語(yǔ)言國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是將現(xiàn)代軟件概念和現(xiàn)代軟件工程的機(jī)制與傳統(tǒng)的PLC編程語(yǔ)言成功的結(jié)合，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出PLC的界限，已成為DCS、PC控制、運(yùn)動(dòng)控制以及SCADA的編程系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。IEC61131-3規(guī)定了二大類編程語(yǔ)言：文本化編程語(yǔ)言和圖形化編程語(yǔ)言。前者包括指令語(yǔ)句表語(yǔ)言（IL）和結(jié)構(gòu)化文本化語(yǔ)言（ST），后者包括梯形圖語(yǔ)言（LD）和功能塊圖語(yǔ)言（FBD）。而順序功能圖（SFC）可以在梯形圖語(yǔ)言中使用，也可以在指令語(yǔ)句表語(yǔ)言中使用。5、PLC的國(guó)產(chǎn)化國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制PLC產(chǎn)品是上世紀(jì)70年代中期，當(dāng)時(shí)上海、北京、西安、廣州和長(zhǎng)春等地的不少科研單位、大專院校和工廠，總計(jì)20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC（絕大多數(shù)都是小型PLC）。特別值得一提的是國(guó)家科委和原機(jī)械工業(yè)部在儀器儀表重點(diǎn)課題攻關(guān)專項(xiàng)中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項(xiàng)攻關(guān)，由部屬北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所負(fù)責(zé)，先后研制開(kāi)發(fā)了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。這幾種型號(hào)的PLCI/O點(diǎn)數(shù)為256512，并可擴(kuò)展到1024點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)研制大型PLC的先河，先后在注塑機(jī)、恒溫室、鍋爐控制、汽車壓力機(jī)生產(chǎn)線上獲得了應(yīng)用。這些項(xiàng)目有自動(dòng)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)、工業(yè)控制編程語(yǔ)言并具有與上位機(jī)、HMI連網(wǎng)和通信等功能。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)研制開(kāi)發(fā)的PLC產(chǎn)品由于缺乏資金、后續(xù)研制力量不足及生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后等原因，沒(méi)有形成批量工業(yè)化生產(chǎn)，因而被國(guó)外產(chǎn)品淘汰而紛紛消失?？上驳氖窃?0年代，由于PLC應(yīng)用不斷深入，國(guó)內(nèi)又掀起研制PLC的高潮，雖然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、質(zhì)量和可靠性比70年代的產(chǎn)品有明顯的提高。其代表產(chǎn)品如：南京冠德科技有限公司（原江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司PLC工廠）的JH200系列PLC，I/O為12120點(diǎn)，具有高速計(jì)數(shù)器和模擬量功能；杭州新箭電子有限公司的D系列PLC，D20P的I/O點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)，D100的I/O點(diǎn)可從40120點(diǎn)；蘭州全志電子有限公司的RD系列小型PLC很有特點(diǎn)，RD100型PLC的I/O點(diǎn)9/4點(diǎn)，2點(diǎn)模擬量輸入，而RD200型PLC的I/O為2040點(diǎn)，擴(kuò)展的功能有編碼盤測(cè)速、熱電偶測(cè)溫和模擬量I/O，RD200型PLC最多可32臺(tái)連網(wǎng)，并能與上位PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前不斷擴(kuò)大，并延伸到過(guò)程控制、批處理、運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)控制、無(wú)線電遙控以至實(shí)現(xiàn)全廠的綜合自動(dòng)化。PLC的技術(shù)發(fā)展除了小型化、超高速，大容量存儲(chǔ)器，多CPU，多任務(wù)并行運(yùn)行外，PLC的開(kāi)放性更大，通信聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，集成化軟件更優(yōu)。標(biāo)準(zhǔn)化的IEC61131-3PLC編程語(yǔ)言已被眾多PLC廠商所接受，其推廣速度越來(lái)越快。軟PLC沈陽(yáng)理工大學(xué)5的應(yīng)用范圍將更廣。1.3PLC技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向從1969年第一臺(tái)PLC問(wèn)世至今，可編程控制器大約經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段：開(kāi)發(fā)的PLC容量較小，I/O點(diǎn)數(shù)小于120點(diǎn)。用戶存儲(chǔ)區(qū)容量在2KB左右，掃描速度為2050ms/KB，指令較為簡(jiǎn)單，只有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，編程語(yǔ)言采用簡(jiǎn)單的語(yǔ)句表語(yǔ)言。使用上，主要用來(lái)作開(kāi)關(guān)量控制。第二階段：PLC的容量有所擴(kuò)展，I/O點(diǎn)數(shù)從512點(diǎn)至1024點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展到8KB以上，速度也有提高，掃描速度達(dá)到56ms/KB，指令功能除了基本的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)外，還增加了算術(shù)運(yùn)算指令、比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入輸出類型也由純開(kāi)關(guān)量I/O，擴(kuò)展為帶模擬量的I/O。編程語(yǔ)言除了使用語(yǔ)句表外，還可以使用梯形圖編程語(yǔ)言。第三階段：進(jìn)入80年代以來(lái)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的PLC得到驚人的發(fā)展，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了上述兩階段的產(chǎn)品。使PLC在概念，設(shè)計(jì)，性價(jià)比以及應(yīng)用方面都有了新的突破。這一階段的產(chǎn)品向大型和小型兩個(gè)方向發(fā)展:A、大型產(chǎn)品的I/O點(diǎn)數(shù)，超過(guò)4000點(diǎn)，有些產(chǎn)品達(dá)到8000個(gè)I/O點(diǎn)，用戶存儲(chǔ)區(qū)容量超過(guò)32KB，配置有各種智能模塊（例如溫度控制模塊、軸定位模塊、過(guò)程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也大大提高，達(dá)到0.47ms/KB，指令功能除了基本的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制外，還有算術(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算指令、PID調(diào)節(jié)功能指令、圖形組態(tài)功能指令、網(wǎng)絡(luò)和通信指令等。編程語(yǔ)言普遍采用梯形語(yǔ)言，同時(shí)也使用語(yǔ)句表和順序功能圖語(yǔ)言（典型的有GRAFCET語(yǔ)言）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)上考慮了容錯(cuò)技術(shù)和冗余技術(shù)等。這一階段的小型產(chǎn)品向超小型化和加強(qiáng)型功能發(fā)展，有16點(diǎn)I/O，24點(diǎn)I/O的整體型小型PLC在小型PLC上配置模擬量I/O、通信口、高速計(jì)數(shù)，指令上也設(shè)置有算術(shù)運(yùn)算、比較指令以及PID調(diào)節(jié)指令。B、小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，也可以用梯形圖和GRAFCET語(yǔ)言進(jìn)行編程。這一階段PLC的軟件設(shè)計(jì)也有很大改進(jìn)，普遍實(shí)現(xiàn)了軟件模塊化設(shè)計(jì)，在PLC產(chǎn)品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的功能調(diào)用就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)給使用帶來(lái)極大的方便。使用的編程器越來(lái)越完善，專用編程器實(shí)際上已經(jīng)是一臺(tái)個(gè)人計(jì)沈陽(yáng)理工大學(xué)6算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)離線編程或在線編程及監(jiān)控，程序打印以及程序固化，實(shí)現(xiàn)圖形組態(tài)，可以聯(lián)網(wǎng)（即掛在PLC網(wǎng)絡(luò)上），有些編程器還可以使用高級(jí)語(yǔ)言除了專用編程器外，很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實(shí)現(xiàn)編程，開(kāi)發(fā)一些專用軟件，充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)的能力，完成各種高級(jí)的編程功能，省卻了專用編程器，既便于推廣又節(jié)省投資。隨著技術(shù)的進(jìn)步，PLC的功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用范疇越來(lái)越廣，與其它工業(yè)控制機(jī)，如分散型控制系統(tǒng)（DCS）的界限已經(jīng)不十分明顯，很多以往必須由分散型控制系統(tǒng)來(lái)完成的控制，現(xiàn)在用PLC都能實(shí)現(xiàn)，因此在應(yīng)用上“交錯(cuò)”已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。PLC技術(shù)代表了當(dāng)今電氣程序控制的最先進(jìn)水平。通過(guò)PLC與各種單元自動(dòng)化裝置（如智能儀表、數(shù)字化傳單裝置、智能的液壓和氣動(dòng)閥組等）以及現(xiàn)場(chǎng)總線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)成了車間和工廠自動(dòng)化的完整體系。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(jiǎn)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(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。沈陽(yáng)理工大學(xué)7二、硬件設(shè)計(jì)2.1控制要求電梯由安裝在各樓層廳門口的上升和下降呼叫按鈕進(jìn)行呼叫操縱，其操縱內(nèi)容為電梯運(yùn)行方向。電梯轎廂內(nèi)設(shè)有樓層內(nèi)選按鈕S1S4，用以選擇需?？康臉菍?。L1為一層指示、L2為二層指示、L3為三層指示、L4為四層指示，SQ1SQ4為到位行程開(kāi)關(guān)。電梯上升途中只響應(yīng)上升呼叫，下降途中只響應(yīng)下降呼叫，任何反方向的呼叫均無(wú)效。例如，電梯停在一層，在三層轎廂外呼叫時(shí)，必須按三層上升呼叫按鈕，電梯才響應(yīng)呼叫（從一層運(yùn)行到