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1、第二章 PLC原理第一节 可编程控制器概述2.1.0 概述可编程控制器是可编程序控制器（Programmable Controller）的简称，通常缩写为PC。但它不是个人计算机的PC（Personal Computer）。也不仅是（但包括）早期的可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）、可编程顺序控制器PSC（Programmable Sequenec Controller）及可编程矩阵控制器PMC（Programmable Matrix Controller）。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序
2、的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。2.1.1 可编程控制器的产生和发展1969年，美国数字设备公司（DEC）根据对生产过程进行控制的需要，研制出了第一台可编程控制器，并在美国通用汽车公司（GM）的汽车自动装配线上试用成功。尽管当时的可编程控制器功能有限、体积庞大，但它标志着这门新技术的产生和迅速发展的开始。早期的可编程控制器虽然采用了计算机技术的优点和设计思想，并注重了面向用户、用于控制和适合工业现场
3、的特点，但限于当时的技术发展水平，其功能很有限，器件多、线路复杂且体积大，名称也不统一。随着网络技术的发展，现代可编程控制器对网络功能的要求更强，一般都有现场总线功能、互连网接入功能等，EASY嵌入式PLC采用CAN bus现场总线技术并支持专用的嵌入式Web服务器。2.1.2 可编程控制器的特点可编程控制器实际上是面向用户需要，适宜安装在工作现场的、为进行生产控制所设计的专用计算机。因而它和计算机有基本类似的结构，但按其作用它有自己的特点：（1）编程简单，使用面向控制操作的控制逻辑语言。比如，梯形图、顺序功能流程图。生产现场的工人易于掌握和使用它，便于普及和应用。（2）可靠性高，抗干扰能力强
4、，适于在恶劣的生产环境下运行。它完全不需要一般计算机所要求的环境。因为它采用了很多硬件措施（屏蔽、滤波、隔离等）和软件措施（故障的检测与处理、信息的保护与恢复等），以提高可靠性，适应生产现场的要求。（3）系统采用了分散的模块化结构。这不但使之可针对各类不同控制需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而大大提高了效率。目前较高档的PC还配有各类智能化模板，如：模拟量I/O模板，PID过程控制模板，I/O通讯模板，视觉输入、伺服及编码等专用模板等等，大大提高了PC的功能与适应性。（4）由于PC采用了大规模集成电路技术和微处理器技术，故可将其设计得紧凑、坚固、小体积，再加上它的可靠性，P
5、C易于装入机械设备内部，实现机电一体化。（5）相对于继电器逻辑控制而言，PC可节省大量继电器，故降低了成本且提高了可靠性，而且用程序来执行控制功能，使其灵活易于修改。这一切都大大提高了其性能价格比。（6）目前中、高档PC均具有极强的联网通讯能力。通过简单的组合可连成工业局域网，在网络间通讯。并可通过网络连接主控级的计算机，实现计算机集成制造系统对全厂的自动化生产和管理都能进行控制。2.1.3 PLC的应用目前可编程控制器已广泛应用于交通运输、食品工业、木材加工、采矿、冶金、化工、石油、环保（污水处理）、市政（供水、供热）、电力、水泥生产、机械制造、汽车制造、造纸、纺织、娱乐等各行各业。如果从P
6、C具体的控制对象和类型来看，它有如下几个方面的特点：（1）用于顺序逻辑控制这是早期PC与现代PC都具备的基本控制类型。如：电站设备的自动起停、石油化工各种阀门的自动关闭、机床电气控制、高炉上料、货物存取（仓库、停车场）、电梯控制等各种单机、多机群、自动生产线的控制等。（2）用于闭环过程控制现代的中高档PC都具有PID控制功能，可监控多个回路进行PID调节控制，能对温度、流量、位置、速度等进行闭环过程控制，如：锅炉、冷冻、反应堆、自动电焊机等等。（3）用于机械加工的数字控制和机器人的控制PC能和机械加工中的数控机床与加工中心结合进行数值控制。PC也用于对自动化生产网络中的机器人进行控制，如自动加
7、工生产线或自动焊接线上的机器人的多维机械动作的控制。（4）用于组成多级分布式控制系统PC是组成多级分布式控制系统的底层车间生产级的基本设备。可和其它各级通过工业局域网通讯，以实现全厂自动化生产网络的计算机集成制造系统的生产方式。目前各大PC生产厂家都分别建立了自己的多级分布式控制系统。据说，美国一些大的PC厂家：A-B公司、GE公司、GOULD公司等，和美国一些大的计算机厂家：IBM公司、DEC公司、HP公司、MOTOROLA公司等已表示同意遵守美国GM公司提出的“制造自动化通信协议（MAP）”。显然这为实现异机通讯，实现计算机集成制造系统（CIMS）的规范化创造了条件。2.1.4 PLC市场
8、状况2003年，中国PLC市场规模达26.8亿人民币，小型PLC占64%，由于中国制造业的高速发展，市场未来可望保持年15%的增长率。在传统的单机设备控制增长的前提下，PLC正在压缩单片机应用市场，挤占DCS份额，与IPC全面对抗。中国的PLC市场，仅5%为本土化产品，其他均为国外制造。在压缩单片机市场和IPC市场的竞争中，具有现场总线和互连网接入功能的PLC（尤其是小型PLC）体现出强大竞争力，EASY嵌入式PLC正是在这种市场推动下产生的。2.1.5 嵌入式PLC嵌入式PLC是将PLC内核构建于控制器内，运用PLC语言开发用户所需产品，能提高开发速度，降低开发费用，提高控制器的稳定性。嵌入
9、式PLC又称客制式PLC，即根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的专用PLC。EASY嵌入式PLC软件平台具有开发通用、专用PLC的基本功能，支持CAN bus现场总线、支持通用HMI、组态软件包。EASY嵌入式PLC指令集包括87条基本指令。2.1.6嵌入式PLC的开发流程 相关工具软件及参考手册：C8051F040数据手册新华龙电子Keil Vision 2单片机集成开发环境 德国KEIL公司CANSet 网络设置软件 科威自控EASYDownhex嵌入加载软件 科威自控FXGP_WIN_C 梯形图编辑软件三菱工控EASY编程手册科威自控EASY V1.00 嵌入式
10、PLC软件平台科威自控第二节 PLC编程语言2.2.0PLC指令系统及软件资源PLC是工控行业的通用控制器，具有工控人员熟悉的指令系统和软件资源。PLC指令系统:包括继电器逻辑指令、计时器和计数器指令、整数运算指令和浮点数运算指令、逻辑运算和数据传送指令、专用算法指令（如PID指令）等。PLC软件资源:包括输入继电器、输出继电器、中间继电器、计数器、计时器、数据寄存器等。2.2.1PLC编程语言无论采用哪种编程语言,PLC最终都是按照指令和软件资源组成的语句表来执行程序的，由于PLC的应用者大多是工控行业的技术人员，他们熟悉电气控制图或者信号流程图，因此，PLC的编程语言必须从形式上符合他们的
11、使用习惯。这样的编程语言才更有利于PLC的应用。梯形图（ladder）就是与电气控制图相似的一种PLC编程语言.顺序功能流程图（SFC）就是与信号流程图相似的一种PLC编程语言.梯形图编程语言和顺序功能流程图编程语言都符合工控行业的国际标准.科威公司的嵌入式PLC选用的编程语言是梯形图语言.第三节 PLC系统软件开发模式PLC运行梯形图语言的监控程序（或系统软件），开发模式依硬件而异，就小型PLC而言，开发使用的语言有汇编和C语言之分，开发使用的平台有基于嵌入式实时系统（自制或标准的）及自制前/后台系统模式。2.3.0PLC开发语言PLC是一种实时性很强的控制器，大量控制具有硬实时的特点。对小
12、型PLC而言，因追求成本控制的需要，在CPU选择、存储器容量等方面，资源都比较有限。因此在开发语言的选择上，汇编语言更适合小型PLC的开发，它具有时序透明、代码效率高、模块结构配置灵活等优点。由于硬件成本随半导体技术的高速发展而降低，在小型PLC中应用的CPU功能与90年代的相比，已很强大。基本上支持C语言来开发（主要是资源够用）。使用C语言和汇编语言混合编程已成为开发实时性很强的PLC的基本模式，在中断任务调用等实时性很强或代码利用率较高的程序段使用汇编语言，而在算法、表达等实时性不强的场合，使用C则能提高编程的速度。2.3.1嵌入式实时系统上开发PLC借助嵌入式实时系统开发PLC是主令PL
13、C开发的主流模式，其实时内核可选用标准的公开发行版本，也可以根据自身需要，定制实时内核。Hclinux用于ARM系列芯片为CPU的PLC开发上已取得成功。Hcos/用于小型CPU（如8位机）上的PLC开发比较合适。自制实时内核体现了PLC对实时性的完美整合，对于小型PLC而言，如果对前/后台系统无法容忍，选择自制内核是一个好主意。自制实时内核是一种根据开发需要，选择合适的硬实时及软实时模式，配置有限的任务级调度，尤其调度方式上更为灵活。在进程间切换时，牺牲更少的CPU机时，与最终开发的软件代码绑定时，体现出完美的实时、高效特点。2.3.2EASY开发模式EASY嵌入式PLC是在自制实时内核基础
14、上，直接用汇编语言编写的，运行在51单片机上（F040）。第四节 PLC的通信信息化技术的深深溶入自动化技术之中，PLC即使是小型PLC也必须具有很强的网络能力，各家PLC制造商都有自己的现场总线及工业以太网接口及通信软件。2.4.0ProfibusProfiBus是由西门子公司开发的一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等领域。ProfiBus协议结构以开放式系统互联网络OSI为参考模型，定义了物理层、数据链路层和应用层。ProfiBus由三个兼容部分组成，即ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、P
15、rofiBus-FMS。(1) ProfiBus-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。可取代24VDC或4-20mA信号传输。(2) ProfiBus-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本征安全规范。(3) ProfiBus-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。ProfiBus提供了用于DP和FMS的RS485传输技术、用于PA的IEC1158-2数据传输技术、光纤三种数据传输类型。官方网站：2.4.1ModibusModbus协议最初是由Modicon公司开发出来的，1979年末，该公司成为施耐德自动化(S
16、chneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。该协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。Modbus协议包括ASCII、RTU、PLUS、TCP等，并没有规定物理层。该协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。官方网站：2.4.2CC-link在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”为理念，开发、公布和开放了现场总线CC-Link。CC-Lin
17、k是Control& Communication Link (控制与通信链路系统)的简称，是在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mbps高速传输的现场网络。CC-Link具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。CC-Link的底层通讯协议遵循RS485。CC-Link提供循环传输和瞬时传输2种通信方式。一般情况下，CC-Link主要采用广播轮询（循环传输）的方式进行通讯。除了广播轮询方式以外，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬时通讯。官方网站：2.4.3CAN bus/DeviceNetCAN，全称为“Controller Area Network”，即
18、控制器局域网，由德国Bosch 公司最先提出，已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，CAN规范定义了OSI模型的最下面两层：数据链路层和物理层。CAN 协议有2.0A和2.0B两个版本。CAN协议2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符，2.0B版本规定CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。DeviceNet规范由Rockwell自动化公司开发，并将其作为一个基于CAN协议的开放式现场总线标准公布。DeviceNet协议特别为工厂自动控制而定制，是一个简单、廉价而且高效的协议，适用于最底层的现场总线。基
19、于DeviceNet 现场总线，罗克韦尔公司提出了三层网络结构，即DeviceNet（设备层）、ControlNet（控制和自动网）、 EtherNet（信息层）。官方网站：2.4.4EASY中的CAN bus协议标准科威公司EASY系列嵌入式PLC选用CANBUS作为现场组网总线.CANbus与OSI七层参考模型比较,只有三层结构,即物理层,数据链路层和应用层,物理层和数据链路层协议符合CAN2.0A或CAN2.0B,由芯片制造商固化在芯片内,而应用层未制定相关标准,为促进CANBUS的标准化应用,科威公司制定了EASY产品的应用层协议标准.凡按该标准开发的CAN网络从站设备均可连入EASY
20、为主站的CAN网络,从而拥有CAN网络带给的增值服务,如利用平台节点进行梯形图编程,将产品信息送到人机界面等.EASY产品的应用层协议标准规定如下:1.描述符接收和发送规定CAN主从结构网络的通讯进程：主站访问从站时，从站以中断方式响应,每一报文的数据长度码固定为8个字节长。从站接收报文条件：ID.10-ID.3=本站节点物理地址。取值范围1-63。RTR=0；ID.2- ID.0=000B；数据长度码=8，固定值。从站回发报文要求：ID.10-ID.3=节点物理地址。取值范围1-63。RTR=0；ID.2- ID.0=000B；数据长度码=8，固定值。2.数据字节接收发送规定CAN报文每次传
21、送8个数据字节.从站接收报文时：数据字节1的内容=由网络设置软件CANSet生成的标记字节1。具体含义：d7d6=设备任务级，0级任务最快。d5d4d3d2d1d0=设备逻辑地址。因此从站数不超过63个。数据字节2的内容=由网络设置软件CANSet生成的标记字节2具体含义：d7d6 d5d4d3d2d1d0=报文号,又称命令字,取值范围0-255.数据字节3-8的内容为主站根据报文号(命令字)要求,填写发送到从站的数据,应用层协议对此没有作具体内容规定.从站回复主站报文时：数据字节1和数据字节2按收到的内容原值填写.数据字节3-8的内容按命令字要求填写回复数据。由此可见，从站最多报文数不超过256个，单向(发送或接收)数据量不超过256*6=1536字节。