第二章 PLC原理第二章 PLC原理第一節 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。但它不是個人計算機的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）。可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入或輸出，控制各類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關設備，都應按照易于與工業控制形成一個整體，易于擴充其功能的原則來設計。2.1.1 可編程控制器的產生和發展1969年，美國數字設備公司（DEC）根據對生產過程進行控制的需要，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。盡管當時的可編程控制器功能有限、體積龐大，但它標志著這門新技術的產生和迅速發展的開始。早期的可編程控制器雖然采用了計算機技術的優點和設計思想，并注重了面向用戶、用于控制和適合工業現場的特點，但限于當時的技術發展水平，其功能很有限，器件多、線路復雜且體積大，名稱也不統一。隨著網絡技術的發展，現代可編程控制器對網絡功能的要求更強，一般都有現場總線功能、互連網接入功能等，EASY嵌入式PLC采用CAN bus現場總線技術并支持專用的嵌入式Web服務器。2.1.2 可編程控制器的特點可編程控制器實際上是面向用戶需要，適宜安裝在工作現場的、為進行生產控制所設計的專用計算機。因而它和計算機有基本類似的結構，但按其作用它有自己的特點：（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。生產現場的工人易于掌握和使用它，便于普及和應用。（2）可靠性高，抗干擾能力強，適于在惡劣的生產環境下運行。它完全不需要一般計算機所要求的環境。因為它采用了很多硬件措施（屏蔽、濾波、隔離等）和軟件措施（故障的檢測與處理、信息的保護與恢復等），以提高可靠性，適應生產現場的要求。（3）系統采用了分散的模塊化結構。這不但使之可針對各類不同控制需要進行組合，便于擴展；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的功能與適應性。（4）由于PC采用了大規模集成電路技術和微處理器技術，故可將其設計得緊湊、堅固、小體積，再加上它的可靠性，PC易于裝入機械設備內部，實現機電一體化。（5）相對于繼電器邏輯控制而言，PC可節省大量繼電器，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均具有極強的聯網通訊能力。通過簡單的組合可連成工業局域網，在網絡間通訊。并可通過網絡連接主控級的計算機，實現計算機集成制造系統對全廠的自動化生產和管理都能進行控制。2.1.3 PLC的應用目前可編程控制器已廣泛應用于交通運輸、食品工業、木材加工、采礦、冶金、化工、石油、環保（污水處理）、市政（供水、供熱）、電力、水泥生產、機械制造、汽車制造、造紙、紡織、娛樂等各行各業。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：（1）用于順序邏輯控制這是早期PC與現代PC都具備的基本控制類型。如：電站設備的自動起停、石油化工各種閥門的自動關閉、機床電氣控制、高爐上料、貨物存取（倉庫、停車場）、電梯控制等各種單機、多機群、自動生產線的控制等。（2）用于閉環過程控制現代的中高檔PC都具有PID控制功能，可監控多個回路進行PID調節控制，能對溫度、流量、位置、速度等進行閉環過程控制，如：鍋爐、冷凍、反應堆、自動電焊機等等。（3）用于機械加工的數字控制和機器人的控制PC能和機械加工中的數控機床與加工中心結合進行數值控制。PC也用于對自動化生產網絡中的機器人進行控制，如自動加工生產線或自動焊接線上的機器人的多維機械動作的控制。（4）用于組成多級分布式控制系統PC是組成多級分布式控制系統的底層車間生產級的基本設備。可和其它各級通過工業局域網通訊，以實現全廠自動化生產網絡的計算機集成制造系統的生產方式。目前各大PC生產廠家都分別建立了自己的多級分布式控制系統。據說，美國一些大的PC廠家：A-B公司、GE公司、GOULD公司等，和美國一些大的計算機廠家：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“制造自動化通信協議（MAP）”。顯然這為實現異機通訊，實現計算機集成制造系統（CIMS）的規范化創造了條件。2.1.4 PLC市場狀況2003年，中國PLC市場規模達26.8億人民幣，小型PLC占64%，由于中國制造業的高速發展，市場未來可望保持年15%的增長率。在傳統的單機設備控制增長的前提下，PLC正在壓縮單片機應用市場，擠占DCS份額，與IPC全面對抗。中國的PLC市場，僅5%為本土化產品，其他均為國外制造。在壓縮單片機市場和IPC市場的競爭中，具有現場總線和互連網接入功能的PLC（尤其是小型PLC）體現出強大競爭力，EASY嵌入式PLC正是在這種市場推動下產生的。2.1.5 嵌入式PLC嵌入式PLC是將PLC內核構建于控制器內，運用PLC語言開發用戶所需產品，能提高開發速度，降低開發費用，提高控制器的穩定性。嵌入式PLC又稱客制式PLC，即根據用戶控制需要定制硬件，以PLC的應用方式解決對象控制問題的專用PLC。EASY嵌入式PLC軟件平臺具有開發通用、專用PLC的基本功能，支持CAN bus現場總線、支持通用HMI、組態軟件包。EASY嵌入式PLC指令集包括87條基本指令。2.1.6嵌入式PLC的開發流程 相關工具軟件及參考手冊：C8051F040數據手冊新華龍電子Keil Vision 2單片機集成開發環境 德國KEIL公司CANSet 網絡設置軟件 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 PLC編程語言2.2.0PLC指令系統及軟件資源PLC是工控行業的通用控制器，具有工控人員熟悉的指令系統和軟件資源。PLC指令系統:包括繼電器邏輯指令、計時器和計數器指令、整數運算指令和浮點數運算指令、邏輯運算和數據傳送指令、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、計數器、計時器、數據寄存器等。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行程序的，由于PLC的應用者大多是工控行業的技術人員，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慣。這樣的編程語言才更有利于PLC的應用。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的國際標準.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 PLC系統軟件開發模式PLC運行梯形圖語言的監控程序（或系統軟件），開發模式依硬件而異，就小型PLC而言，開發使用的語言有匯編和C語言之分，開發使用的平臺有基于嵌入式實時系統（自制或標準的）及自制前/后臺系統模式。2.3.0PLC開發語言PLC是一種實時性很強的控制器，大量控制具有硬實時的特點。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。因此在開發語言的選擇上，匯編語言更適合小型PLC的開發，它具有時序透明、代碼效率高、模塊結構配置靈活等優點。由于硬件成本隨半導體技術的高速發展而降低，在小型PLC中應用的CPU功能與90年代的相比，已很強大。基本上支持C語言來開發（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實時性很強的PLC的基本模式，在中斷任務調用等實時性很強或代碼利用率較高的程序段使用匯編語言，而在算法、表達等實時性不強的場合，使用C則能提高編程的速度。2.3.1嵌入式實時系統上開發PLC借助嵌入式實時系統開發PLC是主令PLC開發的主流模式，其實時內核可選用標準的公開發行版本，也可以根據自身需要，定制實時內核。Hclinux用于ARM系列芯片為CPU的PLC開發上已取得成功。Hcos/用于小型CPU（如8位機）上的PLC開發比較合適。自制實時內核體現了PLC對實時性的完美整合，對于小型PLC而言，如果對前/后臺系統無法容忍，選擇自制內核是一個好主意。自制實時內核是一種根據開發需要，選擇合適的硬實時及軟實時模式，配置有限的任務級調度，尤其調度方式上更為靈活。在進程間切換時，犧牲更少的CPU機時，與最終開發的軟件代碼綁定時，體現出完美的實時、高效特點。2.3.2EASY開發模式EASY嵌入式PLC是在自制實時內核基礎上，直接用匯編語言編寫的，運行在51單片機上（F040）。第四節 PLC的通信信息化技術的深深溶入自動化技術之中，PLC即使是小型PLC也必須具有很強的網絡能力，各家PLC制造商都有自己的現場總線及工業以太網接口及通信軟件。2.4.0ProfibusProfiBus是由西門子公司開發的一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等領域。ProfiBus協議結構以開放式系統互聯網絡OSI為參考模型，定義了物理層、數據鏈路層和應用層。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，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。(2) ProfiBus-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構連在一根總線上，并有本征安全規范。(3) ProfiBus-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。ProfiBus提供了用于DP和FMS的RS485傳輸技術、用于PA的IEC1158-2數據傳輸技術、光纖三種數據傳輸類型。官方網站：2.4.1ModibusModbus協議最初是由Modicon公司開發出來的，1979年末，該公司成為施耐德自動化(Schneider Automation)部門的一部分，現在Modbus已經是工業領域全球最流行的協議。該協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。Modbus協議包括ASCII、RTU、PLUS、TCP等，并沒有規定物理層。該協議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。官方網站：2.4.2CC-link在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環境、高性能、省配線”為理念，開發、公布和開放了現場總線CC-Link。CC-Link是Control& Communication Link (控制與通信鏈路系統)的簡稱，是在工控系統中，可以將控制和信息數據同時以10Mbps高速傳輸的現場網絡。CC-Link具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節省成本等突出優點。CC-Link的底層通訊協議遵循RS485。CC-Link提供循環傳輸和瞬時傳輸2種通信方式。一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢（循環傳輸）的方式進行通訊。除了廣播輪詢方式以外，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬時通訊。官方網站：2.4.3CAN bus/DeviceNetCAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，由德國Bosch 公司最先提出，已成為國際標準ISO11898（高速應用）和ISO11519（低速應用）。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，CAN規范定義了OSI模型的最下面兩層：數據鏈路層和物理層。CAN 協議有2.0A和2.0B兩個版本。CAN協議2.0A版本規定CAN控制器必須有一個11位的標志符，2.0B版本規定CAN控制器的標志符長度可以是11位或29位。DeviceNet規范由Rockwell自動化公司開發，并將其作為一個基于CAN協議的開放式現場總線標準公布。DeviceNet協議特別為工廠自動控制而定制，是一個簡單、廉價而且高效的協議，適用于最底層的現場總線。基于DeviceNet 現場總線，羅克韋爾公司提出了三層網絡結構，即DeviceNet（設備層）、ControlNet（控制和自動網）、 EtherNet（信息層）。官方網站：2.4.4EASY中的CAN bus協議標準科威公司EASY系列嵌入式PLC選用CANBUS作為現場組網總線.CANbus與OSI七層參考模型比較,只有三層結構,即物理層,數據鏈路層和應用層,物理層和數據鏈路層協議符合CAN2.0A或CAN2.0B,由芯片制造商固化在芯片內,而應用層未制定相關標準,為促進CANBUS的標準化應用,科威公司制定了EASY產品的應用層協議標準.凡按該標準開發的CAN網絡從站設備均可連入EASY為主站的