1、南陽理工學院畢業論文MATLAB平臺下的PLC實時控制系統分析PLC程序設計姓名:華祥 學號:94203109 班級:03942第一章 文獻綜述1.1 組態軟件概述隨著現代工業生產技術、工藝過程日趨復雜，生產設備及裝置的規模不斷擴大，企業生產自動化程度要求也越來越高，出現了各種工業自動控制系統。早期的工控系統多是專用的封閉系統，針對不同的生產工藝過程需要編制不同的控制件，工控軟件開發周期長、困難大，工業被控對象稍有變動就必須修改源程序，且很難與外界進行數據交互，升級和增加功能都受到限制。新型的工業控制系統正以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，它具有適應性強、開放性

2、好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。監控層的硬件以工業級的微型計算機和工作站為主，目前更趨向于工業微機;監控層的軟件則是指組態軟件。“組態 (Configuration)”的含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到讓計算機或軟件按照預先設置自動執行特定任務、滿足使用者要求的目的。組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它是在工控系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，是面向監控與數據采集

3、的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。組態軟件能以靈活多樣的組態方式(而不是編程方式)提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法，其預置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和工/0設備，與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統集成。組態軟件有著工業產品和軟件產品的共同特點，其最突出的特點是實時多任務。例如，數據采集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實時通訊等多個任務要在同一臺計算機上同時運行。組態軟件的主要目的，是使使用者在生成適合自己需要

4、的應用系統時，不需要修改軟件程序的源代碼。下面是組態軟件主要解決的問題：(1) 如何與采集、控制設備間進行數據交換;(2) 使來自設備的數據與計算機圖形畫面的各元素關聯起來;(3) 處理數據報警及系統報警;(4) 存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢;(5) 各類報表的生成和打印輸出;(6) 為使用者提供靈活多變的組態工具，可適應不同應用領域要求;(7) 最終生成的應用系統運行穩定可靠;(8) 具有與第三方程序的接口，方便數據共享。自動化工程設計人員在組態軟件中只需填寫一些事先設計的表格，再利用圖形功能把被控對象(如反應罐、溫度計、鍋爐、趨勢曲線、報表等)形象地畫出來，通過內部數據鏈接把被控對象的

5、屬性與I/O設備的實時數據進行邏輯連接。當由組態軟件生成的應用系統投入運行后，與被控對象相連的I/O設備數據發生變化后會直接帶動被控對象的屬性發生變化。若要對應用系統進行修改，也十分方便，這就是組態軟件的方便性。從以上可以看出，組態軟件具有實時多任務、接口開放、使用靈活、功能多樣、運行可靠的特點。一般來說，工業過程控制系統的組態有如下一些內容：(1)控制組態控制組態是最重要的。控制組態又分為過程控制組態和順序控制組態。過程控制組態主要針對連續量。當然，為了構成一個完整的過程控制系統，加入開關量以進行報警等事件處理也是必要的。順序控制則主要是針對開關量的控制。在過程控制中，算法庫是很重要的一部分

6、，在建立控制算法庫時，將控制軟件的算法和參數分離，并將各控制算法功能塊固化在EPROM中，在進行組態時生成一個文件，該文件與各個算法相對應，并且含有該控制算法執行所必須的參數，這個文件被裝到現場控制站的RAM內存中，因此更改容易，這樣，我們就可以將控制算法模塊編成標準形式，并且可以應用于很多應用系統中。在現場控制站中，諸多控制算法模塊通常以一個庫文件的形式因化在EPROM中，每個算法的入口和入口參數是己知的，這樣，在執行時，CPU只是順序地根據下裝到RAM中的文件而依次調用各個子程序，返回參數。根據文件中的內容寫回實時數據庫中或輸出。可見，過程控制組態是利用某種方法將適當的控制算法模塊連接起來

7、完成特定的控制功能。過程控制組態一般在現場站進行。現場站的軟件系統是整個組態軟件中極其重要的一部分，一般現場站軟件采用模塊化結構設計，分為執行代碼部分和數據部分，執行代碼固化在EPROM中，而數據則保留在RAM中，開機時由網絡裝入。現場控制站的執行代碼分為兩部分:周期性執行部分和隨機執行部分。周期性執行部分有:周期性數據采集、轉換處理、越限檢查、控制算法的周期性運算、周期性的網絡數據通信以及周期性系統狀態檢測等等，一般由硬件時鐘實時激活;隨機執行部分主要是一些實時功能如信號故障處理、事件順序信號處理、實時網絡數據的接受等隨機信號，一般由硬件中斷激活.執行代碼部分的各個功能模塊大致可以分為輸入輸

8、出處理模塊、控制回路運算模塊等。輸入信號的處理分為開關量輸入處理，模擬量輸入處理和脈沖量輸入處理。開關量的輸入主要用于進行報警檢測，這在控制回路的構成中是必不可少的一環，它由開關狀態決定。模擬量的輸入處理則要復雜些，一般要經過尖峰信號抑制和數字濾波之后才可以送入實時數據庫，同時，還要進行輸入轉換處理，將信號轉換成工程單位所對應的物理量。模擬量的輸出處理是對信號進行二進制編碼，然后送入D/A轉換通道即可，開關量的輸出則相對簡單，取出該位的值與其他各輸出位一同輸出即可。此外現場控制站還可能有脈沖量輸入處理模塊等。控制回路運算模塊是形成控制規律的核心部分，目前的組態軟件中大多包含如下的基本功能模塊:

9、加減乘除開方算法模塊、PID調節模塊、選擇控制模塊等，其中PID為最常用且為廣大工程人員掌握的控制算法之一，幾乎所有的組態軟件都包含各種類型的PID算法，如理想PID調節器、積分分離式PID調節器、不完全微分PID調節器、帶死區的PID調節器等。從而可以滿足不同的生產應用的需要。當然，控制算法中還有許多更高級一些的控制算法，如超前滯后補償算法、SMITH算法、以及目前己開始應用的自適應控制算法、模糊控制算法等等。然而，僅有這些控制算法是不夠完成一個實際系統的控制功能的，還要很多附加的功能才能保證系統的高可靠性和安全性，這些附加功能包括:控制死區和限幅提供PID算法的死區值和對輸出進行限幅;控制

10、方式的選擇:有自動方式、手動方式和串級方式等幾種方式;控制算法跟蹤，無擾切換，這個功能的加入是由于在工業現場控制中，很多工業過程需要復雜的控制策略才能達到最佳的效果，因此需手動到自動，自動到手動等切換。此外，在復雜控制系統中，串級控制的加入和切除也經常發生。在不同的控制方式進行切換時，一般不希望有較大的控制輸出擾動，所以需要加入控制算法跟蹤來實現控制方式之間的無擾切換，保證整個控制系統的可靠性和安全性。順序控制的組態與過程控制的組態類似，在上位機進行組態，生成一個下裝的目標文件，該目標文件下裝到現場站，由現場站去執行。而在現場站中則固化了順序控制的若千基本單元，如與或非邏輯運算、定時器和計數器

11、、移位寄存器，從而構成一個控制系統。(2) 數據庫生成、趨勢顯示和報表技術在組態軟件的構成中，數據的記錄和分析也是重要的部分，因此數據庫也占有很重要的地位，它分為實時數據庫系統和歷史數據庫系統。實時數據庫系統可將數據通過網絡下裝到現場控制站，也可將現場控制站的數據變為標準格式，通過網絡傳送給上位機。通過調用或檢查實時數據庫的信息，可及時地對系統發生的各種問題作出相應反應，歷史數據庫系統是將一段時間內的數據存儲起來，進行趨勢變化分析，同時也可以將一段時間內的重要數據組織起來，匯成表格以便于管理人員進行各種高層次的分析。(3) 顯示部分顯示部分是控制系統必不可少的功能之一。工業流程圖畫面可以使操作

12、人員不必時刻在排列的儀表盤上檢查各儀表的數據或巡視整個過程的運行情況，只需輕松地坐在CRT顯示終端前即可觀察整個過程的工作情況。同時，還具有支持各種趨勢曲線，歷史曲線，棒圖等功能。目前國內比較流行的國產工業自動化通用組態軟件是組態王(KingView)。組態王配有加密鎖，支持工程加密;驅動程序較為豐富，如支持DDE、板卡、OPC服務器、PLC、智能儀表、智能模塊等;支持ActiveX控件、配方管理、數據庫訪問、網絡功能、冗余功能;其擴展性強，可與管理計算機或控制計算機聯網通信。作為人機接口的智能軟件包，組態王是一種流行的PC機上建立工控的對象，它以Windows98/WindowsNT4.0中

13、文操作系統為平臺，具有Windows的圖形功能完備、界面一致性好和易學易用等特點;它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等組態工作的操作平臺;它具有多任務、多線程功能，其系統框架采用VC+編程，提供豐富的設備驅動構件及豐富的圖庫元件。利用組態王軟件可以大大減少工控軟件的開發重復性和單一性，并可利用PC機豐富的軟件資源，與組態王融合進行二次開發，達到擴展功能、提高智能化程度和提高參數精度的目的。1.2 組態軟件數據交換技術與以往用計算機語言開發軟件相比，組態軟件具有成功率高，可靠性強，開發周期短，便于更改、擴充、升級等優點。但組態軟件并非面面俱全，從對組態軟件

14、的使用和研究情況看，這些問題主要表現在以下幾個方面：(1) 在組態軟件沒有提供外部設備驅動程序時，它將無法實現和外部設備的通訊，這給用戶在開發使用上造成了很大的不便。(2) 在數據庫處理上，組態軟件雖然提供了與各種數據庫連接的有關數據庫操作函數，但不能提供直接對多個表的操作或多個字段的操作。不能提供關系數據庫所要求的直接數據庫表格。(3) 在報表統計處理功能上，組態王雖然提供了這方面的功能，但報表的格式不能滿足不同的需要，而且不能完成較為復雜的數據計算與處理。這就需要使用其它軟件來進行數據庫擴充或控制算法模塊的調用。目前這方面的研究主要是基于以下幾種技術：(1) DDE 標準DDE (Dyna

15、mic Data Exchange)是在Windows平臺下兩個應用程序之間實時交換數據的有效方法，是基于消息的并且利用通常的Windows中的通信聯絡系統進行內部進程間的相互通信的方法。它采用客戶/服務器模式，使用共享內存來實現進程之間的數據交換以及使用DDE協議獲得傳遞數據的同步。DDE協議是不同應用程序之間共享數據的一個協議。(2) OPC 標準OPC (OLE for Process Control)定義了一個開放的接口，在這個接口上基于PC的軟件組件能交換數據。這個標準是基于微軟的OLE(現在稱為ActiveX),COM, DCOM技術，由一系列用于過程控制和制造業自動化應用領域的標

16、準接口、屬性及方法組成。由于得到了微軟的NT技術的支持，OPC為多種多樣的過程控制設備提供了公共的接口，為過程控制和工廠自動化提供真正的即插即用軟件技術，使得過程控制和工廠自動化的每一系統、每一設備、每一驅動器能夠自由地連接和通信，而與過程中的控制軟件或設備無關。(3) ODBC 標準ODBC (Open Database Connectivity)，即開放的數據庫互連，是Microsoft建議并開發的數據庫訪問API標準，目的是實現異構數據庫的互聯，為異種數據庫系統提供一個框架，實現了最大限度上的互操作性。ODBC標準規定了開放數據庫互聯的所有標準。支持ODBC標準的數據庫產品都提供基于自己

17、DBMS (Data Base Management System)的ODBC接口程序，如Access ,FoxPro, SQL server, Sybase, Oracle等均支持ODBC，支持ODBC標準的應用程序透過DBMS的ODBC接口程序，可以直接訪問DBMS中的數據項，進行讀寫操作。第2章 MATLAB與組態軟件的通信工業過程自動控制水平的提高，要求采用比傳統PID更先進的高級控制功能，而這些高級控制功能是通用組態軟件難以實現的。所以在針對控制要求較高的對象時需要開發新的監控軟件以擴展原有系統的功能。組態王提供了友好的人機交互界面，強大的通訊功能，但是它的計算能力不強，難以實現復雜

18、的控制策略。MATLAB以矩陣和向量為基本數據單位，提供了強大的科學運算、靈活的程序設計流程、便捷的與其他程序接口，高效率的復雜算法等，并且它還提供大量的標準算法庫，如系統辨識、神經網絡、小波分析、數字信號處理等。但MATLAB本身也存在一些不足，如人機界面設計不方便、沒有提供與計算機硬件的接口、無法進行端口操作，并且MATLAB一直被定位在科學計算、數學建模與仿真上，不能實現實時監控，始終未能應用于實際的控制系統中。如果使用組態王作為系統主控，進行實時數據采樣、動態工藝圖顯示、數據匯總等工作，同時MATLAB作為后臺應用程序進行控制算法的處理，這將有利于發揮組態王和MATLAB各自的優勢，實

19、現復雜系統的控制，在實際的工程中必將達到較好的控制效果。這種混合編程技術中，最關鍵的是組態王和MATLAB之間的實時數據通訊。組態王和MATLAB數據通訊的方式主要有動態數據交換技術(DDE)和OPC、ODBC技術，本課題采用實時性較強的DDE通訊技術來實現兩者之間的通訊。2.1 DDE概述DDE (Dynamic Data Exchange，動態數據交換)是Windows環境提供的一種基于消息的進程Ml通信(Inter Process Communication, IPC)的方法，它采用客戶/服務器模式。進程間通訊包括進程之間和同步事件之間的數據傳遞。DOE使用共享內存來實現進程之間的數據交

20、換以及使用DDE協議獲得傳遞數據的同步。DOE協議是一組所有的DOE應用程序都必須遵循的規則集。DDE協議可以應用于兩類DDE應用程序:第一類是基于消息的DDE，第二類是動態數據交換管理庫(DDEML)應用程序(使用動態連接庫(DLL)。DDE應用程序可以分為4種類型：客戶、服務器、客戶/服務器和監視器。DDE會話發生在客戶應用程序和服務器應用程序之間。客戶應用程序從服務器應用程序請求數據或服務;服務器應用程序響應客戶應用程序的數據或服務請求;客戶/服務器應用程序既是客戶應用程序又是服務器應用程序，它既可發出請求又可提供信息;監視器應用程序用于調試目的。DDE應用程序可擁有多重進發會話。DDE

21、協議規定會話中的消息必須同步控制，但應用程序可以在不同的會話之間異步切換。DDE應用程序采用3層識別系統:應用程序名(pplication)、主題(Topic)和項目名(Item)。應用程序名位于層次結構的頂層，用于指出特定的DDE服務器應用程序名。主題名更深刻地定義了服務器應用程序會話的主題內容，服務器應用程序可支持一個或多個主題名。項目名更進一步確定了會話的詳細內容，每個主題名可擁有一個或多個項目名。DDE工作原理見圖2-1。DDE客戶DDE服務器圖2-1 DDE工作原理與結構建立DDE會話后，客戶應用程序和服務器應用程序可通過3種鏈接方式進行數據交換。3種鏈接方式為：冷鏈接(Cold L

22、ink)、溫鏈接(Warm Link)和熱鏈接(Hot Link)。冷鏈接客戶應用程序申請數據，服務器應用程序立刻給客戶應用程序發送數據，服務器應用程序處于主動地位;溫鏈接服務器應用程序通知客戶應用程序數據項發生了變化，但并沒有將已變化的值發送給用戶應用程序;熱鏈接當數據項發生變化時，服務器應用程序立即把變化后的值發送給客戶應用程序，服務器應用程序處于主動地位。2.2 MATLAB 的DDE功能MATLAB作為客戶應用程序時,支持文本格式的數據傳送,可以使用MATLAB中的DDE 客戶端模塊所提供的函數與服務器進行數據通信 。MATLAB提供了7個客戶函數, 它們分別是DDEinit函數建立M

23、ATLAB 和服務器對話,如果建立成功,則返回1個通道號,以后任何其他DDE 操作均通過此通道進行; DDEadv函數建立鏈接; DDEreq函數用于從服務器請求數據; DDEpoke函數則從MATLAB向DDE 服務器應用程序發送數據; DDEcxec函數用于向DDE 服務器應用程序發送執行命令; DDEunadv函數是釋放鏈接; DDEterm函數用于終止DDE服務器應用程序與MATLAB 之間對話。MATLAB的DDE通信功能需要通過編寫M文件完成,此外作為客戶應用程序,MATLAB還必須定義服務器應用程序的3個標識符。2.3 組態王與MATLAB的通訊設計為便于理解,這里以某控制系統為

24、例進行說明。在組態王界面上設定給定值信號,同時它采集仿真PLC的數據作為被測量,并將這2個數據實時傳送給MATLAB 軟件,由該軟件進行復雜控制運算得到控制量輸出給組態王進行顯示和輸出。在組態王中定義3個變量,其中1個為被測量x(1),連接設備為仿真PLC; 1個為內存變量x(2),即給定值信號,可通過界面進行修改,上述2個變量允許DDE訪問。另1個變量為I/O型變量,連接DDE 設備。變量x作為MATLAB的觸發變量,只要其值變化,就通知MATLAB進行控制算法運算,并返回控制變量y 。MATLAB的DDE通信必須通過編寫S函數實現。MATLAB與組態王通信的仿真框圖見圖2-2 。圖2-2

25、MATLAB與組態王通信的仿真框圖其中, InitDDE是DDE初始化函數,model模塊是控制算法模塊,DDEInput是MATLAB接收數據函數,其發送數據函數為DDEOutput 。(1) DDE初始化函數InitDDEglobal channel ; %channel 是DDE初始化返回的標識通道值。channel = DDEinit (view,tagname) ; %DDE通信初始化,指定“view”為應用程序名,“tagname”為主題名if channel = = 0 disp (DDE initialization failed !) ;else disp (DDE init

26、ialization succeeded !) ;end (2) MATLAB接收數據函數DDEInputFunction sys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x ,u,flag)reg1 =仿真 PLC. RADOM100; %在組態王中指定變量寄存器RADOM100reg2 =仿真 PLC. STATIC100; %在組態王中指定變量寄存器STATIC100switch flag ,case 0 sys ,x0 ,str ,ts = mdl Initializesizes;case 3x(1) = DDEreq (channel , reg1) ; %從寄存

27、器中采集過程變量,并賦值給變量x(1)x(2) = DDEreq (channel , reg2) ; %從寄存器中采集過程變量,并賦值給變量x (2)for i = 12sysi = x(i)endcase 1、2、4、9sys = end(3) MATLAB發送數據函數DDEOutputFunctionsys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x,u,flag)switch flag ,case 0 sys ,x0 ,st r ,t s = mdl Initializesizes ;case 3DDEpoke (channel ,data, y) ) ; 將控制量

28、y發送回組態王中,data 為發送數據的項目名case 1、2、4、9sys = end特別說明的是,應在控制算法模塊中,引入2個函數。第1個為DDEadv() ,其作用是與DDE服務器建立勢鏈接;第2個為根據控制策略編寫的函數。當組態王程序中變量x 的內容一旦發生變化,將立即引起控制策略函數的執行,并通過指令將運算結果發送回組態王中。2.4 組態王監控畫面的實現組態王主要由TouchMak和TouchVew兩大模塊構成。前者是開發環境，后者是運行環境。用戶在開發環境中設計并制作動畫畫面，進行相關變量的定義，然后進行動畫連接，使畫面中的圖形對象與實時數據庫中的數據變量間建立一種關系，數據庫中的

29、變量受外部設備的控制，外部設備如PLC、智能模塊等通過各自的驅動程序，與實時數據庫中的對應變量建立聯系，最后切換到運行環境，就可實現動畫效果。由于組態王遵循Windows下標準動態數據交換(DDE)協議，所以借助于DDE和外設驅動程序，組態王可自動將外設的狀態及時傳遞給數據庫中的數據變量，用戶無須考慮以往程序設計中繁雜的通信問題。組態王與外設交換數據的示意圖如圖2-3所示。組態王還為用戶配備了豐富的命令語言，如應用程序命令語言、熱鍵命令語言、事件命令語言和變量改變命令語言等。用戶可以使用這些語言非常方便地對畫面進行控制。動畫演示實時數據庫驅動程序驅動程序驅動程序驅動程序模 塊PLC智能模塊其他

30、工控設備圖2-3 組態王與外設交換數據的示意圖利用組態王進行系統開發的過程如下：(1) 配置I/O設備。組態王支持的硬件設備包括:可編程控制器(PLC),智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。工程人員可以把每一臺下位機當作一種設備，不必關心具體的通信協議，只需在組態王的設備庫中選擇相應設備的類型，然后按照“設備配置向導”的提示一步步完成安裝即可，使驅動程序的配置更加方便。組態王的驅動程序采用ActiveX技術，使通訊程序和組態王構成一個完整的系統，保證運行系統的高效率。已配置的I/O設備在工程瀏覽器的設備節點中分類列出，用戶可以隨時查詢和修改。(2) 構造數據庫。數據庫是“組態王”最核心的部分，

31、是聯系上位機和下位機的橋梁。在數據庫中存放的是變量的當前值，變量的集合稱為“數據詞典”，數據詞典記錄了所有用戶可使用的數據變量的詳細信息。工程人員根據需要建立內存變量和I/O 變量，配置變量的類型和各種屬性，并將I/O變量與相應的I/O設備寄存器連接。(3) 制作圖形畫面。根據生產操作要求建立自己需要的畫面，利用組態王提供的豐富圖庫，在每個畫面上生成互相關聯的靜態或動態圖形對象。畫面包括具備一定功能的按鈕及菜單、實時數據及歷史數據顯示、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警顯示等。(4) 定義動畫連接。建立動畫連接使畫面上的圖形對象與數據庫的數據變量之間建立了一種特定的對應關系，當變量的值改變時，圖

32、形對象可以按動畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分數等。也可以通過圖形對象改變數據變量的值。(5) 網絡設置。組態王完全基于網絡的概念，是一種真正的客戶機/服務器模式，支持分布式歷史數據庫和分布式報警系統，支持TCP/IP協議。工程人員根據系統需要設立I/0服務器、報警服務器、登錄服務器、WEB服務器和客戶端。(6) 運行和調試。在開發過程中，可以不斷運行實時運行環境TouchVew,利用組態王信息窗口運行和調試在畫面制作系統中建立的圖形畫面。第三章 PLC實時監控系統3.1 PLC通訊連接方式PLC與上位機一般采用RS-232接口的異步串行方式。C200HS是OMRON 公司在C200

33、H 的基礎上推出的一種新型PLC ,比C200H有許多優點,其中一個主要的特點就是在CPU單元上,增加了一個內置的RS-232連接器,PLC不用再配置專用的通訊模塊,就可以很方便地和外部設備進行串行通訊,圖3-1是C200HS與上位機通訊的接口連線。圖3-1 通訊連接3.2 PLC通訊協議OMRON C200HS通過RS-232接口與上位機通訊有兩種方式:其一,上位機始終具有初始傳送優先權,所有的通訊均有上位機來啟動,C200HS總是處于被動狀態,其二,命令由PLC 發至上位機,此時PLC 擁有傳送權,我們設計的監控系統中主要采用第一種方式。PLC與上位機的數據通訊是以“幀”為單位進行的,幀的

34、格式如圖3-2、3-3 所示,命令幀由上位機發送給PLC ,應答幀為PLC 接收到命令幀后自動向上位機發送的應答信號。圖3-2 命令幀圖圖3-3 應答幀在幀的傳送格式中“, ”為起始符號;節點號為PLC的編號(00 - 31) ,由PLC 的DM6648、DM6653 設置,我們只有一個下位機PLC ,則其節點號為00 ;識別碼說明幀的功能,例如,RD和WD 分別為讀和寫DM數據區的內容; FCS為2字符的幀的檢查順序碼,即從幀起始到幀報文結束(FCS)之前數據異或運算后的結果,用來檢查幀的傳送結果; 3和CR為終止符,表明幀結束。例如命令00RD20100003FCS 3 CR 表示計算機要

35、求讀出PLC中DM數據區D2010開始的3個通道的數據內容,應答幀00RD004A02344D001C FCSCR中的結束嗎為“00”,表明通訊有效,接受的3個通道的數據分別為4A02、344D、001C(16進制) 。3.3 PLC通訊程序設計在PLC與上位機通信之前,必須對RS232通訊端口進行初始化,使兩者按相同的格式通訊。初始化參數包括波特率、起始位、數據位、停止位和奇偶校驗等。C200HS的RS-232通訊口一般設置為9600bps、1個起始位、7個數據位、2個停止位、偶校驗,因而只需對上位機的RS232端口進行初始化即可。上位機的通訊程序用C語言設計,C語言提供了專門用于串行通訊的

36、函數bios -com( ) ,其格式為int bioscom(int cmd ,char byte ,int port)port為上位機的串行口代碼,port = 0為COM1 ,port = 1為COM2 ;byte為串行口初始化參數,當byte = 0XFE 時,設置的串行口通訊參數為:9600bps、1個起始位、7個數據位、2個停止位、偶校驗,與C200HS串行口的通訊方式相同; cmd 為功能參數,cmd = 0 時初始化串行口,cmd = 1 時發送數據,cmd =2 時接收數據,cmd = 3 時讀串行口的當前狀態。bioscom( )返回值為一個2字節的整數,可以據此判別數據發

37、送和接收是否成功,發送數據時的最高位為“1”,表示發送出錯,接收數據時的高位字節不為“0”,表示通訊有錯,當高位字節為“0”時,其低位字節即為接收到的字符。通訊程序框圖,如圖3-3所示,由于每次傳送數據時,單幀的最大數據容量為131個字符,因此當傳送的數據超過131個字符時,應當在傳送前分成若干幀,分段傳送,第一幀和中間幀的結尾處用定界符(回車符CR) 替代終止符( 3 CR)。圖3-4 通訊程序框圖第四章 PLC控制系統應用實例4.1 污水處理系統的原理采取(計算機)+PLC控制模式。PLC作為下位機控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計算機(工業計算機)進行通訊。PLC通過與上位計算

38、機的通訊，可以修改PLC中的各種參數數據，PLC也同時向計算機發送測得的參數數據，以便計算機顯示實時參數數據和存入數據庫，同時通過計算機上安裝的組態王組態軟件對控制現場進行組態。即用PLC對對象進行控制，而同時在現場計算機上安裝組態軟件組態王對PLC以及操作現場進行控制及監測。4.2 控制系統設計 在進行控制系統設計之前，首先根據控制系統的工藝流程以及控制系統的具體要求和最終目標對控制系統設備進行選擇。4.2.1 控制系統設備選擇及簡介控制系統主要的硬件設備如表4-1所示:設備名稱（型號）數量（個）可編程序控制器(PLC)CPM2A-30CDR-A1模擬量I/O單元CPM2A-MAD022RS

39、232C通信適配器CPM2-CIFO11A1系列人工智能工業調節器( AI-708T )2表4-1 控制系統主要硬件設備4.2.2 可編程序控制器(PLC) 可編程序控制器(Programmable Logic Controller )，簡稱PLC，是一種以計算機(微處理器)為核心的通用工業控制裝置，目前己被廣泛地應用于工業生產的各個領域。本系統采用由日本OMRON生廠的CPM2A系列的小型整體式PLC-CPM2A-30CDR-A, 18個輸入12個繼電器輸出。早期的可編程序控制器只能進行開關量的邏輯控制，現代可編程序控制器采用微處理器(Microprocessor)作為中央處理單元，其功能大

40、大增強，它不僅具有邏輯控制功能，還具有算術運算、模擬量處理和通信聯網等功能。a.整體式PLC的結構整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，I/O擴展單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。整體式PLC的基本組成如圖4-2所示用戶輸入設備輸入單元用戶輸出設備I/O擴展口外設接口輸出單元中央處理單元CPU系統程序儲存器用戶程序存儲器電源I/O擴展單元特殊功能單元圖4-2 整體式PLC的組成示意圖b.PLC編

41、程軟件 本系統中PLC編程軟件選用OMRON C/CV系列PLC Windows版編程軟件CPT（SYSMAC-CPT）。它具有強大的編程、調試、監控功能和完善的維護功能，使程序開發及系統維護簡單、快捷。采用的編程語言為梯形圖語言。梯形圖表達式是在原電器控制系統中常用的接觸器，熔電器梯形圖基礎上演變而來的，它與電器操作原理圖相呼應。它的最大優點是形象、直觀和實用，為廣大電氣技術人員所熟悉，是PLC的主要編程語言。c.PLC基本單元的硬件配置日本歐姆龍的CPM2A系列PLC特點是超小型、高性能、高速度，且具有豐富的高級指令系統，執行一條邏輯指令的時間僅需1.72us，完全可以適用于污水處理中的過

42、程檢測與控制。表4-3表明了CPM2A系列PLC的基本性能指標。項目性能輸入輸出控制方式循環掃描方式和即時刷新方式并用運算處理速度基本指令14種 LD指令=1.72us應用指令79種、139條 MOV指令=16.3us輸入繼電器（IR）IR00000IR00915輸出繼電器（IR）IR01000IR01915內部輔助繼電器（IR）512點：IR20000IR23115（IR200IR231）特殊輔助繼電器（SR）384點：IR23200IR25515（IR232IR255）定時器/計數器（TIM/CNT）128點：TIM/CNT000127數據存儲器可讀/寫1002字：DM00000999、D

43、M10221023故障履歷存入區22字：DM10001021只讀456字：DM61446599PC系統設定區56字：DM66006655表4-3 PLC基本單元性能d.PLC模擬量輸入輸出模塊的硬件配置在監控系統中采用了CPM2A-MAD02模擬輸入模塊(模擬量I/O單元)，作為CPM2A的特殊功能模塊，最多可以連接3臺。該模塊具有四個輸入通道和一個輸出通道，每個輸入輸出可以指定電壓或電流輸入輸出。表4-4為該模塊的性能表。輸入通道數4輸入信號范圍010V、15V、420mA分辨率010V8位15V8位420mA8位輸入形式差動輸入最大輸出信號電壓輸入：1M電流輸入：250輸出通道數1輸出信號

44、范圍-10V10V、010V、420mA分辨率-10V10V9位010V8位420mA8位最大輸出電流電壓輸出5mA總輸出電流21mA表4-4 模擬量輸入輸出模塊性能e.RS232通信適配器在計算機與PLC進行RS232通信時，選擇了RS232通信適配器作為外設端口和RS232口之間的電平轉換，RS232通信適配器性能如表4-5所示。型號CPM1CIF01功能在外設端口和RS232C口之間作電平轉換表4-5 RS232通信適配器性能4.2.3 AI系列人工智能工業調節器 AI系列人工智能工業調節器可支持熱電偶、熱電阻、線性電壓/電流等多種輸入，在本系統用來作為預酸化槽溫度和反應器溫度的顯示和變

45、送，所選型號為AI-708T。其主要性能如表4-5所示。測量精度0.2級0.2FS分辨率熱電偶、熱電阻輸入時1、0.1采樣周期0.5s輸出光電隔離的線形電流輸出顯示規格4位數碼管顯示表4-5 AI-708T主要技術指標4.3 控制系統的總體設計根據所選設備對控制系統進行設計。控制系統結構如圖3-2所示。在本項目中，控制系統分為4層，設備層:即傳感器、機電設備層；電器層:即智能儀表、在線儀器、采集/控制低端設備層;控制層:PLC集散型控制層;操作層:PC主控計算機，即中央控制室操作層。整個控制系統的結構模型如圖5、圖6所示。污水處理廠的監視控制方式應當考慮污水與污泥處理設施規模、布置、行事、擴建

46、、維護管理體制、經濟性等方面的問題來選擇。圖5 控制系統結構 圖6 控制系統結構模型為了提高效率，在小型污水處理廠中，應當引進遠距離監視和自動控制方式。但考慮到建設費及維護管理體制，應盡可能選用簡單的監視控制方式。圖7-1是PLC控制系統的簡單示意圖。系統中采用日本歐姆龍公司的CPM2A系列PLC作為現場的控制設備，用于通過AD模塊處理模擬信號。同時，PLC作為下位機控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計算機進行通訊。在組態畫面中輸入給定值到PLC中的數據存儲器中與通過MAD02模擬量模塊A/D轉化后的數字量進行比較來確定PLC對執行機構的操作，從而形成一個閉環控制系統。給定值控制器(P

47、LC)反饋裝置執行結構被空對象MAD02模塊圖7-1 PLC控制系統簡單示意圖CPM2A基本單元最多可進行10100點的控制，而在工廠污水處理裝置中一般控制點為30點左右。運行速度方面，CPM2A CPU完成一條邏輯指令的運行速度僅為1.72us。完全可以勝任在工廠污水處理裝置中的應用。CPM2A一MAD02是8位高精度模擬量輸入輸出模塊。模塊輸入信號可以組態為DC+4+20mA , DC+1+5V 、DC0+10，相應數字輸出范圍為0255 (OOOOOOFF)。模塊的AD轉換速度為10 ms，分辨率為8位，綜合精確度1%，模塊采用光電耦合隔離(DC5OOV)，使I/O端子和PLC間隔離。4

48、.4 控制系統整體控制框圖可編程控制器（PLC）CPM2A-30CDR-ARS232通訊適配器 CPM2-CIF01工業計算機CPM2A-MAD02-02CPM2A-MAD02-02AAAAAAAAAA加熱元件1加熱元件1加熱元件1加熱元件1加熱元件1AI系列人工智能工業調節器AI-708TAI系列人工智能工業調節器AI-708T溫度傳感器溫度傳感器原廢水泵出水回流泵進液泵攪拌電機熱水循環泵圖7-2 控制系統整體控制框圖在本系統中，整體控制系統框圖如圖7-2所示，該系統主要由工業計算機、RS232通信適配器、可編程序控制器(PLC)、模擬量I/O單元CPM2A-MAD02等幾部分組成。系統中，

49、采用日本歐姆龍公司的CPM2A系列PLC作為現場的控制設備，通過CPM2A-MAD02模塊處理模擬信號。同時，PLC作為下位機控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計算機(工業計算機)進行通訊。PLC通過與上位計算機的通訊，可以修改PLC中的各種參數數據，PLC也同時向計算機發送測得的參數數據，以便計算機顯示實時參數數據和存入數據庫，同時通過計算機上安裝的組態王組態軟件對控制現場進行組態。溫度、液位和PH值傳感器分別通過各自的變送器接相應的CPM2A-MAD02模塊，圖7-2中A為固態繼電器。4.5 控制系統上位機與下位機的通訊設計在本控制系統中，可編程序控制器(PLC)作為下位機，工業計

50、算機作為上位機，通過配置RS232C適配器CPM2-CIFO1(模式開關設至“HOST”)來實現上位機與下位機的RS232串行通信。所用的通信系統為HOST Link通信系統。下面就HOST Link通信系統作一介紹。4.5.1 HOST Link通訊系統PLC與上位計算機的連接通信稱為HOST Link通信。一臺CPM2A與一臺上位機通信稱為1:l方式。多臺CPM2A與一臺上位機通信稱為1:N方式。HOST Link通信時，上位機發出指令信息給PLC，PLC返回響應信息。按照這種會話式的順序，上位機就可以讀寫PLC的繼電器區、數據存儲區及各種設定狀態的信息，監視PLC的工作狀態，進行故障報警

51、，在線修改PLC設定值和當前值，對PLC實行強迫置位、復位、甚至更換PLC程序等。利用1:N HOST Link通信可以用一臺上位機監控多臺PLC，實現集散控制，一臺上位機最多可以監控32臺PLC，CPM2A無RS232C口，它通過外設日與上位機通信，因此，在l:1方式下，需配置RS232C適配器CPM2CIF01 (模式開關設至HOST)。在1:N方式下，要使用鏈接適配器B500-AL004和RS422適配器。HOST Link通信系統是由上位計算機(IBM PC或兼容機)通過安裝在各臺PLC上的HOST Link單元連接多臺PC而構成的網絡。上位機對系統中的PLC進行集中管理與監控，通過與

52、HOST Link單元的通信，它可以編輯或修改各臺PLC的程序，實時監控其運動過程，實現自動化系統的集散控制。在HOST Link系統中，上位機集中管理和監控所連接的PLC。通過與HOST Link單元通信，上位機實現的功能有:讀寫PLC的運行狀態，讀寫PLC的出錯信息，讀寫繼電器區(IR/HR/AR/LR)和數據區DM的內容，讀寫定時器/計數器的設定值及當前值，對指定點或通道強迫置位/復位，讀寫PLC的程序，讀取或修改I/O表等。上位機與PLC通信時，用戶應遵循通信協議及按照通信命令及響應的含義、幀的定義及FCS計算等要求，在上位機上設計通信程序，而在各臺PC上不需要設計通信程序。通信時，上

53、位機是主動的，PC是被動的。PC之間不進行直接通信，如果PLC之間需要交換信息，必須由上位機中轉。通信前，應在PLC的HOST Link單元上設置單元號及相關的通信參數。上位機的通信參數如數據格式、波特率等必須和PLC設置一致。HOST Link系統使用HOST Link通信協議進行通信，上位機具有傳送優先權，總是首先發出命令并啟動通信，HOST Link單元受到命令交由PC執行，然后將執行結果返回上位機，二者以幀為單位輪流交換數據。4.5.2 上位機與HOST Link單元的多點通信協議上位機與HOST Link單元的多點通信協議如圖3-6所示:通信時一組傳送的數據稱為塊，它是命令或響應的單

54、位，從上位機發送到HOST Link單元的數據塊稱為命令塊，反過來，從HOST Link單元發送到上位機的數據塊稱為響應塊。每個塊以設備號及標題開始，以校驗碼(FCS)及結束符結束，響應塊中還包括反應執行結果的響應碼。多點通信時，可作為單幀發送的最大數據塊為131個字符，因此當一個數據塊含有132個或更多字符時，要分成兩幀或多幀發送。多點通信時校驗碼的計算:校驗碼FCS(Frame Checksum)是8位二進制數轉換成的2位ASCII字符。這8位數據是將一幀中校驗碼前所有字符的ASCII碼按位連續異或的結果。轉換成字符時，按照2位十六進制數轉換成對應的數字字符。4.5.3 PLC與計算機RS

55、232串行通訊的接線定義RS232C電纜連接的HOST Link系統圖7-3所示:上位計算機帶HOST Link單元的PLC圖7-3 電纜連接的HOST Link系統圖aPLC與計算機RS232串行通訊的接線定義 波特率:9600 ; 數據位:7位; 停止位:2位; 奇偶校驗:偶校驗。b.PLC與計算機RS232串行通訊的接線定義如圖7-4所示: 信號 腳號DCD 1RXD 2TXD 3DTR 4GND 5DSR 6RTS 7CTS 8CI 9信號 腳號FG 1SD 2RD 3RS 4CS 55V 6DR 7ER 8SG 9 圖7-4 PLC與計算機RS232串行通訊的接線定義4.5.4 控制

56、系統的I/O分配根據所選的可編程序控制器(PLC)，對本控制系統進行了I/O的分配，具體分配如表7-5所示:名稱狀態總開關用輸入端00000來表示，斷開時為關閉,閉合時為運行運行狀態用IIR211表示自動手動用DM0888與#FFFF比較所得的輔助繼電器22808來表示名稱輸入輸出狀態原污水泵DM011101000IR200進液泵DM011201001IR201營養泵DM011501004IR204出水回流泵DM011601005IR205熱水循環泵DM011701006IR206攪拌電機DM011801007IR207加熱元件1DM011901100IR208加熱元件2DM012001101IR209加熱元件3DM