（机械电子工程专业论文）基于组态软件的plc实验教学系统.pdf

两华大学硕士学位论文 基于组态软件的p l c 实验教学系统 机械电子工程专业 研究生王春指导教师秦付军 可编程控制器( p l c ) 是综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的一 种新型自动控制装置。由于p l c 在工业自动化中的重要地位，因此，现在高 校都开设了有关可编程控制器应用方面的课程。可编程控制器实践性非常强， 实验环节至关重要，只有通过实验进行实际操作，学生才能真正掌握可编程控 制器技术，传统的实物实验价格昂贵、维护困难、可行性和变化性较差。 本文就当前高校p l c 教学实验的现状和其中存在的问题提出了可行的方 案基于组态软件的p l c 实验教学系统。论文的主要内容如下： 1 ：在明确课题研究的目的和意义的前提下，分析了组态软件实现p l c 实 验教学系统的可行性，并对p l c 和组态软件的现状和发展趋势做了简单的介 绍。 2 就目前国内高校教学实验中常用p l c 和组态软件进行了性能比较，介 绍了p l c 和组态软件的基本结构、工作原理和特点，阐述了p l c 与组态软件 的通信原理。 3 针对可编程控制器课程对各类编程指令的教学要求，选择了四个典型 的实验，详细论述了该实验基于s 7 2 0 0 系列p l c 和力控组态软件的实现方案， 并建立了p l c 实验教学系统。 基于组态软件的p l c 实验教学系统的建成，解决了高校开展p l c 实验课 程难的问题，有利于提高学生的学习兴趣，强化教学效果，较好的满足了高校 p l c 课程教学实验的要求。 关键词：实验教学，可编程控制器，组态软件，仿真 西华大学硕士学位论文 p l c e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e mb a s e d o nt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e m a j o r ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t ew a n gc h u ns u p e r v i s o rq i nf u - j u n p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i san e wa u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c et h a t i n t e g r a t e sc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y p l ci sv e r yi m p o r t a n ti ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l d ，t h e r e f o r e ，c o l l e g e s a n du n i v e r s i t i e sh a v eb e e nn o ws e tu po ns o m ec o u r s e si n a p p l i c a t i o n o f p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r p l ch a v e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，c o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t s i s v e r yi m p o r t a n t ，s t u d e n t sc a nr e a l l y m a s t e rt h e p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rt e c h n o l o g yo n l yt h r o u g ht h ea c t u a l o p e r a t i o n b u tt r a d i t i o n a lp h y s i c a l e x p e r i m e n t a l i se x p e n s i v e ，d i f f i c u l tt om a i n t a i n ，a n dl e s si nt h ef e a s i b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dav i a b l es c h e m e - p l ce x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e m b a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h e p r o b l e m so fp l ct e a c h i n ge x p e r i m e n ti nc o l l e g e s a n du n i v e r s i t i e s t h em a i n c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： l t h ef e a s i b i l i t y o fr e a l i z i n gp l ce x p e r i m e n t t e a c h i n gs y s t e m w i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a sa n a l y z e di na c l e a rp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h e p r o j e c t t h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t r e n d o fp l ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a s i n t r o d u c e d 2 t h ep e r f o r m a n c eo ft e a c h i n ge x p e r i m e n t so fp l ca n dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ew h i c ho f t e nw e r eu s e di nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sw e r ec o m p a r e d ，b a s i c i l s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l ca n dc o n f i g u r a t i o n s o r w a r ew e r ei n t r o d u c e d ，t h et h e o r y o fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a se x p o u n d e d 3 a c c o r d i n gt o v a r i o u st y p e so fi n s t r u c t i o nt e a c h i n gr e q u i r e m e n t sp l c c o u r s e s ，f o u rt y p i c a le x p e r i m e n t sw e r es e l e c t e d , t h er e a l i z a t i o n o ft h ep r o g r a m b a s e do nt h es 7 2 0 0s e r i e sp l ca n df o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew a s d i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ep l ce x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d b e c a u s eo fe s t a b l i s h m e n to fp l ce x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e mb a s e do nt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h ep r o b l e mw h i c hc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sa r ed i f f i c u l tt o c a r r yo u tt h ep l ce x p e r i m e n t sc o u r s e sw e r es o l v e d ，i n t e r e s to ft h e s t u d e n t si n l e a r n i n gw a si n c r e a s e d ，t h et e a c h i n gp e r f o r m a n c e w a ss t r e n g t h e n e d , a n dt h e r e q u i r e m e n t so fc o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e st e a c h i n ge x p e r i m e n tp l cw a sm e e t k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s i m u l a t i o n i i i 两华大学硕士学位论文 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：互存沙彳年f 月日 剥醛名槲冲三f n 五e t 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密 2 、不保 年解密后适用本授权书； 用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：五孝 日期： 。坩尹f 指导教师签名： 日期a 一1 一乙 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着科学技术的飞速发展，大规模集成电路及微处理技术的广泛应用，在 工业自动化进程中，可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 l e r ) 简称p l c 得 到迅速普及，由此p l c 作为一种通用的工业自动化装置，由于其操作简便，易 于掌握使用，技术性能稳定，运行可靠，在工业自动化领域中占有极其重要的 地位。p l c 是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的，经过2 0 多年的发展， 已成为美国等工业发达国家的重要产业，在我国已经广泛应用于机械制造、轻 工、汽车及文化等各种行业。当前，p l c 在国际市场上已成为最受欢迎的工业 控制畅销品，用p l c 设计自动控制系统也已成为世界潮流。 在p l c 课程的教学中，传统方式以教师为中心，这有利于发挥教师的主导 作用，也有利于科学知识的系统传授。p l c 专业课程的传统教学模式培养了大 批基础扎实、具有一定实践能力的学生，但传统的p l c 课程的教学一直存在以 下几个问题： ( 1 ) 硬件软件支持及更新不够，p l c 的产品和其他电子产品一样，具有种 类较多，发展较快的特点，因此，常常造成教材内容和学校教学专用设备脱节， 内容滞后产品技术发展的现状； ( 2 ) 企业的需要和学校教学的矛盾，企业需要的是能够解决实际问题的 p l c 专业技术人才，而学校实践教学的观念陈旧，缺乏对企业工业自动化p l c 控制实际需要的了解，实践教学的针对性不强，所培养出的学生不能满足企业 的需要； ( 3 ) 该门综合课程，其控制包括机、电、液、气的控制，但目前该课程授 课多数还存在缺少设备、教学模式单一，不能体现课程综合的特点。一般的高 校现有的条件和设备难以满足实验课程及实际操作的需要【9 】。 可编程序控制器原理及其应用课程是一门实用性、工程性和综合性很强的 专业课，与工程实际联系紧密，必须压缩理论教学课时，增加实验课时，强化 实践性教学环节。应当通过实验、生产实习和课程设计等实践性教学环节，增 强学生的综合运用能力，倡导创造性思维。在p l c 的实习教学中，要完成很多 典型的编程训练 3 】【4 】，针对这一情况，如果仅仅以可编程序控制器来进行实验 西华大学硕士学位论文 教学，而没有控制对象，学生用编程器对可编程序控制器进行编程之后，通过 观察输出口的状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式中学生往往只能进 行验证性实验，没有条件进行外围设备的连接和控制。 表1 1 仿真实验和传统实物实验比较【4 1 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dt r a d i t i o n a lp h y s i c a le x p e r i m e n t s c o m p a r ei t e m s s i m u l a t i o nm e t h o dt r a d i t i o n a lm e t h o d s e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s e a s i l ys a t i s f i e dd i f f i c u l t ys a t i s f i e d e x p e r i m e n t a l p l c p c p l c p h y s i c a le q u i p m e n t e q u i p m e n t e x p e r i m e n t a l l i a l eg r e a t f u n d i n g e q u i p m e n t m a i n t e n a n c e f r e ep r o f e s s i o n a lm a i n t e n a n c e m a i n t e n a n c e m a i n t e n a n c e n oc o s t h i g hc o s t f u n d i n g d e g r e eo f e q u i p m e n td a m a g e n od a m a g ev u l n e r a b l et od a m a g e s e c u r i t y n o n h a z a r d o u s d a n g e r o u sd e g r e e f e a s i b i l i t ye a s y d i f f i c u l t p r a c t i c a l i t y e x t e n s i v em i n i m a l e n v i r o n m e n t a l i m p a c t n on o i s e ，n op o l l u t i o n h i g hn o i s e ，a n dp o l l u t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s g o o dp o o r 另一种方式是直接购买教学设备厂商开发出了一些仿真软件，但这些仿真 软件往往是随成套设备“赠送”的，价格昂贵。这种解决方案优点是学校方面 比较省事，但是缺点也很明显，价格昂贵，更重要的是教师在实际应用中很难 根据教学和行业的特殊要求对软件进行再开发。也有学校组织教师利用f l a s h 等软件开发仿真软件，但是这类仿真软件往往只能解决让学生理解设备动作过 程的问题，并不能与p l c 以及变频器等工业设备进行通讯( 例如：不能让学生 对p l c 编程，用p l c 控f l ；t j f l a s h 动画动作，方便程序调试) 。自编软件与p l c 、 变频器以及触摸屏等设备进行通讯并实现编程调试，将是一项非常庞大的工 西华大学硕士学位论文 作，具有较高的实施难度，不是一般的自动控制专业的教师能独立完成的【1 1 1 。 基于此，本课题是利用组态软件技术设计开发p l c 教学实验系统，进而解 决了各高校开展p l c 实验课题难或无法开展p l c 实验课题的问题。此外，仿真 的方法不但可以用于开展p l c 控制实验，也可用于课题设计，既实验内容多种 多样，实验现象直观，能节约大量的实验经费，缩短实验时间，提高实验的安 全性。p l c 实验中的仿真实验与传统实物实验的对比情况如表1 1 所示。 本课题的意义在于研制提供一种新型的可编程序控制器教学实验系统，着 重学生的能力培养，并给学生留有足够的发挥空间，具有很好的开发柔性和扩 展性。该实验系统有一定数目的输入输出元件，同时可编程控制器也有一定数 目的输入输出点，学生可以自己利用组态软件内的元件组成接近实际工业应用 的界面，自己编制其控制程序，充分发挥学生个人的创造性思维和动手能力， 同时也可以使学生掌握可编程序控制器与电力拖动、计算机系统的信号传递及 控制功能等结合的先进控制技术。本系统的开发应用不仅能够丰富教师的教学 手段，提高学生的学习兴趣，提高教学效果，而且能够为专业老师在复杂控制 系统、智能控制系统等方面的研究提供了实验对象及实验手段【1 2 。 1 2 组态软件实现p l c 实验教学系统可行性分析 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，可以虚拟出p l c 控制对 象，即用软件来仿真用实物制作的p l c 控制对象，虚拟控制对象的图形可以 采用组态软件本身制作，也可采用专用图像处理软件制作，使被控的虚拟对象 具备专业色彩，形象逼真。组态软件具有强大的通讯功能，可以通过r s 2 3 2 接口与p l c 之间进行通信，并监控p l c 的所有存储器、控制器及i o 接口的 状态，以变量值的形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。 f i g u r e l - is i m u l a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e 图1 - 1 仿真系统结构 西华大学硕士学位论文 f i g u r el 2p r o c e s so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 图1 - 2 仿真实验程序流程 因此，用软件制作的组态虚拟被控对象可以代替实物设备，它不仅能接受 p l c 发出的控制信号，如逻辑开关信号，继电器控制信号，脉冲信号和各种数 值信号等，亦能向p l c 发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号，继电器开关 信号，中断信号，位置信号等，还能与p l c 之间进行各种状态数据的传输，从 而反映出p l c 与组态虚拟对象及控制结果之间的关系。通过编程控制，组态虚 拟对象能够按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上 动态地反映出控制结果；此外组态虚拟对象还能以按扭、滑动标尺、数值输入 及单选框、复选框等形式向p l c 发出各种命令及输入各种参数，来配合p l c 的 4 两华大学硕十学位论文 控制，这给人以“身临其境的感觉，能增强实验的教学效果。直接从屏幕上 观察出p l c 的控制过程和控制结果，这给编程和调试带来很大方便，有利于对 可编程控制器技术的学习和运用。 设计的组态虚拟仿真实验系统结构如图1 1 所示，上位机是以“力控”组 态软件为设计平台，仿真界面( 虚拟被控对象) 可以通过“力控”软件中的子图 连接、窗口连接或利用图片处理的方法按照制定样式的功能设计出来，并根据 系统要求在软件基础上对系统进行二次开发，采用动画、声音连接技术，使设 计的人机界面友好、生动。 利用组态软件设计p l c 实验装置的虚拟控制对象是指在计算机上运行事 先编制好的组态应用程序，用软件来代替硬件( 被控对象) 工作，借助于计算机 的屏幕来观察和检验p l c 的控制过程及结果的正确与否，其仿真实验程序流 程图如图1 2 【引。 1 3 相关技术发展概况 1 3 1p l c 的发展现状及趋势 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r 简称p l c ) 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。它采用可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的 指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生 产过程【5 1 。 可编程控制器诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德 国、法国等国家相继研制成各自的p l c 。p l c 技术随着计算机和微电子技术的 发展而迅速发展，由最初的一位机发展为八位机。随着微处理器c p u 和微型 计算机技术在p l c 中的应用，形成了现代意义上的p l c 。现在的p l c 产品已 使用了1 6 位、3 2 位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通 讯技术使p l c 的应用得到进一步的发展。如今，可编程控制器技术已经比较 成熟。 目前，世界上有2 0 0 多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的厂家有 美国的a b 、通用( g e ) 、莫迪康、日本的三菱、欧姆龙、富士电机、松下电 西华大学硕士学位论文 工，德国的西门子，法国的t e 、施耐德，韩国的三星、l g 等。 可编程控制器总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易 使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 向小型化、专用化、低成本方向发展 2 0 世纪8 0 年代初，小型p l c 在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。 随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使p l c 结 构更为紧凑，相当于一本精装书的大小，编程器像袖珍计算机一样大小，操作 使用十分简便。p l c 的功能不断增加，将原来大、中型p l c 才有的功能移植 n d , 型p l c 上，如模拟量处理、数据通讯和复杂的功能指令等，但价格不断 下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。 ( 2 ) 向大容量，高速度方向发展 大型p l c 采用多微处理器系统，有的采用了3 2 位微处理器，可以同时进 行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另 外，存储容量大大增加。 ( 3 ) 与计算机联系密切 从功能上来看，p l c 不仅能完成逻辑运算，且计算机的复杂运算功能在 p l c 中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的硬件和技术越来越多的应用 到p l c ；从语言上看，p l c 己不再是单纯用梯形图语言，而且可用多种语言编 程，如类似计算机汇编语言的语句表，甚至可直接用计算机高级语言编程：在 通讯方面，p l c 与计算机可直接相连并进行信息传递。 ( 4 ) 发展多样化 可编程控制器发展的多样化体现在3 个方面：产品类型、编程语言和应用 领域。 ( 5 ) 模块化 p l c 的扩展模块发展迅速。功能明确化、专用化的复杂功能由专门模块来 完成，主机仅仅通过通讯设备向模块发布命令和测试状态，这使得p l c 的系 统功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。 ( 6 ) 网络与通讯能力增强 计算机与p l c 之间以及各个p l c 之间的联网和通讯的能力不断增强，使 6 两华大学硕士学位论文 工业网络可以有效的节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性，致使网 络的应用有普遍化的趋势。目前，工业中普遍采用金字塔结构的多级工业网络。 ( 7 ) 多样化与标准化 生产p l c 产品的各厂家都在大力度的开发自己的新产品，以求占据市场 的更大份额。因此产品向多样化方向发展，出现了欧、美、日多种流派。与此 同时，为了推动技术标准化的进程，一些国际性组织，如国际电工委员会( i e c ) 不断为p l c 的发展制定一些新的标准，如对各种类型的产品作一定的归纳或 定义，或对p l c 未来的发展制定一种方向或框架。 ( 8 ) 工业软件发展迅速 与可编程控制器硬件技术的发展相适应，工业软件的发展也非常迅速，它 使系统应用更加简单易行，而且大大方便了p l c 系统的开发人员和操作使用 人员【。 1 3 2 组态软件的发展现状及趋势 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及 软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定 任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进 发展起来的。6 0 年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人 员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广 速度比较缓慢。7 0 年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。 首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩 小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公 司先后推出了新型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国 h o n e y w e l l 公司推出的世界上第一套d c st d c 2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机系统软件( 操作系统) 、组态软件、控制软件、操作站软件以及其 他辅助软件( 如通信软件) 等。8 0 年代中后期，随着个人计算机的普及和开放 系统概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组 态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统具有 更为广阔的发展空间。这是因为： 两华大学硕士学位论文 ( 1 ) 很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，加入“p c 监控的阵营。 目前；几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 做为操作站。 ( 2 ) 由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人 值守的远程监视、数据采集与计量、数据分析到过程控制，几乎无处不用。 ( 3 ) 各类智能仪表、调节器和p c b a s e d 设备可与组态软件构筑完整的低成 本自动化系统，具有广阔的市场空间。 ( 4 ) 各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系 统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂【2 1 。 两华大学硕士学位论文 2p l c 及组态软件的介绍 2 1p l c 的基本概念 2 1 1p l c 的一般构成 p l c 的生产厂家有很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成相同，都 采用计算机结构，如图2 1 所示。p l c 主要有6 部分组成：c p u ( 中央处理器) 、 存储器、输入输出接口电路、电源、外设接口及i o 扩展接口。 f i g u r e 2 1s t r u c t u r ed r a w i n go f t h ep l c 图2 - 1p l c 结构示意图 ( 1 ) c p u c p u 是中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 的英文缩写。它是p l c 的核 心和控制指挥中心，主要由控制电路、运算器和寄存器组成，并集成在一块芯 片上。c p u 通过地址总线、数据总线、和控制总线、与存储器、输入、输出接 口电路相连接，完成信息传递、转换等。 c p u 的主要功能有：接受输入信号并存入存储器，读出指令，执行指令， 将结果输出，处理中断请求，准备下一条指令。 ( 2 ) 存储器 存储器主要存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在系统中的作用， 可分为系统程序存储器和用户程序存储器。 9 西华大学硕士学位论文 系统程序是对整个p l c 系统进行调度、管理监视及服务的程序，控制和 完成p l c 各种功能。这些程序有p l c 制造厂家设计提供，固化在r o m 中， 用户不能直接存取及修改。系统程序存储器容量的大小，决定系统程序的大小 和复杂程度，也决定p l c 的功能。 用户程序是用户在各自控制系统中开发的程序，大都存放在r a m 存储器 中。因此使用者可以对用户程序进行修改。为保证掉电时不会丢失存储的信息， 一般用锂电池作为备用电源。用户程序存储器容量的大小，决定用户控制系统 的控制规模和复杂程度。 ( 3 ) 输入、输出接口电路 输入、输出接口电路是p l c 与现场i o 设备相连接的部件。p l c 将输入信 号转换为c p u 能够接收和处理的信号，。通过用户程序的运算，把结果用过输 出模块给执行机构。 ( 4 ) 电源 p l c 的电源一般采用a c 2 2 0 v 电源，经整流、滤波、稳压后变换成供p l c 的c p u 、存储器等电路工作所需的直流电压。为保证p l c 工作可靠，大都采 用开关型稳压电源。有的p l c 还向外部提供2 4 v 直流电源。 ( 5 ) 外设接口 外设接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程 器、计算机、打印机、e p r o m 写入器等。 ( 6 ) i o 扩展接口 i o 扩展接口用来扩展输入、输出点数。当用户输入、输出点数超过主机 的范围时，可通过i o 扩展接口与i o 扩展单元相接，以扩充i o 点数。a d 和d a 单元及链接单元一般也通过该接口与主机连接【1 0 】。 2 1 2p l c 的特点 ( 1 ) 抗干扰能力强，可靠性高 可编程控制器采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体集成 电路完成。内部处理过程不依赖于机械触点，而是通过对存储器的内容进行读 或写来完成，因此不会出现继电器接触器控制系统的接线老化、触点接触不良 1 0 西华大学硕士学位论文 等现象【l o 】。此外，在制造工艺上采取了抗干扰措施，在结构上对耐热、防潮、 防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰 措施：在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使p l c 具 有较高的抗干扰能力。p l c 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般 微机不能比拟的【l j 。 ( 2 ) 编程简单 p l c 的最大特点是采用易学易懂的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和 表达式与继电器接触器线路图相当接近【1 0 】，这种编程语言形象直观，不需要 专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短 时间学会【。 ( 3 ) 功能完善 p l c 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的 开关量和模拟量的输入输出。在p l c 内部具备许多控制功能，诸如时序、计 算器、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它 能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制i 0 等诸多功能，不仅具有 逻辑运算、算数运算、数值转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显 示、监控、打印及报表生成功能【。p l c 可以控制一台单机、一条生产线，还 可以控制一个机群、多条生产线；可以现场控制，也可以远距离控制。在大系 统控制中，p l c 可以作为下位机与上位机或多级的p l c 之间进行通信，完成 数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理 1 0 】。 ( 4 ) 通用性好 p l c 是通过软件来实现控制的。同一台p l c 可用于不同的控制对象，只 需要改变软件就可以实现不同的控制要求，充分体现了灵活性和通用性。 各种p l c 都有各自的系列化产品。同一系列p l c ，不同机型功能基本相 同，可以互换，可以根据控制要求进行扩展。 ( 5 ) 体积小、功耗低 p l c 由于采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点， 而且设计结构紧凑，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设 备。 西华大学硕士学位论文 ( 6 ) 设计施工周期短 使用p l c 完成一项控制工程时，在系统设计完成以后，现场控制柜等硬 件的设计及现场施工和p l c 程序设计可以同时进行。p l c 的程序设计可以在 实验室进行模拟调试。程序设计好后，再将p l c 安装在现场统调。 p l c 用软件取代继电器接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电 器、计数器等低压电器，使整个设计、安装、接线工作量大大减少l l j 。 2 1 3p l c 的基本工作原理 可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，因此，其工作原理是建立在 计算机控制系统工作原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现 场电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件，特定的监控软件，专 用的编程器件。所以，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言 及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。 输 1 0 o 输 入 il if 入 映 端 像 寄 口 存 1 0 1 器 li j 输 出 映 输 像 出 寄 端 存 口 器 i 输入部分 ll 内部电路 il 输出部分 l i 一i - j i 一 f i g u r e 2 2e q u i v a l e n tw o r kc i r c u i td r a w i n go ft h ep l c 图2 - 2p l c 等效工作电路图 p l c 控制系统的等效电路可以分为3 个部分，即输入部分、内部控制电路 和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件。这 两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻 两华大学硕士学位论文 辑，用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图2 2 所示【5 1 。 p l c 的工作方式为循环扫描方式。p l c 的工作过程大致分为3 个阶段：输 入采样、程序执行和输出处理。p l c 重复执行这3 个阶段，周而复始。每重复 一次的时间称为一个扫描周期。 ( 1 ) 输入部分 输入部分由外部输入电路、p l c 输入接线端子和输入继电器组成。外部输 入信号经p l c 输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相 同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状 态时，对应的输入继电器线圈“得电”( 这个输入继电器是p l c 内部的“软继 电器，就是存储器中的某一位，它可以提供任意多个常开触点或常闭触点供 p l c 内部控制电路编程使用) 。 为使输入继电器的线圈“得电，即让外部输入元件的接通状态写入与其 对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用 p l c 内部提供的2 4 v 直流电源( 其带负载能力有限) ，也可以由p l c 外部的独 立的交流或直流电源供电。 需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件( 如控制 按钮、行程开关的触点、晶体管的基极发射极电压、各种检测及保护器件的 触点或动作信号等) 的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程 序中，只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。 ( 2 ) 内部控制电路 所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替硬继电器的 控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号 的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。 一般用户的程序是用梯形图语言编制的，它看起来很像继电器控制线路 图。在继电器控制线路中，继电器的触点可瞬时动作，也可以延时动作，而 p l c 梯形图中的触点是瞬时动作的。如果需要延时，可由p l c 提供的定时器 来完成。延时时间可根据需要在编程时设定，其定时精度和范围远远高于时间 继电器。在p l c 中还提供了计数器、辅助继电器( 相当于继电器控制线路中 的中间继电器) 及某些特殊功能的继电器。p l c 的这些器件所提供的逻辑控制 西华大学硕士学位论文 功能，可在编程时根据需要选用，且只能在p l c 的内部控制电路中使用。 ( 3 ) 输出部分 输出部分是由在p l c 内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部常 开触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。 p l c 的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部 控制电路提供编程用的任意多个常开、常闭触点外，还为外部输出电路提供了 一个实际的常开触点与与输出接线端子相连【5 1 。 2 1 4p l c 控制系统的总体设计 p l c 控制系统的总体设计是进行p l c 应用设计时的至关重要的第一步。 首先应当根据被控对象的要求，确定p l c 控制系统的类型。 不同的设计者有着不同风格的设计方案，然而，系统的总体设计原则是不 变的。p l c 控制系统的总体设计原则是：根据控制任务，在最大限度的满足生 产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，运行稳定，安全可靠，经济实用， 操作简单，维护方便。 任何一个电气控制系统所要完成的控制任务，都是为满足被控对象( 生产 控制设备、自动化生产线、生产工艺过程等) 提高劳动生产率，保证产品质量， 减轻劳动强度和危害程度，提升自动化水平【5 】。 2 2 组态软件的基本概念 2 2 1 组态软件的设计思想 在多任务环境下，由于操作系统直接支持多任务，组态软件的性能得到了 全面加强。因此组态软件一般都由若干组件构成，而且组件的数量在不断增长， 功能不断加强。各组态软件普遍使用了“面向对象”( o b j e c to r i e n t e d ) 的编程 和设计方法，使软件更加易于学习和掌握，功能也更加强大。 一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第 三方程序接口组件、控制功能组件。 在图形画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分成3 类简单的对 象：线、填充形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基 1 4 西华大学硕士学位论文 本属性包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、位置移动等。这些属 性可以是静态的，也可以是动态的。静态属性在系统投入运行后保持不变，与 原来组态时一直。而动态属性则与表达式的值有关，表达式可以是来自i o 设 备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数字表达式。这种对象的动态属性 随表达式值的变化而实时改变。例如，用一个矩形填充体模拟现场的液位，在 组态这个矩形的填充属性时，指定代表液位的工位号名称、液位的上下限及对 应的填充高度，就完成了液位的图形组态。这个组态过程叫做动画连接。 在图形界面上还具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与 显示等功能。各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通 过组态来指定。这样每个画面的内容就可以根据世纪情况由工程技术人员灵活 设计，每幅画面中的对象数量均不受限制。 在图形界面中，各类组态软件普遍提供了一类b a s i c 语言的编程工具 脚本语言来扩充其功能。用脚本语言编写的程序段可由事件驱动或周期性地执 行，是与对象密切相关的。例如，当按下某个按钮的时候可以指定执行一段脚 本语言程序，完成特定的控制功能，也可以指定当某一变量的值变化到关键值 以下时，马上起动一段脚本语言程序完成特定的控制功能。 控制功能组件以基于p c 的策略编辑生成组件为代表，是组态软件的主要 组成部分。虽然脚本语言程序可以完成一些控制功能，但还是不很直观，对于 用惯了梯形图或其他标准编程语言的自动化工程师来说，是太不方便了，因此 目前的多数组态软件都提供了基于i e c i1 3 1 3 标准的策略编辑生成控制组件。 它也是面向对象的，但不唯一地由事件触发，它像p l c 中的梯形图一样按照 顺序周期地执行。策略编辑生成组件在基于p c 和现场总线的控制系统中是大 有可为的。可以大幅度地降低成本。 实时数据库是更为重要的一个组件。因为p c 的处理能力太强了，因此实 时数据库更加充分地表现出了组态软件的长处。实时数据库可以存储每个工艺 点的多年数据，用户既可以浏览工厂当前的生产情况，又可以回顾故去的生产 情况。可以说，实时数据库对于工厂来说就如同飞机上的“黑匣子。工厂的 历史数据是很有价值的，实时数据库具备数据档案管理功能。工厂的实践告诉 我们：现在很难知道将来进行分析时哪些数据是必须的。因此，保存所有的数 1 5 西华大学硕士学位论文 据是防止丢失信息的最好的办法。 通信及第三方程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件与第三方程序