（模式识别与智能系统专业论文）plc上位机监控系统的研究设计及应用.pdf

p l c 上位机监控系统的研究，设计及应用 摘要 p l c 是以微型计算机为核心的工业控制装置，它集电控、电仪、电传三电于 一体，是现代工业三大支柱之一。由于它的功能强、可靠性高、适应性好以及 模块化结构等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。把个人计算机连入p l c 网络可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动念数据画面显示、报表编制、趋势 图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，作为底层单元的p l c 完成对现场 开关量、模拟输入输出量的控制处理，而利用微型计算机良好的人机对话界面 和数据处理功能，实现对一台或多台p l c 进行监控，充分发挥p l c 可靠、灵活 的控制性能和计算机在管理、监控等方面的优势，提高控制系统的整体自动化程 度。 本文从实际应用出发，以上海智能系统公司的“s m g i i i 智能控制系统”为 实例，通过对计算机控制系统、可编程控制器、数据库、o p e n g l 等一系列理论 和技术的分析、应用，最终在上海阂行环城体育公园实现了一套广场灯光、喷泉 等的p l c 上位机监控系统，这也是本课题研究的意义所在。本文其分六章，其 中第三、四、五章是本文的重点章节。第一章是论文的绪论，主要讲述了论文的 研究背景、来源以及研究的目的和意义。作为论文的理论基础，第二章介绍了相 关的一系列理论和技术，并阐述了可编程控制器的综合经济分析和最新发展状 态、趋势以及“图形硬件的软件接口”o p e n g l 的基本程序结构。第三章讲述了 系统的总体方案设计。p l c 上位机监控系统是整个“s m g i i i 智能控制系统”的 中枢神经，在该章中作者通过对“s m g i i i 智能控制系统”、工程目标以及系统 整体结构的分析，结合上海闵行环城体育公园的实际情况，有针对性地提出了 p l c 上位机监控系统的模块划分。根据系统的模块划分，作者在第四、第五两章 中对p l c 上位机监控系统中各模块的具体设计与实现进行了详细晓明，这两章 也是本文的核心篇章。第四章详细阐述了系统的界面设计与操作说明，给出了在 v c + + 中用m f c 进行o p e n g l 编程的方法并结合项目的实际情况完成了一个可 视化的、逼真的场景仿真，以及通过对几种v c + 十数据库丌发技术的比较设计与 p l ci 位机骱挣系统的 i j _ ! 咒世计及应用 实现了系统的数据库模块。第五章作者详细说明了系统中p l c 与上位机的物理 连接、通信协议的制定以及p l c 寄存器的地址分配，并用v c + + 丌发了上位机的 通信模块。在第六章中作者对全文进行了总结并对相关技术的发展动向进行了展 望。 本文以p l c 上位机监控系统研究方面的理论知识为基础，在具体工程的背 景下，提出了一套综合、高效的设计、开发和管理p l c 上位机监控系统的方法， 对现实具有一定的指导意义和参考价值。 关键词：v i s u a lc + + 集中控制p l c 上位机串行通信 p l c 卜位机：i 控系统的1 i ；| f 究，设汁及廊用 a s t u d y ，d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e r - m o n i t o r e d p l c s y s t e m s a b s t r a c t p l ci sa ni n d u s t r i a le q u i p m e n tw i t hm i c r o c o m p u t e r sa si t s c o r e i ti n t e g r a t e s e l e c t r i c a lc o n t r o l ，e l e c t r i c a le q u i p m e n t ，a n de l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o ni n t oo n es y s t e m ， a n dp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l eo nm o d e mi n d u s t r y p l ci sw i d e l yu s e di na u t o m a t i c c o n t r o lf o ri t s s t r o n gf u n c t i o n ，h i 曲r e l i a b i l i t y , w i d ea p p l i c a b i l i t y , m o d u l a rs t m c t u r e a n de t c ，m a n yc u s t o m e rs e r v i c e s ，s u c ha ss h o w i n gp r o c e s s f l o wc h a r t s ，d i s p l a y i n g d y n a m i c d a t a b a s ei n t e r f a c e s ，e d i t i n gt a b l e s ，g e n e r a t i n gc h a r t s ，m a n a g i n gp r o d u c t i o n a n de t c ，c a nb ep r o v i d e db yc o n n e c t i n gp e r s o n a lc o m p u t e r s ( p c s ) t oa p l cn e t w o r k i nap l c p cs y s t e m ，p l c s ，w h i c hs e r v e sa st h el o w l e v e lu n i t s ，a r eu s e dt oc o l l e c t a n dc o n t r o lt h ed a t a ，( f o re x a m p l e ，t h eo n o f fq u a n t i t i e sa n da n a l o gi n p u t o u t p u t q u a n t i t i e s ) ap cc o m p l i m e n t s t h ef u n c t i o no fp l c sb yp r o v i d i n ga ne x c e l l e n t h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i nt h es y s t e m ，o n ep c c a nb eu s e dt om o n i t o ro n eo rm a n y p l c s b yt a k i n ga d v a n t a g e o fb o t ht h ee x c e l l e n tr e l i a b i l i t ya n df l e x i b l e c o n t r o l f u n c t i o n so fp l c s ，a n dt h eg o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd a t ap r o c e s sf u n c t i o n s o f p c s ，t h ea u t o m a t i o no f t h e w h o l e s y s t e mi si m p r o v e d i nt h i st h e s i s ，w ea p p l yt h et h e o r yo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s ，p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r , d a t a b a s e ，a n do p e n g l t oa p r a c t i c a l l yi m p o r t a n tp r o b l e m w e i m p l e m e n t e d ac o m p u t e r - m o n i t o r i n gs y s t e mf o rp l c s t oc o n t r o ll i g h t sa n ds p r i n g si n t i r e s q u a r e i n s h a n g h a im i n h a n gs p o r t sp a r k ，u s i n g s m g i i i i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yi n t r o d u c e s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，p u r p o s e ，a n d i m p o r t a n c e t h es e c o n dc h a p t e r d i s c u s s e st h er e l a t e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s a s y s t e m a t i c e c o n o m ya n a l y s i s ，t h e r e c e n ta d v a n c e s a n dt r e n do fp r o g r a m m a b l e c o n t r o i l e r , a n d t h es o f t w a r el i n k t ot h e g r a p h i c a lh a r d w a r e ( o p e n g l ) a r e a l s o d i s c u s s e d t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g n b e c a u s et h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mf o rp l c sp l a y s ac e n t r a lr o l ei nt h ew h o l es m g _ i i ii n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m ，i nt h i sc h a p t e r , w es h o wh o w t od e f i n et h es y s t e mm o d u l e sb a s e do n a n a l y s i so f s m g i l li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fs h a n g h a i p l cf ：位机蝣拄系统的研究，政计及城用 m i n h a n gs p o t s p a r k b a s e do nt h ep a r t i t i o no f s y s t e mm o d u l e s ，c h a p 4a n dc h a p 5 d i s c u s se a c hm o d u l eo ft h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mi nd e t a i l t h e s et w oc h a p t e r s a r ea l s ot h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ew h o l et h e s i s c h a p t e r4s h o w st h ed e s i g no f t h es y s t e mi n t e r f a c e ，t h er e a l t i m e ，v i v i ds i m u l a t i o nu s i n go p e n g l ，a n dt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t a b a s e i nc h a p 5 ，w ei n t r o d u c et h ep h y s i c a l l i n k s b e t w e e np l c sa n dt h em o n i t o r i n gc o m p u t e r , d e f i n et h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，g i v e t h ea d d r e s sa s s i g n m e n to ft h ep l c r e g i s t e r s ，a n dd e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e s u s i n gv i s u a lc + + c h a p t e r6s u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i s a n dd i s c u s s e sp o s s i b l e f u t u r ed e v e l o p m e n t so f t h i st e c h n o l o g y i n s n m n l a r y , w ep r o p o s e d a s y s t e m a t i c ，e f f i c i e n t m e t h o df o r d e s i g n i n g ， d e v e l o p i n g ，a n dm a n a g i n g p l cc o m p u t e r - m o n i t o r i n gs y s t e m s ，b a s e do nt h et h e o r i e s f o rt h o s es y s t e m s t h ew o r ki si m p o r t a n tf o rg u i d i n g p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：v i s u a lc + + ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，p l c ，m o n i t o rc o m p u t e r , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：郛阚 日期：2 印母年f 胄，矿日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位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 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口t 在年解密后适用本版权书t 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：帮烈 日期：弦年年f 月d 日 臌：张孥 日期：o 毕年二月i 。日、 p l c 卜位帆舴择系统的研究，设计技应用 第一章绪论 1 _ 1 论文的研究背景 早期的工业控制领域中是以继电器控制占主导地位，但这种由继电器构成的 控制系统有着明显的缺点。：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不 高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化， 就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。后来人们曾 试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制，但小型计算机 实现工业控制价格昂贵，输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因而没能得到 推广和应用”1 。 可编程控制器( p l c ) 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化技 术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置“。它具有体积小、功能 强、灵活性和适应性好以及模块化结构等一系列的优点，特别是它的高可靠 生和 较强的适应恶劣环境的能力，受到用户青睐，因而在工业控制领域迅猛发展，得 到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱( 机器人、c a d c a m 、 p l c ) 之一。 然而，随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的提高，为适应控制 与信息管理功能相结合的需要，用户对控制过程提出了越来越高的要求，不但要 实现控制过程，而且要实现对过程参数的监控、分析、统计、修改等要求。在工 业控制中通常可以通过4 种装置为p l c 网络配置人机界面：编程器、显示终端、 工作站及个人计算机”1 。编程器主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱：显 示终端的功能比较单一，主要用作现场显示；工作站系统很受欢迎，它功能全面、 使用简单，但由于要配置高级组念工具软件，因而价格较贵；把个人计算机连入 p l c 网络，可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、 趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，为p l c 网络提供良好的人机 界面。n 0 ：k 用个人计算机为p l c 网络提供人机界面是一种物美价廉的做法，在工 业控制中常构成以个人计算机为上位机，数台p l c 为下位机的小型集散系统，充 分利用p c 机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来共同实现管 p l c 位帆船撺系统的研究，设汁歧应用 理控制一体化，这也成为一个新的发展趋势。 1 2 论文的来源以及研究的目f l , 孵n 意义 面向未来、面向信息，在世纪之交，上海智能系统公司推出了基于t c p ，p 数据传输与交换的“s m g i i i 智能控制系统”。快速的数据交换原理、冗余数据 检错提供了安全可靠的控制网络；t c p i p 数据包交换使本系统具有最大的灵活 性与扩张性。上海闵行环城体育公园是一个新型的都市生态休闲娱乐场所，郁郁 葱葱的自然生态环境、梦幻般的夜灯光与欢快多姿的喷泉水景营造出了独特的氛 围。夜幕降临，庭院各类灯光照明要被开启：夜深人静之时，又要关闭各种照明 与水景。体育公园要求每天晚上7 点整打开所有景灯，具体控制这些景灯的p l c 能够实现这一功能，但是，如果某天有重大活动，需要在晚上5 点就打丌这些景 灯，那么在传统的自动控制下就需要到现场人工操作p l c ，而且需要对操作工人 进行p l c 操作的专业培训。因此，为了提升系统的运行效率，提高控制的智能 化程度，上海阂行环城体育公园决定委托上海智能系统公司开发一套p l c 上位 机监控系统，在这个系统中，所有的一切都变得简单了，所有的操作都可以通过 p l c 上位机监控系统在上位机中完成，而无需特别的专业知识，只需拿着鼠标在 屏幕上点击即可。 在本文中，作者通过对计算机控制系统、可编程控制器、数据库技术、o p e n g l 等的研究，结合实际项目提出了一套“s m g i i i 智能控制系统”p l c 上位机监控 系统的实现方案，作者全程参与了方案的设计，并最终在上海阂行环城体育公园 中实现了该系统。通过该p l c 上位机监控系统的设计和实施，作者试图总结出 一种p l c 上位机监控系统的通用实施方法，为其它项目的设计和实施提供方法 和借鉴。 p l cl ：位机航摔系统的州究设计搜应用 第二章相关研究 2 1 计算机控制系统 在电子数字计算机出现后不久，人们就将其应用在工业自动化领域。在工业 生产过程中，有各种各样反映生产过程状态的物理量，如温度、压力、流量等过 程信息。近年来，随着这些过程信息的数字化技术发展，计算机的应用领域扩展 到了工业工程及生产制造领域，即人们常说的计算机控制系统9 1 。在计算机应用 于工业自动化之前，人们采用测量和控制仪表来完成测量与控制功能。在此系统 中，各个仪表是独立的、互不关联的。而采用了计算机实现测量控制功能后，就 可以通过计算机将所有的信号连接在一起处理，便于生产操作人员进行操作和控 制”l 。计算机控制系统的发展经历了三个阶段：集中控制系统c c s ( c e n t r a l i z e d c o n t r o ls y s t e m ) ，分布控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，现场总线控制 系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 1 集中控制系统c c s 最初的生产过程自动化是采用基地式仪表，实现就地控制。这种方法虽然取 代了人员手工操作，但其控制功能十分有限。随着生产规模不断扩大、对自动化 的要求也就越来越高。从1 9 5 9 年在美国t e x a c o 炼油厂投入运行的第一套计算机控 制系统，一直至l j 7 0 年代中期以前，各个计算机控制系统均采用集中式体系结构1 。 集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的i o 设备和c r t 、键盘、打印 机等外部设备即可完成系统功能。也就是说，集中控制系统是对系统中所有功能 和对所有被控对象实施的控制均由台计算机来完成。集中控制系统的优点是整 体性好，协调性好。由于是集中的方式，现场状态集中在台计算机中处理，故 而中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判别，在控制方式的选择上可以 进行统一的调度和安排。另外，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的 一致性。但其缺点也很多：( 1 ) 由于各种功能集中在一台计算机，被控对象不同， 软件完成的任务也不同。当被控对象的任务数量增加时，系统的运行效率将下降； ( 2 1 软件的可靠性不高。大量而复杂的软件由于设计不良或本身的缺陷，致使实 际运行时出现的故障率增加；( 3 ) 由于所有的处理功能集中在一台计算机，所以 p l c 上位机监控系统的研究，哎i 十及应用 一旦出现故障，其影响面涉及到各部分，产生全局性后果【8 】。 2 分布式控制系统d c s 件”1 鉴于集中控制系统存在的种种问题，在1 9 7 5 年率先由h n e y w e l l 公司推出分 都式控制系统d c s ：它是对集中式计算机控制系统进行合理的分解，形成了单 回路、多回路分散控制与集中监视操作相结合的分布式体系结构，能够运用现代 控制理论和大系统理论实现优化控制，分级协调控制和管理自动化功能。d c s 的体系结构如图2 1 所示。 i工程师站操作员站操作员站 l 现场控制站现场控制站 图2 i 典型的d c s 系统结构 分布式控制系统的核心思想是“信息集中，控制分散”。它一般由四个基本 部分组成，即系统网络、现场i o 控制站、操作员站和工程师站。其中现场i o 控制站，操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成( 这些完成特定功能的计 算机被称为节点) ，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、系统组态、系 统管理等功能。它们分别通过系统网络连接在起，成为一个完整统一的系统， 以此来实现分散控制和集中监视、集中操作的目标。 i o 控制站的功能是将各种现场发生的过程量进行数字化，并储存在存储器 中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运动情况实时地改 变和更新的现场过程量的实时映象；其次将本站采集到的实时数据通过系统网络 送到操作员站、工程师站及其它i o 控制站，以便实现全系统范围内的监督和控 制；同时现场i o 控制站还可接受操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现 场的人工控制或对本站的参数没定。 操作员站是处理一切与运算操作有关的人机界面功能的网络节点。其主要功 p l cl 位机临挣系统的帕f 究，设汁驶应用 能是为系统的运行提供人机界面，使操作员及时了解现场运行的状态、参数的当 前值以及是否有异常情况等。操作员站除了可以监视控制系统本身各个设备的运 行状态，同时又可以提供系统的管理功能。 工程师站是对d c s 进行离线配置、组念工作和在线监督、控制的网络节点。 其主要功能是提供对d c s 进行组态、配置组态软件，并在d c s 在线运行实时地 躲视d c s 网络上各个节点的运行情况，使d c s 随时处在最佳工作状态。 分布式控制系统d c s 在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系 统。由于d c s 使用了多台计算机分担了控制的功能和范围，使处理能力大大提 高，并将危险性分散。d c s 在系统扩充性方面比集中式控制系统更具有优越性。 系统要进行扩充，只要根据需要增加所需的节点、并修改相应的组态、即可实现 系统的扩充。但这些年来，随着传感器技术、通信技术、计算机技术的发展，传 统的d c s 却日益显露出它的不足，例如：开放性差、分散不够，需要大量信号 电缆及无法监控现场一次仪表设备，传输信号仍采用4 2 0 m a 的模拟信号等。因 此以工业现场总线( f i e l db u s ) 为基础，以c p u 为处理核心，以数字通信为变送方 式的新一代过程控制系统现场总线控制系统f c s 应运而生。 3 现场总线控制系统f c s 现场总线控制系统的核一心是现场总线。根据现场总线基金会( f i e l db u s f o u n d a t i o n 、的定义j ，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、 开放的、双向的通信网络。现场总线的系统结构如图2 2 所示。 图2 2 现场总线系统结构 p l ct 位机监控系统的t 0 d t ：，改汁及应用 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。但 不是传统的单功能现场仪表。而是具有综合功能的智能仪表。如温度变送器刁i 仅 具有温度信号变换和补偿功能，而且具有p i d 控制和运算功能。现场设备具有互 换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。现在国际上流行的设备级的 通信网络有多种，如c a n b u s 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 等”。 现场总线控制系统f c s 代表了一种新的控制观念现场控制。它的出现对 d c s 作了很大的变革。主要表现”“在：( 1 ) 信号传输实现了全数字化，从最底层 逐层向最高层均采用通信网络互连；( 2 ) 系统结构采用全分散化，废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之；( 3 ) 现场设备具有 互操作性，改变7 d c s 控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既可互连 也可互换，并可以统一组态；( 4 ) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实 现数据共享；( 5 ) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。 与传统的分布式控制系统d c s 相比较，新型的全数字控制系统的出现，将能 充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成c i m s 系统并更好地发 挥其作用；其次，将降低系统投资成本和减少运行费用，仅系统布线、安装、维 修费用可比现有系统减少约三分之二，节约电缆导线约三分之一。如果系统各部 分分别选择合适的总线类型，会更有效地降低成本。 2 2 可编程控制器 可编程控制器( 简称p l c ) ，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的”， 它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。 p l c 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、 强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输 入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节 省了用户时间和成本。p l c 的下端( 输入端) 为继电器、晶体管和晶闸管等控制 部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计 算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。用柬完成各种各样 p l c 【位机临控系统的研究，吐计及应用 的复杂程度不同的工业控制任务”“。 自1 8 3 6 年继电器问世，人们就开始用导线将它同丌关器件巧妙地连接，构 成用途各异的逻辑控制或顺序控制。至今，在p l c 的编程语言梯形图中还 可以看到这些布线的影子。直到6 0 年代末、7 0 年代初可编程控制器问世，随着 微电子技术、计算机技术和数掘通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，p l c 产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终使早期的p l c 从最初的逻辑 控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据 处理、联网通信及p i d 回路调节等功能的现代p l c ”。 2 2 1p l c 的主要功能 p l c 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化f f a ) 和计算机集成制造系统( c t m s ) p q 占重要地位。今天的p l c 功能，远不仅是替代 传统的继电器逻辑。 p l c 系统一般由以下基本功能m 1 构成： 1 、控制功能 逻辑控制：p l c 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替 继电器进行开关量控制。 定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、 关断延时和定时脉冲等方式。 计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检 测。 顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台p l c 可作为 多部步进控制器使用。 2 、数据采集、存储与处理功能 数学运算功能： 基本算术：加、减、乘、除。 扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。 比较：大于、小于和等于。 p l c 上位机精控系统的1 i _ | | 究，改汁驶应用 数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。 模拟数据处理：p i d 、积分和滤波。 3 、输入输出接口调理功能 具有a d 、d a 转换功能，通过i o 模块完成对模拟量的控制和调节。位数 和精度可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 4 、通信、联网功能 现代p l c 大多数都采用了通信、网络技术，有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，可进 行远程i o 控制，多台p l c 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编 程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数掘交换，如程序转移、数据文档转 移、监视和诊断。 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数 据的转移。如西门子s 7 2 0 0 的p r o f i b u s 现场总线口，其通信速率可以达到 1 2 m b p s 。 在系统构成时，可由一台计算机与多台p l c 构成“集中管理、分散控制” 的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的s c a d a 系统， 现场端和远程端也可以采用p l c 作现场机。 5 、人机界面功能 提供操作者以监视机器，过程工作必需的信息。允许操作者和p c 系统与其应 用程序相互作用，以便作决策和调整。 实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的c r t 显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散 和集中操作与监视系统。 6 、编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编 程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 p l c1 + 位机脏控系统的研究，i 盐计驶应用 2 2 2p l c 的主要特点 1 、可靠性高 p l c 的m t b f 一般在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h 以上，西门子、a b b 、松下等微小型 p l c 可达1 0 万h 以上，而且均有完善的自渗断功能，判断故障迅速，便于维护。 2 、模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。i o 从8 8 1 9 2 点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。 3 、功能强 p l c 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序 控制功能。基本型式再加上模拟i o 、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除 了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能i o 、 p i d 调节、过程监视、网络通信能力、远程i i o 、多处理器和高速数据处理能力。 4 、编程方便 p l c 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图( s f c l 编程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包， 并可在任何兼容的个人计算机上编程。 5 、适应工业环境 p l c 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在 强电磁干扰环境下可靠工作。这是p l c 产品的市场生存价值。 6 、安装、维修简单 与计算机系统相比，p l c 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各 种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查 找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查 出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故 障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。 一些p l c 外壳由可在不良工作环境下工作的合余组成，结构简单，上面带 有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率( r f 高频) 电磁干扰、防火等。 7 、运行速度快 p l cl 位机临摔系统的研究，设计及应用 随着微处理器的应用，使p l c 的运行速度增快，使它更符合处理高速度复 杂的控制任务，它与微型计算机之问的差别不是很明显。 8 、总价格低 p l c 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有 所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用p l c 还可以大 大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 p l c 系统与工业总线计算机和d c s 系统相互渗透，互为借鉴，相互竞争而 发展，促进了工业的进步。 p l c 产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需 要。 2 2 3p l c 的综合经济分析 综上所述，在恶劣环境中，使用p l c 控制机构设备，生产流水线和生产过 程的自动控制将越来越广泛。但是，这种新型控制装置在推广使用中尚有一些问 题困扰着用户，主要集中在两个方面，一是可靠性问题，二是价格问题”。 当然，用新型控制装置实现老设备改造与生产过程自动化，提高劳动生产率， 改善企业管理，这是提高企业经济效益的必要措施，但如何f 确处理这种关系， 本文提供一些数据资料作为用户参考。 1 、可靠性问题 据有关资料”提供数据表明：国外一般中小型p l c ，如同立、西门子、i p m ， 平均无故障时间高达1 0 万h 。即使大型p l c 平均无故障时间也在4 5 万h 之间。 因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可靠性而言，继电接触器是望尘莫 及的。所以，对于日立、西门子、i p m 等产品资料中可靠性不再是一项技术指标。 2 、p l c 的经济综合分折” 对p l c 的经济分析，应从以下几方面考虑： ( 1 ) 从影响成本的各个因素综合考虑从目前生产设备控制装置来说，有 三种类型：继电器控制。半导体器件控制。p l c 控制。 价格仅是选择p l c 品牌的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个 p l cl ：位机监控系统的研究，吐叫驶麻用 因素。 ( 2 ) 从设计、生产周期长短考虑不论是老设备改造，还是设计新的生产 机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边 调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及 其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入 市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现， 继电器或半导体都不能满足，而p l c 则完全可以实现。这是因为若用p l c 不必 改动外部设备接线，只要在软件上作文章就可以了。也就是况只要改变梯形图， 按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到 事半功倍的目的。 众所周知，目前我国7 5 的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠 性差外，设计程序也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计， 图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用p l c 控制可以大大缩短设 计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏 幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也 可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在e e p r o m 模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单 又可保密。开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产 率，非常具有实际意义。仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。 2 2 4p l c 最新发展状态及趋势 现代p l c 的发展有两个主要趋势”：其一是向体积更小、速度更快、功能 更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容 性和多功能方面发展。 ( 1 ) 大型网络化主要是朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功 能。网络化和通信能力强是p l c 发展的一个重要方面，向下可将多个p l c 、i o 框架相连：向上与工业计算机、以太网、m a p 网等相连构成整个工厂的自动化 控制系统。 p l c ：位机临控系统的研究，1 5 计及应用 ( 2 ) 多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的 出现，使p l c 控制领域更加宽广。 如西门子公司早在8 0 年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制 模块、仿真模块和通信处理模块等。在1 9 9 5 年西门子又成功地丌发出了$ 7 2 0 0 、 $ 7 3 0 0 系列，它具有t d2 0 0 和c o r o so p s 操作模板( o p s ) 为用户提供了方便人 机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，m p i 接口和 通过工业现场总线p r o f i b u s 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功 能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管 步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数 器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。 ( 3 ) 高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己 将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的 冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。s 7 4 0 0p l c 即使在 恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行 过程中模板还可热插拔。 2 3 1 关系数据库概论 2 3 数据库技术概论 首先简单的介绍数据库发展的几个阶段”“。 1 人工管理阶段 5 0 年代左右，计算机上甚至没有完善的操作系统让用户使用。用户以极其原 始的方式使用数据，直接存取物理存储内的数据。 2 文件系统阶段 典型特征是，出现了文件系统。在文件系统阶段，人们使用平面文件来建立 数据库，并且使用第三代语n ( 3 g l ) 访问例程。 3数据库系统阶段 由于计算机软硬件技术的飞速发展，带来了数据管理的革命。这就出现了数 4 p l c ：位机雌控系统的研f 究，啦汁及麻用 据库管理系统。 1 9 7 0 年，e f c o d d 发表了一篇罩程碑性的文章，在该文中他把数学的一个 称为关系代数的分支应用到存储大量数据的问题中”。c o d d 的文章启动了数据 库界的一项新的运动，并在短短的数年内导致了关系数据模型的定义，该模型是 构造和处理数据库的一种特殊方式，并且是迄今为止，应用最为成熟和广泛的方 式。目前的主流商用数据库系统基本上都是采用这一方式。1 9 7 7 年，i b m 开发 了一种叫s y s t e mr 的原型系统。这是世界上的第一个关系数据库系统。随后， 各种关系数据库系统如雨后春笋，层出不穷。如d b 2 ( i b m ) 、o r a c l e ( o r a c l ec o r p ) 和s y b a s e ( s y b a b ei n c ) 。标志着数据库真正进入到关系数据库系统的时代。 在i b ms y s t e mr 产生之前，层次( i m s ) 和网状( i d m s ) 模型是常见的。从8 0 年代起，r d m s 已经逐渐的控制了市场。8 0 年代中后期，面向对象的关系d b m s 已经成为数据库管理系统研究和开发的热点。并找到了许多适当的应用环境，如 计算机集成制造系统( c l m s ) 、地理信息系统( g i s ) 、多媒体系统等。面向对象 d b m s 适于在这些领域中应用，因为在一个几乎非事务性的环境中，它们具有控 制复杂数据类型实力。由于商业竞争的白热化，o r d b m s 厂商为了提供包括文 本、音频、图像和视频数据类型的面向对象多媒体性能，已经开发出商业化的 通用服务器。另外，用户定义的数据类型或可扩展类型，己经被扩大或增d i i n 核 心数据库服务器中，类似这样的r d b m s 产品被认为是混合的，然而它们明显比 以前的r d b m s 更具有主流性“。 2 3 2 数据库体系结构 数据库系统的结构”4 1 可以从多种不同的角度