（电力系统及其自动化专业论文）可编程控制器（plc）应用程序的仿真.pdf

山东大学硕士学位论文 t h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) i su s e dm o r ew i d e l yi ni n d u s t r i a l c o n t r o lb e c a u s ei th a st h ea d v a n t a g e so fa d v a n c e df u n c t i o n ，h i 曲r e l i a b i l i t y , f l e x i b l e c o n t r o l l i n g ，c o n v e n i e n tp r o g r a m m i n g ，a d a p t i n gi n d u s t r ye n v i r o n m e n t ，c c t ， a n s w e r e dt h en e e d so fp r o d u c i n g a u t o m a t i z a t i o na n da l lk i n d so fs c r u t i n y s y s t e m s i na c t u a la p p l i c a t i o n ，w en e e dt os i m u l a t ea l lk i n d so fr u n n i n g - s t a t et ot e s t t h ec o r r e c t n e s sa n di n t e g r a l i t yo fp l cp r o g r a m m ew h e nw ed e b u gp l c c o n t r o l s y s t e m a tp r e s e n t ，m a n yc o m p a n i e sp r o v i d ep l c - p r o g r a m m i n gs o f t w a r e i t h a s t h ef u n c t i o no fo f f l i n es u r v e i l l a n c ea n dp r o g r a m m e d e b u g g i n g ，b u ti th a sn o tt h e f u n c t i o no fo f ：s i n es i m u l a t i o nw en e e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eq u a l i t y ，d e v e l o p p i n g - t e n d e n c yo fp l c a c c o r d i n gt o t h et e n d e n c yo fi n d u s t r i a lc o n t r o la n du n d e r g r a d u a t ec o u r s et e a c h i n go fp l c , i t d i s c u s s e st h ep r o b l e mo ft h eo f f l i n es i m u l a t i o no fp l ca n dp r o v i d e st h eo f f l i n e s i m u l a t i o np r o g r a m m e t a k i n gd a t a b a s e ，s o l , v i s u a lb a s i c6 0a st o o l s ，i nt h ew a y o fp r o c e s so r i e n t e da n do b i c c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gi d e a t h i sp r o g r a m m ec a l l c o m p i l et h ep l cp r o g r a m m ea n de x e c u t et h ei n h e r e n tl o g i c a lr e l a t i o nt os i m u l a t e t h ea c t u a lm u n i n g - s t a t eo f t h e p l c t h i sp r o g r a m m ei sd i v i d e df o u rp a r t s t h i sp r o g r a m m ec a l lc o m p i l et h el a d d e r l a n g u a g ep r o g r a m m ea n de x e c u t ef o l l o w i n gi n h e r e n tl o g i c a lr e l a t i o na n do u t p u tt h e r e s u l ta b o u to u t p u tp o r t t h es y s t e mc o u l dc o l l e c ti n p u ts i g n a lw h i c hi su s e di nn e x t c y c l eu n t i lt h eu s e rs t o pt h er u n n i n go fp r o g r a m m e t h es y s t e mp r o v i d e sap l a t f o r m w h i c hp e o p l ec a ni n p u tap r o g r a mw r i t t e ni nl a d d e rl a n g u a g e ，i nt h es a n l et i m ei t p r o v i d e sad e s kw h i c hc a n t a k eu ps i m u l a t i n ge n t i t yi m p l y i n ga c t u a le n t i t y w h e n t h eu s e ri n p u tt h ee n t i t y ，h em u s ti n p u ti n d i s p e n s a b l ep a r a m e t e r sf o rt h ee n t i t y w e c a no b s e r v et h es i m u l a t i n gr e s u l tt h r o u g hm a n yw a y sa n dr e a l i z et h es i m u l a t i o n o f f l i n e k e y w o r d s ：p l c s i m u l a t i o ni n d u s t r i a lc o n t r o l v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：麴垦垒 日 期：丝坚：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名：藿鞍一曰 期：趔土刁 l 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题提出 随着目前生产自动化水平的提高，以及各种监控系统的需要，p l c 以其外 围电路简单、模块化结构、可靠性高、尤其可以通过方便的编制和修改软件来 实现顺序控制的功能等特点在工业控制中应用越来越广泛。在实际现场，要求 设备操作方便，管理维护简单，设备能长期稳定无故障运行，同时也要求p l c 能根据各种突发情况，作出实时的正确的反应，因此要求在p l c 控制系统的调 试时能模拟各种运行情况，检验程序设计的正确性及完备性。就目前的情况来 说，许多公司的p l c 提供的编程软件仅有在线监视和程序调试功能，而无离线 仿真运行功能，这样设计人员若要模拟实际工况，就必须在有p l c 的情形下， 通过现场或实验室的各种开关、按钮来模拟现场情况，这就给模拟带来一定的 局限性，并且有些工作情况是难以进行模拟的。这样，设备的调试需要花费大 量的时间，况且很难给用户提供系统各种运行情况下的外部直观响应，为此我 们以三菱f x o n 系列p l c 为例，编制了该系列p l c 的离线逻辑验证仿真软件。 该逻辑验证仿真软件将编程软件编制好的p l c 程序读入，然后根据用户的各种 输入，模拟实际f x o n 系列p l c 的运行情况。该软件采用面向对象的编程语言 v b 6 0 实现。 从该软件所具有的功能来看，通过离线仿真，可对p l c 控制系统程序设计 的正确性及完备性的检验，有较大的帮助，并能帮助设计人员完善和改进其 p l c 控制程序，缩短现场的调试时间，方便各种外部信号的校验和系统故障的 排除。另外p l c 仿真程序的完成，对提高p l c 教学质量，普及p l c 的应用， 具有重要意义。 1 2 课题的意义 可编程控制器( p l c ) 在我国的应用已经有二十几年的历史，p l c 的应用在 各个领域以很快的速度发展，同时p l c 的性能和编程所要求的技术难度都有了 山东大学硕士学位论文 明显的提高。因此，在p l c 的应用、教学中存在着一些问题，诸如在一些大型 企业的技术改造和技术引进中，有许多的大型设备，对这些设备的改造是比较 关键的环节。由于大型设备的编程复杂，有时工程工期要求的比较紧，并且不 允许有大的失误，从而对技术人员的要求非常高。但是由于种种原因，有许多 时候在实际处理中不可避免的会存在一些问题隐患，因而可能会造成大的损 失。另外，在p l c 教学中，在书本上仅仅能够学习一些文字性的知识，而没有 太多的机会去实践，所以对于知识的掌握也不会特别的稳固和深入。 考虑到在p l c 的应用中对技术人员的技术水平要求日益提高，以及要在短 期内大幅度提高教学硬件和软件条件受到很多因素的制约这一现状而提出了 本课题，编制一套可行的p l c 的离线逻辑验证仿真软件，来改善这一现状。计 算机技术的快速发展也为这个课题的解决提供了必要的技术条件。随着此仿真 p l c 的软件不断的发展完善，还可以向院校和公司厂矿进行推广。 本课题的任务就是采用软件来解释p l c 程序运行并实现对p l c 程序的仿 真。该程序的目标是能够在读入用户设计的梯形图的情况下，逐条的解释运行， 仿真输出程序运行结果：能够仿真大多数指令，使得在无p l c 控制对象的情况 下，也能检验自己所设计的p l c 程序的正确性。 我国的经济发展需要大批的技术人才，随着社会经济的发展和技术的进 步，专业人才的短缺己经成为经济发展的一大制约因素。国家在近几年也加大 了对教育的投入比例，希望能有大量的青年人才充实到建设有中国特色的社会 主义建设中来，更好的适应科教兴国这一方针的实施。在p l c 的应用领域中， 如果能够解决应用和教学中存在的问题，这对于以后培养大批p l c 专业人才具 有很大的促进作用。p l c 仿真程序的完成，对提高教学质量，普及p l c 的应用， 具有重要意义。 本章小结： 在这一章中，介绍了提出p l c 应用程序的仿真这个课题的现状，主要是考 虑到现实条件的限制和教学中遇到的一些问题，提出了本课题。 2 山东大学硕士学位论文 2p l c 的理论基础 2 1 可编程序控制器( p l c ) 简介 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 l l e r ，简称p l c ) 是以微处理器 为基础，利用计算机原理为顺序控制专门设计的、通用的、使用方便的装置， 是综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它采用了专用 设计的硬件，而使用性能都是通过控制程序来确定的。它具有可靠性高、适应 工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，己成为解决自动控制问题的 最有效工具，在工业控制领域得到了广泛的应用，是自动化的三大技术支柱 ( p l c 技术、机器人，c a d c 心) 之一。 随着p l c 的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、 数字量的算术运算。所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而 设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存 储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或 模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 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，即具有高 可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命等优点。p l c 特有的编程语言一一梯形图，人们使用它进行编程时，可以不必进行计算机方 面的专门培训。p l c 具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。 在实际应用时。其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求 进行设计编制，因此用p l c 可以在恶劣环境中完成各种各样复杂程度不同的工 业控制任务。 据电子部微型机信息网“工业控制机系统市场调研分析报告”，2 0 0 0 年国内市场销售p l c 约6 6 万台套，其中国产1 6 万台套( 约4 8 0 0 万元人民币) ， 进口约5 万台套( 用汇7 0 0 0 万美元) ；1 9 9 6 年约9 万台套，其中进口8 万台套 ( 用汇1 2 亿美元) ，总计约合人民币1 5 亿元。国内产品的市场占有率不超过 1 0 。根据调查统计，国内p l c 年增长率约为1 2 ，以满足“十五”期间轻工 系统及其它行业技改的需要。 3 山东大学硕士学位论文 据统计，2 0 0 0 年我国工业自动化领域的自动化市场规模达3 0 0 亿元人民 币，其中p l c 占3 0 亿元左右，再加上d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) 系 统、f c s 系统和n c c 系统( 占6 0 亿) 中使用的p l c ，可以看出p l c 在工业自动化 领域中举足轻重的作用。这说明从单机自动化到生产线的自动化，柔性制造系 统，乃至整个工厂的生产自动化，p l c 均担当着重要的角色。 2 2p l c 的工作原理 2 2 1 扫描的概念 扫描是一种形象化的术语，用来描述可编程序控制器内部的c p u 的工作过 程。所谓扫描就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。p l c 运行 时，用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个c p u 每一个时刻只能执行一 个操作而不能同时执行多个操作，因此c p u 按程序的顺序依次执行各个操作 这种需要处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式称为扫描工作方式。由于 扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间为扫描周期。 顺序扫描的工作方式是p l c 的基本工作方式，它简单直观，方便用户程序 设计，为p l c 的可靠运行提供了有利保证。一方面，所扫描的指令被执行后其 结果马上就可以被后面将要扫描的指令所利用；另一方面，还可以通过c p u 设置定时器来监视每次扫描时间是否超过规定时间，避免由于c p u 内部故障使 程序执行进入死循环。 p l c 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，即在系统软件的 控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个 输出点发出相应的控制信号除此之外，为提高工作的可靠性和及时地接收外 来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理、与编程器、计算机 的通信请求，因此，p l ct 作过程分为以下五步： ( 1 ) 自诊断 自诊断功能可使p l c 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为 此p l c 每次扫描用户程序以前都对c p u 、存储器、输入输出模块等进行故障诊 断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程 序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 与外设通信 自诊断正常后p l c 即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响 应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机 把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、 停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中p l c 将接收上位机发出的指 令进行相应的操作，把现场状态、p l c 的内部工作状态、各种数值参数发送给 上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。 ( 3 ) 输入现场状态 完成前两步工作后p l c 便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开 关的通断状态，形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输入刷新， 在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变 化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值 是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。 ( 4 ) 解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在 无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进 行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、 定时器、内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器、输 出继电器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管 外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 ( 5 ) 输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的 结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑时，每一步所得到的输出信号被存入输 出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解 算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其 相应开关动作。 在依次完成上述五个步骤操作后p l c 又开始进行下一次扫描。如此不断的 反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、 或出现故障。p l c 的工作过程如图2 1 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 1扫描的过程 2 2 2p l c 的工作过程 p l c 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控 制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输 出点发出相应的控制信号。 。 2 2 3p l c 的编程语言一一梯形图 梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单、直观、易读、好懂， 是p l c 中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符 号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂 家的p l c ，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很 山东大学硕士学位论文 相近。梯形图有如下特点： 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行， 称为一个梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是 线圈，整个图形呈梯形。 梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变 量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示 该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。 梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器 以外，还包括定时器、计数器等。 梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器 的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。 梯形图是p l c 形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因 而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流或得电来 形象地描述解算中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且 认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。 输入继电器用于接收p l c 的外部输入信号，而不能由内部继电器的触点 驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点而不出现输入继电器的线圈。 输入继电器的触点表示相应的外部输入信号的状态。 输出继电器供p l c 做输出控制，但它只是输出状态寄存表的相应位，不 能直接驱动现场的执行部件，而是通过p l c 开关量输出模块相应的功率开关去 驱动现场的执行部件。当梯形图中的输出继电器得电接通后，则相应的模块上 的功率开关闭合。 p l c 的内部继电器不能做输出控制使用，它们只是代表一些逻辑运算中 用到的中间存储单元的状态，其触点可供p l c 内部使用。一个简单的梯形图如 图2 2 所示。 7 山东大学硕士学位论文 图2 2 梯形图举例 2 3 可编程序控制器应用及特点 随着p l c 技术的飞跃发展，p l c 系统已成为一种综合的控制系统，特别 是p l c 己经深入到智能控制领域中，如在机械手控制、机器人控制、实现离散 数学模型等方面都获得广泛应用，使p l c 技术己大大超出了过去仅代替继电器 电路的范畴。p l c 的输入输出功能完善，性能可靠，能够适应予各种形式和性 质的开关量和模拟量信号的输入和输出，在p l c 内部具备许多控制功能。 可编程控制器( p l c ) 的优点主要有以下几点： 能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击： 简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语 言； 可靠性高，平均故障间隔时间( m t b f ) 超过2 0 0 0 0 小时，美国m o d i o e o n 和a b 两家公司的产品可将m t b f 提高到5 0 0 0 0 小时； 编程或修改程序容易，程序可以保存和固化； 体积小，价格低； 可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场； 可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达1 0 0 0 0 英尺， 内存可以扩展； 有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接； 系统化，有标准外围接口模块； 系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。 山东大学硕士学位论文 2 4 可编程控制器的发展趋势 根据国外资料统计，在工业控制中8 0 以上控制内容都可采用p l c 来完成。 因为顺序控制是工业控制不可缺少的一环，几乎任何一个过程控制和生产管理 都是有步骤地进行的，因此都可以采用p l c 。由于p l c 技术的飞速发展，p l c 系统已成为一种综合的控制系统，特别是p l c 己经深入到智能控制领域中，如 在机械手控制、机器人控制、实现离散数学模型等方面都获得广泛应用，使 p l c 技术己大大超出了过去仅代替继电器电路的范畴。 目前国外p l c 应用于自动控制这一领域占6 0 ，应用于数据管理占2 0 ， 用于生产管理占1 8 ，用于人机接口占2 2 ，可见用于工业控制的p l c 占主导 地位，而数据处理、生产管理等目前计算机是主体。p l c 技术在我国许多地 区也得到广泛应用，尤其以京、津、沪、东北及沿海地区较多，据粗略统计， m o d i c o n 公司的m i c r o - - 8 4 型p l c 仅在我国北方地区就有3 0 0 多家用户；美国 得州仪器公司与通用电气公司的p l c 在我国都有1 0 0 多家用户；德国西门子公 司的p l c 也开始在我国应用。1 9 8 3 年首都钢铁公司采用美国m o d i c o n 公司的 5 8 4 型p l c 控制高炉上料、配料；1 9 8 5 年贵州水域钢厂采用西门子公司的p l c 解决同样的问题均取得了显著的经济效益；北京昌平玻璃厂1 9 8 4 年引进m i c r o - - 8 4 型p l c 控制玻璃瓣切机组生产线，从安装到运行不到1 0 天就顺利投产， 每年增加生产7 8 万箱玻璃，产值增加1 6 6 1 8 0 万元；天津自行车厂采用 m i c r o - - 8 4 型p l c 控制内胎硫化机3 2 台，每年增产1 0 万条内胎，节能近4 ， 折合人民币1 8 万元。目前天津自行车厂、天津轮胎厂、天津碱厂、天津钢厂 等均在生产中采用了p l c ，经济效益都很明显。现在采用继电器装置控制的生 产设备，很快就能转换成p l c 控制系统，并且能明显地取得经济效益。因此可 以预期，p l c 在我国的普遍应用将会迅速发展。 2 5 可编程控制器( p l c ) 应用中的问题和解决方法 在p l c 的推广应用中，产品的可靠性、适用性、可维护性、和经济性是起 主要作用的四大因素。 可靠性是最重要的条件，也是用户关心的焦点。没有高的可靠性，也就 9 山东大学硕士学位论文 失去了市场。应把质量工作作为一项系统工程来抓，建立起完整的质量保证体 系，从元器件采购、高低温冲击、筛选测试到焊接、调试以及售后服务，都有 严格的质量管理制度： 适用性是扩大产品应用覆盖面的重要因素。现在的p l c 品种多、功能全、 使用方便，一台p l c 可以控制多台单机设备，多台p l c 也可联合控制一台复杂 设备； 可维修是国产p l c 的一大优势。p l c 产品在结构上是模块化，便于更换， 有足够的备件可保证维修，在加上良好的服务。使用户放心使用，免去后顾之 忧； 经济性也是用户重视的问题，与国外同类型产品相比，我国的产品价格 只是相当于国外进口产品的6 0 - - 7 0 。如果以我们的产品代替进口产品，每 年可以节约2 0 0 万元，而质量与国外的相同，可保证长期运行，而且不用担心 备件问题。 。 2 6 国内可编程控制器( p l c ) 的发展 国外p l c 发展迅速，市场销售额平均每年增长1 0 ，小型p l c 又大于大 型p l c 的年平均增长率。小型p l c 销售快的一个原因是其性能价格比的改进较 快，有的保持原有的功能，降低了成本，有的保持原有的价格和规模，增加了 功能。 9 0 年代以来p l c 为满足工厂自动化和计算机综合制造系统的需要，产品 本身的技术性能有了很多发展，具有如下特点： i ) p l c 容量扩大。前几年一般大型p l c 的i o 点数都到2 0 4 3 点为止，而 目前德国西门子公司的s 5 1 3 5 u 和a b 公司的p l c 一3 型p l c ，通过使用多个 处理器并行工作，使i o 能力提高到8 1 9 2 点，西门子公司的s 5 1 5 0 ui o 能力可扩展到1 3 8 k 点，而美国g e - f a u c e 公司最近推出的s e r i e s 9 6 - - 7 0 型p l c ， 最大i o 点为1 6 k 个开关量和8 k 个模拟量，存储容量由几十千字到几百千字。 ( 蛩p l c 运算高速化。大型p l c 的c p u 中设置多个微处理器，用专门设计的 逻辑指令。控逻辑指令运算时间己达0 4 微秒每条指令。应用指令( 包括数据 处理) 的运算时间己达到2 微秒每条指令。运算速度的提高使p l c 的扫描时间 l o 山东大学硕士学位论文 大大缩短，提高了系统的响应速度。 高性能发展。大规模集成电路和计算机技术的进步，使p l c 产品更新速 度非常快。现在的p l c 除了逻辑控制外，还可以完成复杂的算术运算和数据处 理，有灵活的接口和联网能力。可用于闭环调节、人机接口、故障搜索和监控， 在很多场合可取代计算机的工作。 通信功能不断完善。不少p l c 具备高速、大容量通信能力，通信速率高 达1 9 2 k 波特。符合o s i ( 开放系统互连) 的m a p ( 制造自动化协议) 规约，使不 同厂商的p l c 产品能纳入一个通信网络。 p l c 首次进入我国是在7 0 年代末，从几个不同的外商引进了十几种机型 的2 0 0 台左右p l c ，使用于宝钢第一期工程的多个工程单元中。这些可编程序 控制器用于从原料码头到钢管厂的整个钢铁冶炼及加工生产线上，取代了传统 的继电器逻辑控制系统，并开始取代模拟控制和小型d d c 控制装置。8 0 年代 中后期，在成套设备和p l c 单机引进的同时，本着技贸结合、消化移植的方针， 在= 次开发和应用的基础上，对p l c 的国产化做了大量的工作，使国产化p l c 有了长足的进展。 可编程序控制器( p l c ) 技术发展具有以下特点： 体系结构向多样化发展 结构多样化的一个表现是，输入输出点数在2 5 6 点以下的小型p l c 基本上 采用非总线式结构，这种趋势仍然可能保持下去。千点以上的大型p l c 都有自 己的总线结构。近年来也有以标准总线为基础的产品，这种结构的产品使系统 在控制和通讯功能方面都得到了增强。 多样化的另一个表现是在网络通讯方面，几大p l c 厂家均有各自的通讯 网，每个厂家内部也都配有不同层次应用的通讯网。如g e - - f a u c e 公司有 g e n e t ( p l c 间对等网) 、g e n i u sl a n ( 远程网) 等等。 p l c 配套的智能外围模块发展迅速 高速计数器、位置控制、联网、通讯、远程加等各种功能模块的发展大大 扩展了p l c 的应用领域，在某些方面的应用和工控机己没有实质的差别，如在 运动控制方面，两者都可以组成步进电机或直流伺服系统，价格也不相上下。 软件逐步丰富 山东大学硕士学位论文 p l c 软件方面一般使用的仍然是梯形逻辑语言，掘统计美国有7 0 的编程 人员仍使用它，而且它的功能也不断的扩大。如美国的r d - 1 0 0 0 不仅能够实现 梯形逻辑编程，而且能够用于p d 调节：其次是指令表语言在一些小的p l c 中仍 然使用：较近的发展是顺序流程图( s f c ) 语言，s f c 是由功能模块、顺序和并行 部分组成，通过s f c 可以用条件辨别进行编程，直观方便且易于调试程序，目 前己有少数厂家实际应用了s f c 。s f c 本身己有国际和国内的标准，国内机械 部自动化所也开始在s f c 基础上开发p l c 自动编程系统，并取得了初步的成效。 目前另一个趋势是多种语言的应用，如b a s i c 、c 、v c 、v b 语言等，但从 形势看不如以d o s 操作系统为基础的p c 等工控机的软件车富。 结构小型化 像以v l s i ，a s i c 和s i t 技术为基础的工控机一样，p l c 也以此为基础向 轻、薄、短、小的方向发展，如一台2 0 点的微型p l c 可以放在手掌上，一台 4 0 点的p l c 也类似于a l 乙一i n 一0 n e 结构，整机集成在一块印刷电路板上，变 的轻而薄。 系统规模趋于两极化 超大规模p l c 系统总的i o 点数可达几万点( m o d i c o n 9 8 4 b ) ，而超小型或微 型p l c 则只有几个i o 点( a p p l i e dt e c hs y s t e m 公司的a p 4 1 ，5 点) 。 其它如系统处理速度越来越快( 0 4 m s k ) 、大量使用专用c p u 芯片等也是 p l c 发展的一些特点。 本章小结： 本章主要是介绍了可编程控制器( p l c ) 的定义、工作原理、发展概况及其 在实际应用中的一些问题和技术特点，另外还介绍了在编制梯形图语言的p l c 逻辑控制程序时需要注意的一些问题和编程的一些常用的方法。 山东大学硕士学位论文 3 系统仿真简介及p l c 常用仿真方式 3 1 系统仿真简介 3 1 1 系统仿真 仿真( s i m u l a t i o n ) 实质上是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或 设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电气、机电、水力、 声学、热学等，也包括非技术系统，如社会、经济、生态、生物和管理系统等。 模拟仿真技术是系统模型的一种系统动态模型，它要根据外界各参量的变化做 出相应的调整，以使最终模型能比较准确地在现实生活中应用。仿真技术从最 早应用于航空航天领域，到今天己经广泛应用于机械制造、电气、水力、社会、 经济、生态、生物等各个领域。 3 1 2 系统仿真分类 系统仿真的分类方法主要有以下几种： 根据计算机分类 模拟计算机仿真，即将系统模型编排在模拟计算机上并使之运行； 数字计算机仿真，即将系统模型用一组程序来描述并使它在数字计算机 上运行； 模拟数字混合仿真，即将系统模型分为两部分，一部分在模拟计算机上， 一部分在数字计算机上，两者之间利用a d ，d a 转换，交换信息。 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实时仿真，即仿真时钟与实际时钟是一致的； 欠实时仿真，即仿真时钟比实际时钟慢： 超实时仿真，即仿真时钟比实际时钟快。 根据系统模型的特性分类 连续系统仿真，即系统模型中的状态变量是连续变化的； 离散事件系统仿真，即系统模型中的状态变量只在某些时刻由于某种事 件而发生变化，这种模型不能表示为方程式，只能用逻辑条件或流程图来表示。 山东大学硕士学位论文 3 i 3 系统仿真的步骤 设调 建收 分运 立研 _ 立集 - 编 析行 输 目系 仿仿 制 - - _ 仿仿 - - - - 出 真真 程 真真 结 标统 模数 序 算模 果 法型 型据 图3 1 系统仿真的步骤 3 1 4 仿真模型 建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。对于计算机仿真，需要 在计算机上建立起适合计算机处理的形式，称为仿真数学模型。 建立计算机模型( 仿真数学模型) 很重要的一点是要具有实验的性质，即模 型与对象的功能及参数之间所具有的相似性和对应性，以下是对其简单的介 绍。 在许多实际控制系统，如；生产调度、交通管理、库存控制中，系统的状 态只在离散时刻发生变化。例如，一条由a 、b 、c 三台机床组成的机械零件加 工生产线，假如a 、b 、c 都正在进行加工，那么在没有新的毛坯进入生产线及 各机床没有一台完成当前的加工时，系统状态将保持不变，只有当新的毛坯进 入生产线或任何一台机床己完成当前的加工时，系统状态才发生了变化。将引 起系统状态变化的行动称为事件。如上述系统中的上车或下车的行动，毛坯到 达或机床加工完毕的行动等。这类系统被称为离散事件系统。分析和研究离散 事件系统比分析连续系统更加需要仿真技术，这是因为：离散事件系统一般带 有随机特性，即事件的发生般不是确定性的，而是遵循某种概率性分布：离 散事件系统的动态特性很难用一组方程式来描述，一般只能用系统的活动图或 流程图来描述。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 1 5 系统仿真的发展及其应用 纵观系统仿真发展的历史，仿真技术是与控制工程、系统工程及计算机的 发展密切相关的，正是控制工程、系统工程促进了仿真技术的广泛应用，计算 机的发展为仿真技术提供了强有力的工具。 系统仿真的应用大致可分为以下两类： 采用仿真技术对己有系统进行分析； 采用仿真技术对尚未有的系统进行设计。 在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的现 在的甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的抉择。 在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后， 可能产生什么现象，以使用户修订计划或决策 利用仿真模型作为训练器，训练系统操作人员或管理人员。 因为仿真技术在实现的可能性、安全性、准确性、方便性等方面具有明显 的优点，所以在控制工程和系统工程的研究中获得广泛的应用。 3 1 6 系统仿真的意义 纵观仿真技术的应用领域逐渐扩大的历史，可以得出以下几个有意义的结 论： 仿真技术在应用方面的高安全性一直是其获得广泛应用的最主要的原 因，尤其是航空、航天、武器等研究领域在过去曾是仿真技术应用的最主要领 域，而且到现在仿真技术仍然在这些领域中占据着很大的比重。 仿真技术在应用方面具有可观的经济性也是被采用的十分重要的因素， 几乎所有的大型发展项目的研究中，如阿波罗登月计划等，都广泛采用仿真技 术。这是因为，这些项目投资极大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以使 投资风险大幅度降低。 仿真技术一般是从学院式的局部应用走向全面应用，其标志是针对某些 领域的仿真而设立的仿真中心。 纵观系统仿真发展的历史，仿真技术是与控制工程、系统工程及计算机的 山东大学硕士学位论文 发展密切相关的，正是控制工程、系统工程促进了仿真技术的广泛应用，计算 机的发展为仿真技术提供了强有力的工具。 在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的现 在的甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的抉择。在系统运行前，利用 仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以使 用户修订计划或决策。 3 2 可编程控制器常用仿真方式 3 2 1 应用开关盒简单仿真 一种常用的仿真手段是在p l c 的输入模块上接入一个包含多个类型开关 的开关盒，编程人员在p l c 运行中通过拨动开关或( 和) 按钮来模拟p l c 控制系 统的信号输入，通过观察p l c 输入模块的显示二极管的状态或观察p l c 编程嚣 上显示的继电器的o n ( o f f ) 来判断控制软件是否正确。对于简单梯形图软件可 以采用这种方法进行仿真调试：对于复杂控制系统梯形图软件的仿真调试需要 多个开关、按钮，若输入信号多且有时序要求，采用这种方法难以达到仿真调 试的要求。 3 2 2 应用编程软件仿真 另一种p l c 梯形图软件的仿真调试方式是：微机通过r s - - 2 3 2 c 与p l c 连 接，实施微机对p l c 在线编程，当把p l c 置于运行状态时，此时在微机的梯形 图上可以清楚地看出p l c 运行状态及运行结果。但这种方式同样需要通过拨动 开关或( 和) 按按钮，或( 和) 在微机或p l c 上强制输入继电器o n ( o f f ) 来模拟p l c 控制系统的信号输入，当输入信号多且有时序要求时，同样也难以达到p l c 梯形图仿真调试的要求。在一般p l c 控制系统开发中，系统开发人员采用以上 两种方法相结合，并在系统实际运行过程中逐步完善。 3 2 3 双p l c 仿真 该系统采用l 台p l c 作为主控器，存放控制软件：另一台p l c 作为仿真器， 存放仿真软件：主控器与仿真器通过硬件电路连接。仿真时，主控器输出相应 的执行驱动信号，仿真模拟执行机构使输入传感器状态发生变化来实现主控器 与仿真器的交互运行。该系统可以较好地实现p l c 控制系统梯形图软件的仿 山东大学硕士学位论文 真，但在通用性上受到一定的限制。 p l c 顺序控制系统是以一定的顺序完成一系列固定动作，每一个动作就是 一个工步。为了在p l c 控制系统开发和调试阶段尽早观察各工步的执行情况、 发现p l c 梯形图的缺陷和错误，以避免现场运行时发生故障或破坏，应采用一 种新型的p l c 梯形图软件仿真系统，该系统能按控制系统的要求及其顺序控制 流程对p l c 梯形图软件进行各工步及全运行过程的仿真。 3 2 4 离线仿真 离线仿真是一个比较新的课题，它可以实现对p l c 控制系统梯形图程序的 离线仿真、调试。该方法是对p l c 梯形图中的各个软元件的逻辑位状态按照梯 形图从左到右、从上到下的处理顺序进行处理，在处理的过程中开辟一个内存 暂存区，以存储梯形图中中间位的逻辑状态，按照堆栈的先进后出的原则来处 理中间位的逻辑关系，并最终得到输出元件的逻辑状态。还可以对所编辑的梯 形图程序进行调试，以不断修改梯形图以满足最终的用户要求。在p l c 执行过 程中，各指令逻辑操作的结果暂存于“堆栈寄存器”中，并作为中间结果参与 逻辑运算，可以说，p l c 指令的实现，就是通过对“堆栈寄存器”中的各个位 来实现的。 由于实现搴线仿真所采用的方法是利用了堆栈的思想，因此我们只能观测 到仿真结果，而无法观察到各个内部元件中间变化过程，因而存在着一定的不 足。在本文中以数据库为载体，从而可以实现从多个方面描述程序运行的过程 和结果，很好的弥补了上述的不足。 本章小结： 本章首先简要地介绍了系统仿真的发展及其应用；在后半部分，介绍了 可编程控制器几种常用的仿真方式。 1 7 山东大学硕士学位论文 4p l c 仿真程序的框架结构 4 1 编程语言v b 6 0 及数据库，结构化查询语言( s q l ) 简介 v i s u a lb a s i c6 0 作为面向对象的编程语言，功能强大，使用广泛，具 有很大的灵活性和向后兼容的特性，本系统应用v b6 0 作为编程语言，并在 编程过程中，应用j a m e sd f o x a l 归纳的v i s u a lb a s i c 编程标准进行编程， 其中主要有： 1 为过程和模块赋予表义性很强的名字 2 对常量与变量命名时使用前缀表明其数据类型 3 程序代码中尽量使用表意性名字代表常数 4 使用控件时加上前缀表明控件的类型 5 引用控件数组时使用常量 6 语句较长时，使用行连接符 7 一行只放一个语句 8 使用语句代码的组织结构 9 恰当地使用注释增强程序的可读性 4 1 2 数据库 数据库是指相互关联的数据集合，其中关系型数据库是在关系模型的基础 上建立起来的。在关系型数据库中，以二维表格的形式描述关系间的联系，表 中的每- - n 对应一个字段，每一行组成一个记录。 4 1 3 结构化查询语言( s q l ) 结构化查询语言( s q l ) 的理论是1 9 7 4 年被提出的，并在i b m 公司的s y s t e m r 机上实现。由于它的功能丰富、使用方式灵活、语言简洁易学等优点，在计 算机和工业界的用户中倍受青睐，很快得以推广。s q l 结构化查询语言是介予 山东大学硕士学位论文 关系代数与关系演算之间的语言，其功能包括查询、操纵、定义和控制四个方 面，是一个通用、功能强大的关系数据库语言。目前，s q l 语言被确定为关系 数据库系统的国际标准。在s o l 语言中，指定要做什么而不是怎么做，不需要 告诉