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大连理工大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发 展起来的一种新型工业自动控制装置。经过3 0 多年的发展，在工业生产中获得了极其 广泛的应用。目前，可编程控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最广泛的控制 装置之一，居工业生产自动化三大支柱( 可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制 造) 的首位，其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。为此， 各类职业院校也已经将其作为自动化类专业的主干课程之一，为社会培养具有p l c 相关 技术知识和操作技能的高等技术应用型人才。但传统的教学采用一些简单的实验对象板 进行控制实验，用按钮和l e d 来显示p l c 输入输出接点的通断状态，对实验过程和结果 展示不直观，不形象，反映不了设备工作的现场状态，无法激发学生的好奇心和学习兴 趣；同时，学生缺乏对被控对象在工作现场的实时状态的直观认识，无法达到对学生现 场工作能力训练的目的。因此，寻求一种既能够达到开放性的，直观的模拟各式各样的 工业控制现场，又不大量增加教学成本的教学方法成为必然。 将组态软件用于p l c 的实践教学中，组态软件可接受p l c 发出的控制信号。并按 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反映出p i e 的控制过程 及结果，用仿真的方式代替实物，并达到与实物相当的教学效果。从教学意义上来说。 如果可以用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服采用真实被控对象的缺点，而且 能以有限的设备、低廉的造价、多样化的程序来丰富学生的实验课内容，大大增强p l c 实 验课的教学效果。本文就以机械手、运料小车和电梯等控制系统及仿真调试项目为例， 着重讲述组态软件在可编程序控制器( p l c ) 教学中的应用。 本系统的开发主要包括p l c 编程设计及组态控制界面程序开发两个方面。对于前者 要求根据被控对象的基本功能和控制要求进行p l c 程序及硬件设计；对于后者则要求利 用组态软件的功能进行仿真界面设计及程序设计。通过组态软件与p l c 设备的连接与通 讯，教师可以根据教学需要自行开发各种组态仿真控制系统，实现p l c 编程教学的直观 化。学生也可以从计算机仿真中非常直观的体会自己编写的程序对现场生产设备的控制 效果，并可根据组态仿真的结果不断修正自己的程序，达到p l c 编程学习的良好效果。 关键词：p l c ；组态软件；仿真 大连理工大学硕士学位论文 p l cp r o g r a m m i n gc o n t r o la n ds i m u l a t i o nd e b u g g i n gt e a c h i n gs y s t e m a b s t r a c t p l ci san e w l yd e v e l o p e dm d u s t 黼c o n t r o ld e v i c e t h a tb a s e do nt h ec o r e m i c r o p r o c e s s o r , i n t e g r a t e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a f i e f3 0y e a r so f d e v e l o p m e n t , i tw a sa l le x t r e m e l yw i d 【ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n c u r r e n t l y , t h ep l ch a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s tw i d e l yu s e dc o n t r o l d e v i c e si nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l da n di nt h ef i r s tp l a c eo ft h r e ep i u a r so fh a b i t a t i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ( p r o g r a m m a b l el o 酉cc o n t r o l l e r , r o b o t i c s ，c o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g ) ，i t sa p p l i c a t i o nb r e a d t ha n dd e p t hh a v eb e c o m et h em a r ko fan a t i o n s i n d u s t r i a la u t o m a t i o ni e v e l b e c a u s eo ft h i s v a r i o u sv o c a t i o n a li n s t i t u t i o u sh a v et h i sm a j o ra s t 量l e i rs p e c i a l i z e dm a i nc o u r s ei na u t o m a t i o n t r a i n i n gs t u d e n t sf o rs o c i a lr l e e d sa st h eh i 【g h c r t e c h n i c a lp e r s o n n e lw i t hp l cr e l e v a n tt e c h n i c a le x p e r t i s ea n do p e r a t i o n a ls k i l l si so u ra i m t h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gi l l u s t r a t e sc o n t r o l l i n ge x p o r i m e n t sw i t hs o m es i m p l ee x p e r i m e n t s p l a t e s ，i nw h i c hp l cm p u ta n do u t p u tt a p - o f f s t a t eo ft h ep r o c e s sa n dr e s u l t so fe x p e r i m e n t s a l en e i t h e rv i s i b l en o rd i r e c t 硼1 ce x p e r i m e n tw i t hb u t t o n sa n dl e d d i s p l a yc a nn o t r e f l e c tt h e w o r ko f t h ee q u i p m e n ti nf i e l da n da l o u t h ec u r i o s i t i e sa n di n t e r e s t so f s t u d e n t si nl e a m i n g m e a n w h i l e , b e c a u s eo fl a c ko ft h er e a l - t i m ev i s u a la w a r e n e s so ft h ef i e l dt h es t u d e n t sa r e u n a b l et or e a c ht h et r a i n i n gp u r p o s e si nf i e l d 1 1 1 ed e v e l o p m e n to fa no p e na n dv i s u a l w o r k p l a c ew i t haw i d cv a r i e t yo f i n d u s t r i a lc o n t r o lw i t h o mas u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt h ec o s ti s i n e v i t a b l e ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nb eu s e di nt h ep r a c t i c eo fp l ct e a c h i n g i no r d e r t or e p l a c e p h y s i c a le q u i p m e n t sa n da c h i e v ee q u i v a l e n te f f e c t i v e n e s so f p h y s i c a lt e a c h i n g , i tc a nr e c e i v e t h ep l cc o n t r o ls i 粤乒l a l ，r e f l e c tt h ep l cc o n t r o lp r o c e s sa n dr e s u l ti ns c r e c l lw i t ha l g o r i t h m i c p r o g r a mi nt h ef o r mo fa n i m a t i o n , n u m e r i c a l ，t e x t , g a u g ee t c f r o mt e a c h i n gs e l l s e , t h e c o m p u t e rc a l ls i m u l a t et r u eo b j e c t s , i tc mo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so f u s i n gt h er e a lo b j e c t s a n de n r i c ht h ec l a s sc o n t e n t sa n dp l ce x p e r i m e n tt e a c h i n ge f f e c t i v e n e s sw i t ht h e1 i m i t e d e q u i p m e n t s ，l o wc o s t ，d i v e r s i f i c a t i o np r o c e d u r e s i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ec o n f i g u r a t i o n s o f i w a r ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) t e a c h i n gi na p p l i c a t i o n sb yt h es i m u l a t i o ne x a m p l e s o f t h e m e c h r a f i c a lh a n d , d e l i v e r i n gc a ra n de l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mi n c l u d e sp l cp r o g r a m m i n gd e s i g na n dp r o g r a m d e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o ni n t o r f a c oc o n t r 0 1 n ef o r m e rr e q u i r e sp r o g r a m m i n ga n dh a r d w a r ed e s i g no fp l cb a s e do nt h eb a s i cf u n c t i o na n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fc o n t r o l l e d o b j e c t s f o rt h el a t t e r , t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei su s e dd e s i g n i n gs i m u l a t i o ni n t e r f a c oa n d i i i ! 望塑型兰堕墨塑堕塾堂墨竺 p r o g r a m t h r o u g ht h ec o n n e c t i v i t ya n dc o m m u n i c a t i o nb o t w e e nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n d p l ce q u i p m e n t , t e a c h e r nd e v e l o pv a r i o u sc o n f i g u r a t i o ns i m u l a t i n gc o n t r o ls y s t e mi nn e e d t oa c h i e v et h ei m p l e m e n t a t i o no fp l cp r o g r a m m i n gt e a c h i n gi nv i s u a l i z a t i o n f r o mt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n , s t u d e n t sc a nv i s u a l l ye x p e r i e n c et h ee f f e c t so ft h e i rp r o g r a mo n p r o d u c t i o ne q u i p m e n t sa tt h es c e l i e sa n dm o d i f yt h e i rp r o g r a m m e r st oa c h i e v et h eg o a lo f p l cp r o g r a m m i n ga c c o r d i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o ns i m u l a t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：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 v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文申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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：立堡重垃日期：星吐：兰萝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盐菱垃 导师签名：盈塑! i 塑丑年j l 月二堑一日 大连理工大学硕士学位论文 引言 p l c 即可编程控制器，是以微机技术为核心，综合了计算机、自动化和通信技术发 展起来的一种通用工业自动控制装置。它既有传统的继电一接触控制优点，又有功能齐 全，灵活性、通用性强的特点，以其功能强大、可靠性高、编程简单、使用方便以及体 积小、功耗低等突出的优越性，并在很大范围内代替了继电一接触控制，迅速普及并成 为当代工业自动化的支柱设备之一f 1 j 。 目前，各类职业院校也已经将可编程控制器及应用这门课程作为自动化类专业 的主干课程之一，但该课程的实践性很强，实践教学环节至关重要，如果仅停留在课本 上无异于纸上谈兵。只有通过实验、实训进行实际操作，才能真正学会可编程控制器技 术。然而，目前我国多数高等职业教育相关专业的p l c 教学实验、实训依然采用一些简 单的实验对象板进行控制，比如流水灯、电动机控制实验等等。这些被控对象实验板用 按钮和l e d 来显示p l c 输入输出接点的通断状态，具有价格便宜优点，但是实验展示不 直观，不形象，反映不了设备工作的现场状态，无法激发学生的好奇心和学习兴趣。同 时，考虑到实际生产过程中的被控对象形形色色、种类繁多，且实际的被控对象一般都 具有体积大、质量大、价格昂贵、维护困难等特点。很难在实验室配备。高等职业学校 没有经济实力去购买所有实际的被控对象，比如机械手、交通信号灯控制系统、自动电 梯等，学生学完可编程控制器后，缺乏实际对象的操作经验，达不到职业教育的培养目 标。在教学过程中充分体现信息化，利用计算机来模拟仿真实际的被控对象，让被控对 象在p l c 程序的控制下实现工作现场的实时状态，就能激发出学生的学习兴趣，从而达 到较好的教学效果。同时，由于采用了计算机仿真技术，用软件来替代硬件，减少了购 买开支，有效地降低了教学成本。因此，将组态软件用于p l c 的实验教学中，能够用仿 真的方式代替实物，并达到与实物相当的教学效果，从而解决了p i e 实验直观化的问 题。利用监控组态软件可以仿真多种p l c 控制对象，组态软件可接受p l c 发出的控制 信号，并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反映出p l c 的 控制过程及结果。从教学意义上来说，如果可以用计算机全真模拟被控对象，不但可以 克服采用真实被控对象的缺点，而且能以有限的设备、低廉的造价、多样化的程序来丰 富学生的实验课内容，大大增强p l c 实验课的教学效果。 因此，寻求一种既能够达到开放性的，直观的模拟各式各样的工业控制现场，又不 大量增加教学成本的教学方法成为必然。本教学系统主要以机械手、运料小车和四层电 梯控制系统仿真调试为例，着重讲述可编程序控制器( p l c ) 程序设计及组态软件在可 编程序控制器( p l c ) 教学中的应用。 p i c 编程控制与仿真调试教学系统 本系统就是以三菱p l 对机械手、运料小车、四层电梯等各项目进行控制。先对各 项目的控制部分作分析，然后进行p l c 程序设计，画流程图，写出梯形图。再利用“组 态王”软件进行仿真设计。画出它的仿真界面，再根据仿真界面定义数据变量，完成动 画设计，写出命令程序代码。进行p l c 与组态仿真的同步设计，实现p l c 对项目的编程 控制和仿真调试。 综上所述，为了使系统能够真正达到“适用、直观、开放”的标准，在开发该应用 系统的过程中，本系统对许多同类项目的内容、功能进行了研究、分析与对比，吸取了 他们的可取之处，借鉴了一些经验，把p l c 与组态软件紧密地联系起来，构建一个软、 硬件综合控制平台，解决原有p l c 实验、实训设备功能单一的问题；利用组态软件的仿 真设计，让学生可以较直观的体验控制对象的实际工作状态，更好的掌握课程要求的理 论与操作技能点；还可以利用组态软件的可开发性特点，实现实验、实训内容的可开放 式设计要求，达到了降低相关的教学成本的目的。 大连理工大学硕士学位论文 1p l c 基础理论 1 1 可编程控制器概述 1 1 1 可编程控制器的产生及发展 1 可编程控制器的产生 随着2 0 世纪工业生产的迅速发展，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不 断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生 产方式的生产控制要求，因此，迫切需要一种新的更先进的自动控制装置来取代传统的 继电器控制系统。2 0 世纪6 0 年代初，随着电子技术在自动控制领域中的应用，出现了 半导体逻辑元件装置，利用半导体二极管、三极管和中小规模集成电路构成了逻辑式顺 序控制器。但其控制规模较小( 一般输入输出点数不超过6 4 点) 、程序编制不够灵活 等缺点，限制了它的推广应用。随着计算机技术的发展，曾用小型计算机取代继电器控 制系统，实现控制要求，但是由于计算机对使用环境要求较高，而且现场的输入输出信 号与计算机本身不匹配，同时计算机程序的编制较复杂，使用者需要掌握一定的计算机 专业知识，一般工程技术人员不易熟练运用，加上计算机成本高，因而一直没有得到广 泛应用1 1 嘲啪。 1 9 6 8 年，美国最大的汽车制造商一通用汽车公司( g m ) 设想把计算机功能的完备性、 灵活性、通用性好等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结 合起来，制造一种新型的工业控制装置。为此，伽公司提出了著名的g m1 0 条技术指标 在社会上公开招标： ( 1 ) 编程简单，可在现场修改程序； ( 2 ) 维护方便，最好是插件式； ( 3 ) 可靠性高于继电器控制柜； ( 4 ) 体积小于继电器控制柜； ( 5 ) 可将数据直接送入管理计算机； ( 6 ) 在成本上可与继电器控制柜竞争； ( 7 ) 输入电压可以是交流1 1 5 v ； ( 8 ) 输出能力为交流l l s v 2 a 以上，能直接驱动电磁阀； ( 9 ) 在扩展时，原有系统只要很小变更； ( 1 0 ) 用户程序存储器容量至少能扩展到4 k b 。 p l c 编程控制与仿真调试教学系统 1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 根据招标的要求，研制出了世界上第一台可编程 控制器，并在g m 公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程逻辑控制 器，简称p l c ，只是用它来取代继电器控制，仅具备逻辑控制、定时、计数等功能。随 着电子技术和计算机技术的发展，2 0 世纪7 0 年代中期出现了微型计算机，微机技术被 应用到p l c 中，使得p l c 不仅具有逻辑控制的功能，而且还增加了运算、数据传送和处 理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。 1 9 8 0 年美国电气制造商协会( n e m a ) 正式将其命名为可编程控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ，p c ) 。现在人们普遍称可编程控制器为p l c 而不是p c 是为了避免与广泛 使用的个人计算机的简称p c 相混淆。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年1 月颁布了可编程控制器标准第 一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义：“可编程控制器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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存 储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式和模 拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都 应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。” 可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入 输出接口，并且具有较强的驱动能力。可编程控制器产品并不是针对某一具体工业应用， 其灵活、标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用时，其硬件可根据需要选 用配置，其软件则需要根据控制要求进行设计。“仆3 2 可编程控制的发展趋势目前，为了适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大 p l c 在工业自动化领域的应用范围，微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的 主要方向。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制 造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会 进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格 更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从 市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数 几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看， 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的 发展方向。目前的计算机集散控制系统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 ) 中已有大 量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，随着软p l c ( s o f tp l c ) 控制组态 软件的进一步完善，p l c 的市场份额将逐步得到增长，可编程控制器作为自动化控制网 络和国际通用网络的重要组成，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 大勰工大学硕士学位论文 1 i 2 可编程控制器的主要应用领域 p l c 在工业自动化领域起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、 石油，化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明，8 0 以上的工 业控制可以使用p l c 来完成。在日本，由8 个以上中间继电器组成的控制系统都已采用 p l c 。如果按应用类型来划分，p l c 的应用大致分为如下几个领域： i 开关量逻辑控制p l c 最基本的功能是逻辑运算、定时、计数等，用来进行逻辑 控制。可以取代传统的继电器控制。这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，既可用于单 台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、 组合机床、包装生产线、电镀流水线等。 2 模拟量控制模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。 工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。 为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的a d 转换及d a 转换。大中型p l c 都有多路的模拟量输入输出和p i d 控制，甚至有的小型p l c 也带有模 拟量输入输出。因此，p l c 可以作为模拟量控制，用于过程控制。有的p l c 还可以实现 模糊控制。 3 运动控制p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早 期直接用开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般用专用的运动控制模块。 如可驱动步迸电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各p l c 厂家的产品几 乎都有运动控制功能，广泛的用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4 监控系统用p l c 可以构成监控系统，进行数据采集和处理，监控生产过程。 5 分布控制系统随着计算机控制技术的发展，国外正兴起工厂自动化( f a ) 网络 系统。较高档次的p l c 都有联网功能，通过联网可以将p l c 与p l c 、p l c 与上位机( h o s t c o m p u t e r ) 连接起来，构成多级分布式控制系统。 1 。1 3 可编程控制器的主要特点 1 可靠性高，抗干扰能力强用p l c 实现对系统的控制是非常可靠的，这是因为p l c 在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。 2 编程简单，使用方便p l c 最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理 图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现 场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。 在大型p l c 中还有b a s i c 等高级编程语言，以便满足各种不同控制对象和不同使用人员 的需要。但应当指出的是，为了更灵活地使用p l c ，充分发挥p l c 的功能( 尤其是大中 p l c 编程控制与仿真调试教学系统 型p l c ) ，p l c 的应用软件设计人员需要较深入地掌握计算机硬件及继电一接触器控制系 统的知识。 p l c 的接线极其方便，只需将产生输入信号的设备( 如按钮、开关) 与p l c 的输入 端子连接，将接收输出信号的被控设备( 如接触器、电磁阀等) 与p l c 的输出端子连接， 仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。 3 功能完善，适应性强各个p l c 的生产厂家都有各种系列化产品和各种模块供用 户选择，用户可以根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的p l c 产品，组成所需要 的控制系统。在做应用设计时，一般不嚣要用户制作任何附加装置，从而能使设计工作 简化。 4 体积小、结构紧凑、安装及维护方便p l c 的安装和现场接线简便，可以按积木 方式扩充和删减其系统规模。由于它的逻辑、控制功能是通过软件完成的，因此允许设 计入员在没有购买硬件设备前就进行“软接线”工作，从而缩短了设计、生产、调试周 期，节省了研制经费。p l c 体积小、重量轻，便于安装。p i , c 具有自诊断、故障报警及 故障种类显示功能，便于操作和维修人员检查，可以通过更换模块插件，迅速排除故障。 p l c 的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单，接线少，便于维护”“4 。 1 2 可编程控制器的工作原理与编程语言 1 2 1 可编程控制器的基本结构 世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业计算机，其硬件结构都大体相 同。主要由中央处理器( c p u ) 、存储器( r a m 、r o m ) 、输入输出接口、电源及编 程设备几大部分构成。 中央处理器( c p u ) 是p l c 的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学 运算、协调系统内部各部分工作等任务；存储器是用来存放系统程序、用户程序及数据 的单元；输入输出接口是c p u 与现场i o 设备或其它外设的桥梁，输入接口用于采集工 作现场信号，输出接口用于输出信号控制现场执行部件：电源包括为p l c 各工作单元 供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池：编程器是p l c 最重要的外围设备，也是p l o 不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以 对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视p l c 的工作状态。它通过接i ：j 与o p u 联系，完成入机对话“。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 可编程控制器的工作原理 1 p l c 实现控制的要点 输入输出信息变换、可靠物理实现，可以说是p l c 实现控制的两个基本要点。 输入输出信息变换靠运行存储在p l c 内存中的程序实现。p l c 程序既有生产厂家的 系统程序，又有用户自行开发的应用( 用户) 程序。系统程序提供运行平台，同时，还 为p l c 程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要 求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。 p l c 的i o 接口电路，都是专门设计的。输入接口电路要对输入信号进行滤波，以 去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出接 口电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出接口电路还要进行 功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。输入接口电路 时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其 信息的暂存器。输出接口电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出 点也是一一对应的。 输出锁存器与p l c 内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存 位与其对应，这个位称为输出继电器。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出 锁存器。这个映射过程也称为输出刷新。 2 p l c 的工作过程可编程控制器的工作过程主要是： ( 1 ) 输入处理：程序执行前，p l c 将全部输入端子的通断状态写入输入映像寄存 器。 在程序执行中，即使输入状态变化，输入缺象寄存器的内容也不变，直到下一扫描 周期的输入处理阶段才读入这些变化。另外输入触点从通( o n ) 到断( o f f ) 变化到处 于确定状态止，输入滤波器还有响应延迟时间( 约l o m s ) ( 2 ) 程序处理：对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其它软元 件的映像寄存器中将有关软元件的通断状态读出，从0 步开始顺序运算，每次运算结 果都写入有关的映像寄存器，因此，各软元件的内容随着程序的执行在不断变化。输出 继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。 ( 3 ) 输出处理：全部指令执行完毕，将输出映像寄存器的通断状态向输出锁存 寄存器传送，成为p l c 的实际输出。p l c 内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个 响应时问，即要有一个延迟才动作“圳。 p l c 编程控制与仿真调试教学系统 1 2 3 可编程控制器的编程语言 p l c 是一种工业控制计算机，不光有硬件，软件也必不可少。一提到软件就必然和 编程语言相联系。不同厂家，甚至不同型号的p l c 的编程语言只能适应自己的产品。目 前p l c 常用的编程语言主要有：梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语 言、高级编程功能语言等。 1 梯形图编程语言( l d )该语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电一接触器控 制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器、接触器 逻辑控制电路基础上演变而来的，形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前 用得最多的一种p l c 编程语言。 p l c 的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯 形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅是概念电流( 虚电流) ，或称为假想电流。 把p l c 梯形中左边母线假想为电源相线，而把右边母线假想为电源零线，假想电流只能 从左向右流动，层次改变只能先上后下。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件 的形象理解。 2 指令表编程语言( i l )这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符 编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到p l c 中去。需要指出的是，不同厂家的p l c 指令语句表使用的助记符并不相同，因此，一个 相同功能的梯形图，书写的语句表并不相同。表1 - 1 是三菱电机公司f x 系列p l c 指令 语句编写的程序。 表1 1 三菱f x 型p i a y 语句表 t a b 1 1m i t s u b i s h i p l cs t a t g m c n tt a b k 步序操作码( 助记符)操作数说明 ll dx l 逻辑行开始，输入x 1 常开触点 2o r y 1并联y l 的自保触点 3o r ix 2 串联) 【2 的常闭触点 4o r i x 3串联x 3 的常闭触点 5o u tg l 输出y l 逻辑行结束 指令语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单元。每个操作功 能由一条或几条语句来执行。p l c 的语句表达形式与微机的语句表达式相类似，也是由 操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示( 如l d 表示取、0 r 表示或等) ，用 来说明要执行的功能，告诉c p u 该进行什么操作，例如逻辑运算的与、或、非；算术运 算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电 器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先 设定值。 3 功能图编程语言( f b d )这是一种较新的编程方法。它是用与控制系统流程图 一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会( i e c ) 正在实施发展这种新式的 编程标准。不同厂家的p l c 对这种编程语言所用的符号和名称也不一样。三菱p l c 叫功 能图编程语言，而西门子p l c 叫控制系统流程图编程语言。 4 高级语言编程近几年推出的p l c ，尤其是大型p l c ，已开始用高级语言进行编 程。有的p l c 采用类似p a s c a l 语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编 译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作p l c 。除了完 成逻辑功能外，还可以进行p i d 调节，数据采集和处理以及与上位机通信等“3 1 3 o p i _ l 3 编程控制与仿真调试教学系统 2 教学系统开发工具 2 1 组态软件介绍及发展 组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与 一般的计算机测控系统在结构上没有本质的区别，它们都由被控对象、传感器、i o 接 口、计算机和执行机构几部分组成“”。 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 的意思就是模块的任意组合。采用组态技术构成的计算机 系统在硬件设计上除采用工业p c 机外，系统大量采用各种成熟通用的i o 接口设备和 现场设备，基本上不再需要单独进行具体电路设计。这不仅节约了硬件开发时间，更提 高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用了成熟的工控专用组态软件进行系统设 计，软件开发周期大大缩短。组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件，它为用 户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技 术) ，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。同时，用组态软件开发的系统 具有与w i n d o w s 一致的图形化操作界面，非常便于生产和组织与管理。 一般来说，只要采用 p c ，选择通用接口部件和组态软件，这样构成的系统都是基 于组态控制技术的。国内外许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术的d c s 计 算机系统，如德国西门子公司、日本三菱、台湾研华、中国时利和等。这些系统提供各 种工业p c 机、i o 板卡、模块和专门针对自己系统的组态软件，供自动化系统设计人员 组态选择。 与各系统专用组态软件相对的是各种通用组态软件，常用国产组态软件有微控可视 组态、m c g s 、k i n g v i e w ( 组态王) 等。 目前，随着计算机的速发展，产品技术的不断推陈出新，组态软件将继续围绕着工 控计算机的自动化集成系统，并扮演越来越重要的角色。近些年来我国大中型企业的改 制不断深化，传统工业信息化的改造步伐会继续加快，新项目不断的产生，这些都给组 态软件带来了新的市场空间。中国的组态软件市场仍会以较快的速度发展。这将带给这 个市场更加激烈的竞争，然而究竟这个市场如何再划分，对生产供应商及其产品都将是 一个考验，而以下几个方面会是非常重要的因素。 1 前期投资市场投入包括各种广告、宣传、展示、交流等。有些很不错的组态软 件产品，在技术性能和功能指标上富有特色或处于领先，但就是因为市场投入力度不够， 而不易为用户熟知和接受，甚至可能被淘汰出局。 大连理工大学硕士学位论文 2 技术自动控制集成系统技术的完善和技术人员使用组态软件水平的不断提高， 用户对组态软件的要求也从过去注重画面，转移到考虑实质软件的实质性能，并且要求 组态操作更加简便易行。 3 市场价格组态软件产品要在中国市场立足，价格是非常重要的因素之一。进口 组态软件产品的价格相对较高，但国外开发软件的成本也很高，降价决非易事，这就为 国产化组态软件提供了机会。总之，组态软件在中国市场价格的定位，对产品的市场占 有率影响巨大。 4 售后服务组态软件技术含量高，只有为用户提供好的支持与服务的产品及供应 商，才能坐稳市场。国产组态软件由于商品化程度相对比较低，售前售后的技术支持与 服务的难度会大一些，这就使国产组态软件需要加强软件开发的组织管理实施，提高商 品化程度，在此基础上为用户提供好的服务。 组态软件的市场竞争对用户来讲无疑增加了选择的机会，在相同条件下，更容易寻 求到技术领先，性价比高，服务周到的产品和供应商。可以预见，组态软件在中国的推 广，将促使我国工业自动控制技术的应用不断提高。 2 2 “组态王”软件简介 “组态王”是北京亚控科技发展限公司开发的用于快速构造和生成计算机监控系统 的组态工控软件，能够在w i n d o w s 平台上运行，功能强大，使用方便：并且能够通过对 现场数据的采集处理，以动画显示报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输 出等多种方式，向用户提供解决实际工程问题的方案。其主要功能为： 1 、具有强大的动画功能，充分运用了填充色连接、位置连接、按键连接等，使得 显示的图形元素更具“活力”。 2 、提供了丰富的图库和友善的图形编辑功能，使显示丰富多彩，格式新颖。 3 、具有二次开发的后台语言。该语言简单易学、直观实用、满足工控软件开发的 需要。 2 2 1 “组态王”的特点 “组态王”是一种监控和数据采集系统软件。它是在自动控制系统监控层一级的软 件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发 界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的 各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 产品，与高可靠的工控计算机和 网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成“”。 p l c 编程控制与仿真调试教学系统 “组态王”具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等明显优点。 并具有以下特点： 1 工程管理用户集中管理本机上的所有“组态王”工程。 2 画面制作系统支持无限色和过渡色，使用图库，支持按钮的多种形状和多种效 果，可视化动画连接向导。 3 报表系统提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数， 用户可创建多样的报表。 4 报警和事件系统分布式报警管理提供多种报警管理功能 5 控件支持w i n d o w s 标准的a c t i v ex 控件( 主要为可视控件) ，包括m i c r o s o f t 提供的标准a c t i v ex 控件和用户自制的a c t i v ex 控件。 6 o p c 全面支持o p c 标准，开发人员可以从任何一个o p c 服务器直接获取动态数 据，并集成到“组态王”中；同时“组态王”作为o p