（农业机械化工程专业论文）ppi协议的监控研究.pdf

摘要 p p i 协议的监控研究 农业机械化工程专业硕士研究生卢志俊 指导教师袁可副教授 摘要 在工业测控领域内，可编程序控制器( p l c ) 发展极为迅速，应用面极广，以微处理器为 核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、 使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点。已在工业控制的领域得 到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。触摸屏作为一种人机界面友 好、组态编程便捷灵活的人机交互设备，正好弥补了p l c 在人机交互方面的不足，它能发挥 出p l c 更多的潜能，使得整个测控系统更加便于工况监视和操作，本文给出简要的设计要点。 在工业测控方案中，s 7 2 0 0p l c 主要应用于小型的工程项目以及一些个人的应用。西门 子s 7 - 2 0 0p l c 之间或者p l c 与p c 之间通信有很多种方式：自由口方式，p p i 方式，m p i 方 式，p r 0 胁u s 方式。使用自由口方式进行编程时，在上位机和p l c 中都要编写数据通信程序； 使用p p i 协议进行通信时，p l c 可以不用编程，而且可读写所有数据区，快捷方便，同时可 以在p l c 运行时在线监视p l c 中的数据。但是，西门子公司并没有公布p p i 协议，用户如果 想使用p p i 协议监控，必须购买其监控产品或第三方厂家的组态软件，这样给用户自主开发带 来一定困难，特别是自行开发的现场设备就不能通过p p l 协议接入p l c ；其它通讯方式编程 也存在编程复杂，需要购买软件和授权等局限性，导致其成本极大的提高而限制其使用。 本文通过用p p l 协议组建的上位机监控系统的实现。做了以下几方面的工作： ( 1 ) 用触摸屏代替上位机实现控制功能。 ( 2 ) 对p l c 工业控制系统的基本结构、p l c 基本控制理论和架构、p l c 工业控制系统 的基本方法以及个人计算机与s 7 2 0 0p l c 的通信方法进行研究，达到指导和实现把个人计算 机建设成为p l c 工业控制系统的超级终端的目的。 ( 3 ) 研究用v b 作为编程上具编写p l c 工业控制系统超级终端的通讯控制软件的核心方 法，达到编制通用p l c _ 1 ：业控制通讯软件的目的。 ( 4 ) 本文以散装水泥装车监控系统的开发为例，对原来装车系统的结构、工作原理及控 制系统进行研究，了解所需监视的参数和其实际意义、监控所要达到的目的、以及构建监控 的硬件系统。 ( 5 ) 完成了s 7 - 2 0 0 p l c 与上位计算机的通信设计，并编写p l c 的用户协议，用v b 编写 i 西南人学硕士学位论文 计算机通信程序以及监控程序和人机界面设计。 结果表明，基于p p i 协议的p l c 上位机监控系统的实现方案，可以完全满足现有工业控 制的需求和性价比的优化，并最终在实际工程实践中得到了应用。 关键词：p p i 协议p l c 触摸屏组态软件监控 n a b s t r a c t a b s 仃a c t 1 n h ep l cd e v e l 叩se x 仃e m e l yr a p i d l y 锄di sa p p l i e de x 能m e l yw i d e l yi ni n d u s 仃y0 _ b s e r v a t i o n 柚dc o n n 0 ld o m a i l l ，w h i c ht a l 【e st l l en l i c r o p r o c e s s o r 弱t 1 1 ec o 陀，锄di tt a l ( e st l l ec o l l e c t i o no f m i 啪c o m p u t e rt e c l l l l o l o g y ，t 1 1 ea u t o m a t e dt e c h n o l o g y ，t l l ec o m m u n i c a t i o nt e c l l l l o l o g yt o g e t l l e r 硒a g e n e r a li n d u s n yc o n 臼o ld e v i c e i te m b o d i e sm 肌yc h a r a c t 喇s t i c s ，s u c h 弱v e r 妇t i l ei np e r f 0 肌a n c e ， e 骶yt oo p e m t e ，e 舔yt om a i l l t a i n ，a n dw i ms 仃o n gv e r s a t i l i t y ，9 0 0 dr e l i a b i l 时锄d 忍t i ob e 咐e e l l p e r f o r m a n c ea 1 1 dp d c e i th a so b t a i n e da ne x 仃e m e l yw i d e s p r e a da p i p l i c a t i o ni ni n d u s 仃yc o n 仃o l d o m a i n ，a 1 1 db e c o m e sau s e 如lt 0 0 li nt l l ei i l d u s t r i a la u t o m a t i o n t o u c h s c r e e l l 雒ak i n do f m 锄一l n a c h i n ei n t e r a c t i v ee q u i p m e i l ti sn o to n l yc o n v e n i e n ta n dn i m b l ef o rt h ec o n f i 舒l r a t i o n p r o g r a m m i n g ，b u ta i s op r o v i d e sa 衔e n d l yh u m 锄- m a c h i n ei n t e a c ec o n t a c t b o mo fm 锄h a p p e nt o m a l ( eu pp l c si i l s u 伍c i e n c yi nt 1 1 em 孤一m a c h i l l e 矾e m c t i v e 猫p e c t ，d i s p l a yi t sm o r ep o t e n t i a l ，c a u s e t l l ee n t i r c0 b s e n ，a t i a 1 1 dc o n 仃o ls y s t e mt ob ee v e n 删) r ea d v a l l t a g e o u sf o rt l l eo p e 仡t i n gm o d e s u e i l l a i l c e 孤dt l l e 叩e r a t i o n t h i sa n i c l ep 州u c e sm e 确e f d e s i g nm a i np o i i l t 1 1 1t 1 1 e i n d u s 仃yo b s e n ，a t i o na i l dc o n 仃o lp l 锄，s 7 2 0 0p l cm i n l yi s 印p l i e dt ot h es m a n e n 百n e e r i n gp r o j e c t 觞w e n 邪s o m ei i l d i v i d u a la p p l i c a t i o n s t h ec o r r e s p ) n d e n c eb e t w e e nf a n d p l ch 勰m a i l yw a y s ：f r e ep o r tw a y ，p p lw a y ，m p lw a y 锄dp m 胁u sw a y 、h e nw eu s e p r o 铲a 蚴i n gi nt h ef b ep o r tw a y w es h o u l dc o m p i l et 1 1 ed a t ac o l t m n i c a t i o np r o c e d u r ei nb o t h p l c 柏dp c w h e nw eu s ep r 0 伊甜n m i n gi nt 1 1 ep p lw a y ，a l t l l o u g hw ed on o th a v et oc o m p i l et 1 1 e d a t ac o m m 岫i c a t i o np r o c e d u 陀i np l c ，i tc 锄r e a do r 、埘t ca i l yd a t ab l o c k ，w h i c hi sv e 叮q u i c k 锄d c o n v e i l i e n t s i m u l t a i l e o u s l yw em a y m o 血t o rt l ed a t ai np l cw h e nt h ep l ci sr u n n i l l g b u tt h ep p i p r o t o c o lc 锄o tb ek n o w n 矗的ms i e m e n s t h e ni ft 1 1 eu s e rw 觚t st o u s et 1 1 ep p ip r o t o c o lf o r m o i l i t o r i n g ，h em u s tp u r c h a s ei t sm o i l i t o r i l l gp r o d u c t0 rt l l i r dp a n yf a c t o d ，c o n f i g u r a t i o ns o f h v a r e t h a tc e r t a i n l yb r i n g ss o m ed i m c u l t i e st ot l l eu 鸵r sw h od e v e l o pi n d e p e n d e n n y ，e s p e c i a l l yt 1 1 e s e e n ee q u i p m e n t st l l a ta r ev o l u n t 撕l yd e v e l 叩e dc 锄o tc o n m ) lo np l cv i at 1 1 ep p ip r o t o c 0 1 o m e rc o m m u l l i c a t i o nw a yp r o g r a m m i n ga l s o1 1 a s 山el i m i t a t i o n so fp r o g 豫m m i i l gc o m p l e x ， n e e d i n gt op u r c h a s es 0 胁a r ea n d 锄t l l o z a t i o n 孤ds o0 n ，w h i c hc a u s et l l ec o s tt 0 访c 陀豁es o o 肋0 驱l yt h a tt 1 1 e yl i m i ti t su s e 1 1 l 】r o u 曲m er e a l i z a t i o no fu s i i l gp p ip r o t o c o li l is e t t ：i 1 1 9u pp cs u p e r v i s o 哆s y s t e m ，t h ep r e s e n t p a p e ：rl l a sa c h i e v e dt l l ef o l l o w i n g 硒p e c t s ： ( 1 ) nh 弱r e a l i z e dm er e p l a c e m e n to f t l l ec 臼o ls y s t e mw i t l lt h ep ca st o u c h s c r e e n ( 2 ) b 戤d o nt l l er e s e a r c ho ft i l eb 瓠i cs t r u c t u r eo fp l ci n d u s 时c o n 仃0 ls y s t e r i l t 1 1 eb a s i cc o n 仃0 l t i l c o 叫 o fp l c ，t 1 1 ee s s 饥t i a lm e m o do fc o n s t n j c t i p l ci n d u s 仃yc o n 仃0 l s y s t e m锄d i i l 两南大学硕士学位论文 c o n 蚰u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e np ca n dp l c ，t h ep a p e ra i m sa ta c h i e v i n gt h eg o a lo f i n s t n l c t i n ga n d r e a l i z i n gt l l ec o n s t m c t i o no ft h ep ci n t ot l l ep l ci n d u s t 巧c o n t r o ls y s t e mt 1 1 es u p 盯t e m _ l i l l a l ( 3 ) t h r o u g ht h ev bp m g r a m m i n gt o o l ， t l l er e s e a r c h c o m p i l e s 廿1 ec o r e p r o g r a mp l c c o m m u n i c a t i o ni 1 1 d i l s 蚵c o n 昀ls y s t e ms u p e rt c n i l i i l a l ，a n da c h i e v e s 位9 0 a lo fe 虹b l i s h i i l gg e l l e m l p l ci i l d u s t 呵c o n t r o lc o m m u l l i c a t i o ns o r w a r e ( 4 ) t a l 【i n gt 1 1 es u p e r v i s o r ys y s t e mo fb u l kc e m e n t 私锄e x a m p l e ，a i l do nt l l eb 蕊i so ft 1 1 e r e s e a r c ho ft l l es m j c t u r eo f 硎g i i l a l l yl o a d ss y s t e m ，m ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt l l ec o n 仃ds y s t e m ，t l l i s a n i c l eu n d e r s 咖d st 1 1 el n o n i t o rp 猢e t e ra 1 1 di s p r a c t i c a ls i 倒f i c a l l c e ，t h eg o a lo fs u p e r 订s o 巧 s y s t e m ，醐dc o n s 咖c t st 1 1 em o i l i t o 血gh a r d w a r es y s t e m ( 5 ) n1 1 a sc o m p l e t e dc o 玎e s l 瑚d 明c ed e s i 盟o fs 7 2 0 0 p l c 锄dp c ，锄dc o 即i l e sp l ct h e 璐e r p r o t o c o l ，c o m p i l e st h ec o m p u t e i c o m ：s p o n d e n c ep r o g m m 笛w e u 舔t l 圮m o i l i t o rr o u t i i 碍a n dt h e m a i l n m c h i l l ec o n t a c ts u m c ed e s i g nw i t l lv b a sar e s u l t ，i ts h o w st h a tt l l er c a l i z a t i o np 1 锄o fp l co nt 1 1 ep cs l j p e r v i s o 巧s y s t e i i l w l l i c hi s b a s e do np p ia g r e e m e n t ，m a yc o m p l e t e l ys a t i s f yt 1 1 ed e m 孤do fm ee x i s t i n gi n d u s 缸yc o n n o l 锄d 也e 0 p t i m i z a t i o no fm ec o s tp e 响肿觚c e ，狮df m a l l yo b t a i l l s l er e a l i z a t i o ni nt l l ea c t u a lp 喇e c tp m c 石c e k e y w o r d s ：p p ip r o t o c o l p l ct o u c h s c r e e n c o n f i g u r a t i o ns o 脚撇 s u p e n ，i s o 巧c o n t r o l l v 独创性声明 学位论文题目：里! 迹这鲍鳖控盟究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 标注。 学位论文作者：眵志i 理 签字日期： 妒年，月矛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：多面。後 签字日期：伊年f 月弓日 导师签名： 签字日期：槲年厂月莎日 绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着计算机技术、微电子技术、单片机技术的发展以及工业控制规模的日益扩大，工业 监控系统发展成为以计算机为基础，完成对工业网络的监控1 1 1 。 ( 1 ) 国外研究和发展现状 在西方工业控制行业仍在不断发展，主要是由于i t 技术、电子技术的发展，导致计算机 监控技术的智能化、多功能化和自动化程度进一步提高。计算机监控技术作为自动控制技术 的一个重要分支，在2 0 世纪9 0 年代，国外一些发达国家，例如美国、德国己经进入快速发 展的阶段2 1 。 目前国外对于工业监控系统的开发处于比较成熟的阶段，一些大公司已经开发出适合专 用和普通用户的监控系统软件( 组态软件) 3 1 。专用的组态软件主要是由一些集散控制系统厂商 和p l c 厂商专为自己的系统开发的，比如德国西门子公司s i e m e 璐的w i nc c 就是针对它们 的p l c 进行组态监控的软件，还有h o n e y w e u 公司的组态软件、g e 公司的c i m p l i c 时等等【4 】o 通用的组态软件并非针对某一类特定的系统，我们可以根据需要选择适合的软件和硬件来构 成自己的计算机监控系统。比如美国m 公司的k 1 0 k o u t 组态软件就可以对工业一般的控制对 象进行实时监控。 ( 2 ) 国内研究和发展现状 在我国，计算机监控技术的发展主要是从七十年代才开始的。自2 0 世纪8 0 年代以来， 随着现代电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术、机电一体化技术等先进技术的快 速发展，计算机监控系统也得到前所朱有的发展。相继有些大型知名公司已经开发出一些 监控系统软件，方便用户使用。比如：北京亚控科技有限公司的组态王【5 1 、北京华富惠通技术 有限公司的开物2 0 0 0 、三维有限公司的力控系统软件、北京杰控科技有限公司的f a m ev i e w 等【们。 1 2 选题的意义 西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率。p l c 广泛应用于桑田的节水灌 溉，可构建无人管理和定时、定点、定量灌溉，也可应用于温室温度控制系统，精确农业智 能体系结构和：锚水灌溉工程，利用大气、土壤、作物水分运动转移理论和农田水分调度原理， 根据作物的需水规律和灌溉制度，准确、科学地预报作物的最佳灌水时间的灌水量，并自动 控制喷灌设备完成实时调控灌溉，实现作物生育期内水分的全自动调控【7 1 。其中s 7 2 0 0 p l c 主要应朋于小型的工程项目以及一些个人的应用。 在基于p l c 的计算机监控系统中，计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行整 l 西南大学硕士学位论文 个系统的监控和管理；而p l c 作为下位机，执行可靠有效的分散控制。计算机与p l c ， p l c 与p l c 之间通过通信网络实现信息的传送和交换。所有的现场控制都是由p l c 来完成的，上 位机只作为程序编制、参数设定和修改、数据采集所用。因此，即使是上位机出现了故障， 也不会影响生产过程的正常进行，这就大大地提高了系统的可靠性。 西门子s 7 2 0 0p l c 之间或者p l c 与p c 之间通信有很多种方式：自由口方式，p p i 方式， m p l 方式，p r o 肺u s 方式。使用自由口方式进行编程时，在上位机和p l c 中都要编写数据通 信程序；使用p p i 协议进行通信时，p l c 可以不用编程，而且可读写所有数据区，快捷方便。 但是，西门子公司没有公布p p i 协议的格式。触摸屏进行监控，可靠性高，监控实现容易，触 摸屏与p l c 之间的通信问题生产厂商己处理好，用户不用考虑通信问题，可以大大缩短工程 周期。但灵活性一般功能有限，不能满足复杂控制系统的监控要求，而且价格高。基于以 上困难，我们可以利用p p l 协议直接对p l c 进行数据的读写操作而无需编写p l c 程序，同时 可以在p l c 运行时在先监视p l c 中的数据。用户如果想使用p p i 协议监控，必须购买其监控 产品或第三方厂家的组态软件。这样给用户自主开发带来一定困难，特别是自行开发的现场 设备就不能通过p p i 协议接入p l c 。其它通讯方式编程也存在编程复杂，需要购买软件和授 权等局限性钉，导致其成本极大的提高而限制其使用，同时很多需要用到s 7 3 0 0 系列的工程 完全有可能被s 7 - 2 0 0 替代。 基于以上考虑，在系统资金投资有限、技术人员水平较高的情况下可以采用此方法。在 系统可靠性要求高、工期短的情况下可以采用此方法。 本文按照裂9 1 等人分析得的p p i 协议，用北京亚控科技有限公司的组态软件k 烈g v i e w 进行逐个的验证，并分析整理p p i 协议的关键报文格式，使得其能用于上位机、现场设备与 s 7 2 0 0c p u 之间通讯，满足用于小型工程的成本要求，并给出应用于水泥厂散装水泥装车系 统的具体案例。 1 3 主要研究内容 1 3 1 研究目标 基于对散装水泥装车系统实际运行状况的分析与国内外研究的状况的了解，我们确定了 本课题主要研究目标与内容：通过用p p i 协议组建的上位机监控系统与用触摸屏组态构建的控 制系统各自实现以及它们之间的比较，选择出综合监控成效比较合算、合理、实际的工业实 现应用方案。应用这种方法，通过实验室实验和工业现场调试，达到对散装水泥装车系统的 自动控制，从而为实现工业现场水泥装车自动化提供了更有实用价值的技术方案和技术路线。 1 3 2 主要研究内容 1 理论部分 ( 1 ) 用触摸屏代替上位机来实现控制功能。 2 绪论 ( 2 ) 对p l ct 业控制系统的基本结构、p l c 基本控制理论和架构p l c 工业控制系统的 基本方法以及个人计算机与s 7 2 0 0p l c 的通信方法进行研究，达到指导和实现把个人计算机 建设成为p l c 工业控制系统的超级终端的目的。 ( 3 ) 研究用v b 作为编程工具编写p l c 工业控制系统超级终端的通讯控制软件的核心方 法，达到编制p l c 工业控制通讯软件的目的。 2 实践部分 ( 1 ) 本文以散装水泥装车监控系统的开发为例，对原来装车系统的结构、工作原理及控 制系统进行研究，了解所需监视的参数和其实际意义、监控所要达到的目的以及构建监控的 硬件系统。 ( 2 ) 完成了s 7 2 0 0 p l c 与上位计算机的通信设计，并编写p l c 的用户协议，用编写 计算机通信协议以及监控程序和人机界面设计。 1 3 3 研究方法 本研究主要是在已有p l c 控制系统和触摸屏控制系统的基础上，对控制系统的其他各方 面因素进行综合考虑，并探索将其与实际工程应用相结合，用p l c 的未公布的协议对整套监 控系统进行设计。采用如下方法进行研究： ( 1 ) 在实验基础上，对p p i 协议进行分析验证。 ( 2 ) 通过实验对上位机软件的编制进行调试。 ( 3 ) 提出触摸屏用于实际监控系统的技术方案。 ( 4 ) 结合触摸屏用于实际监控系统的技术方案，给出将p p i 协议用于散装水泥装车监控 系统的技术方案并编写程序用以验证研究方法的可行性。 1 4 本文的组织结构 本论文详细的解释了p l c 的概念、特性、应用状况以及组态软件的相关知识，设计出触 摸屏设计方案的及其软件设计，以及p p i 协议控制的设计方案的硬件和软件设计部分，并对实 际工业控制过程中可能遇见的干扰等问题提出有效的相关的抗干扰解决方案。全文共分六章： 第1 章绪论主要介绍基于p p l 协议的p l c 监控方案研究的背景、选题的意义、主要研究 目标及内容、研究方法以及本文组织结构。 第2 章p l c 控制系统理论基础主要通过分析p l c 和组态软件产品的特点、发展和现状， 组态软件的发展和现状，工控方案中触摸屏的种类。在此章的最后给出比较流行的触摸屏监 控方案的设计与实现，以提供对p p i 协议监控方案的横向比较。 第3 章分析验证p l c 控制的关键技术p p i 协议，并给出具体的p p i 协议的具体报文格式 3 西南大学硕士学位论文 和内容。 第4 章根据分析得的p p i 协议设计出p l c 监控系统的方案，并事先假设出控制现场可能 遇到的问题和解决方法，给出必须的抗干扰设计及检错方法，最后给出此方案的小结。 第5 章系统实验及测试，本文先给出一个对p p i 协议监控方案的测试平台，并对系统的 硬件和软件进行相应的功能模块测试和最终的交付客户使用的实践测试。 第6 章总结和展望。 4 p l c 控制系统理论 第2 章p l c 控制系统理论 本章主要介绍了p l c 的发展过程，同时对p l c 的概念、特点，趋势作了描述，以及相 关工业控制实践过程中要用到的组态软件、触摸屏和实践过程中的装车系统的流程图进行了 介绍。最后提出本研究课题所要解决的问题。 2 1p l c 的历史及发展 在p l c 诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制装置。继 电器、接触器是一些电磁开关。其结构是由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。其中触 点是接通或断开电路的部件，依励磁线圈通电前的状态又可分为常开和常闭两种类型。线圈 通电前呈断开状态的为常开触点，呈接通状态的为常闭触点。同一只接触器或继电器常有多 对常开、常闭触点。当励磁线圈通电，衔铁在磁力作用下被铁心吸合时，常开触点接通，常 闭触点断开，以完成电路连接的切换。触点又分为主触点及辅助触点。用于主回路，控制较 大电流的触点是主触点。用于控制电路，只能通过较小电流的触点称为辅助触点。通过继电 器接触器及其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现生产设备的各种 操作控制。人们将由导线连接决定器件间逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。 随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出 来i 协1 4 】。首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接得密如 蛛网，只要有一个继电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大降低了这种 接线逻辑系统的可靠性【l5 l ：其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造，当试 图改变工作设备的工作过程以改善设备的功能时，人们宁愿从新生产一套控制设备也都不愿 意将继电器控制柜中的线路重接。而在2 0 世纪6 0 7 0 年代，社会的进步要求制造业生产出 小批量、多品种、多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要，不断地提出改善生产机 械功能的要求。加上当时电子技术已经有了一定的发展。于是人们开始寻求一种以存储逻辑 代替接线逻辑的新型工业控制设备，这就是p l c 。 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的【1 6 1 ，限于当时的元件 条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简 单的逻辑控制及定时、计数功制 1 。2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可 编程控制器，使p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业 控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继 电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继 电器命名。冈而人们称可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 2 0 世纪7 0 年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编 5 西南大学硕士学位论文 程控制器中，使其功能发生了飞跃。它具有更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的：i ：业 抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。2 0 世纪 8 0 年代初，可编程控制器在先进r t 业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编 程控制器的诞生地美国，权威情报机构1 9 8 2 年统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业 厂家占美国重点工业行业厂家总数的8 2 ，可编程控制器的应用已位于众多的工业自控设备 之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志 着可编程控制器已步入成熟阶段。 这个阶段的另一特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多 可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。如美国r o c k w e 玎自动化公司所属的a b ( a l l e n b i - a d l e y ) 公司、g e f a 肿c 公司、日本的三菱公司和立石公司、德国的西门子( s i 锄e i l s ) 公司、法国的t e ( t e l e m e c 觚i q u e ) 公司等。他们的产品已风行全世界，成为各国工业控制领域 中的著名品牌。 2 0 世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来 说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单 元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了 各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前， 可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足 的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进 设备中大量使用了可编程控制器，接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了p l c 的 应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的c f 系 列、杭州机床电器厂生产的d k k 及d 系列、大连组合机床研究所生产的s 系列、苏州电子计 算机厂生产的y z 系列等多种产品已具备了一定规模并在工业产品中获得了应用，此外无锡华 光公司、上海香岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的可编程控制器生产厂家。 2 1 1p l c 的定义 可编程控制器( p r o g r a m m o b l ec o n t r o l e r ) 简称p c ，个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 也简称p c ，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做p l c 。 在1 9 8 7 年颁布的p l c 标准草案中对p l c 作了如下定义f 1 8 】： p l c 是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置，它采用可以编制程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的 指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。p l c 及有关 的外围设备都应按照易丁：与工业控制系统形成一个整体易于扩展其功能的原则而设计。 定义中有以下几点值得注意： 6 p l c 控制系统理论 ( 1 ) 可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，它其中带有“可以编制程序的存储 器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算”等工作。可以设想可编程 控制器具有计算机的基本特征，事实上，可编程控制器无论从内部构造、功能及工作原理上 看都是不折不扣的计算机。 ( 2 ) 可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。工业环境和一般的加工环 境有较大的区别，p l c 具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化 剧烈的环境下正常工作。为了能控制“机械或生产过程”它又要能“易与工业控制系统形成 一个整体”。这些都是个人计算机不能做到的。可编程控制器不是普通的计算机，它是一种 工业现场用计算机。 ( 3 ) 可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。它易于扩展其功能，它 的程序并不是不变的，而是根据控制对象的不同要求，让使用者可以编制程序。也就是说， 可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性。它 可以方便地应用在各种场合，它是一种通用的工业控制计算机。 2 1 2p l c 的特点 。 ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强【协2 4 】 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代化大规模集成电路技术，采用 严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的抗干扰性。 ( 2 ) 配套齐全，功能完善，适应性强 p l c 发展到今天，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工 业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数 字控制领域。近年来，p l c 功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度控制等各种 工业控制中，加上p l c 通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使p l c 组成各种系统非常容 易。 ( 3 ) 易学易用，深受工程人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的下控设备。它接口容易，编程语言易 于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相接近，只用p l c 少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路功能。为不熟悉电子电路、不懂计算 机原理和汇编语言的人使用计算机从事j l ：业控制打开了方便之门f 拴2 6 1 。 ( 4 ) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，人大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建 造的周期大人缩短了。同时，维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备通过改变程序改 变生产过程成为可能。 ( 5 ) 体积小，重量轻，能耗低 7 西南大学硕士学位论文 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小丁1 0 m m 见方，重量小于1 5 0 9 ，功耗仅 数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 2 1 3p l c 应用状况 p l c 应用范围相当广泛。 ( 1 ) 开关量的逻辑控制 p l c 的最基本的控制功能是实现开关量逻辑控制。所控制的逻辑可以是时序、组合、延 时、计数、不计数等。控制的输入、输出点数可以不受限制。少则十点、几十点，多则成千 上万点，并可通过联网来实现控制。用p l c 进行开关量控制主要用于冶金、机械、纺织、轻 工、化工等领域。 ( 2 ) 模拟量的闭环控制 p l c 具有d 、d a 转换及算术运算等功能，可以实现模拟量控制。同时p l c 还具有p i d 控制或模糊控制的功能。因此，p l c 可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。 ( 3 ) 数字量的智能控制 利用p l c 可接收和输出高速脉冲功能，配备相应的传感器( 如旋转编码器) 或脉冲伺服装 置( 如环形分配器、功放、步进电机等) 可以实现数字量的智能控制。有的p l c 还具有较高级 的位置控制单元模块、运动单元模块等，主要用来实现曲线插补一些p l c 运动单元，可以 识别数控技术的编程语言，为进行数字量控制提供了方便。 ( 4 ) 数据采集与监控 p l c 对控制现场进行数据实时显示或采集保存，可随时观察采集下来的数据及统计分析 结果。有的p l c 本身就具有数据记录单元( 如o m r o n 公司的c 2 0 0 h a ) ，可将便携式计算机 存储卡插入该单元，保存采集到的数据。 利用p l c 自检信号多的特点实现自诊断式的监控，减少系统的故障，提高累计平均无故 障运行时间，同时可减少故障修复时间，提高系统可靠性。 ( 5 ) 通信、联网及集散控制( t d c s ) p l c 通信联网能力很强，除了p l c 与p l c 之间通信和联网之外，p l c 还可与计算机进行 通信和联网，利用计算机对其进行编程和管理；p l c 可与智能仪表、执行装置( 如变频器等) 进行通信和联网，互相交换数据并实施对其的控制。利用p l c 强大的通信联网功能，把p l c 分布到工业控制现场，并实现各站间、上下层间通信，达到分散控制、集中管理，即构成了 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n 们ls y s t 锄系统) 。 2 1 4p p i 介绍 p p i ( p o i n tt op o i n ti n t e 怕c e ) 协议是西门子为s 7 2 0 0 系统开发的通讯协议。p p l 通讯协议 是一种主从协议，主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不主动发信息，只是 等待主站的要求和对主站要求做出响应。主站依靠p p i 协议管理的共享连接与从站通讯。在一 8 p l c 控制系统理论 个p p i 通讯网络中，最多有3 2 个主站。 如果在用户程序中使用p p i 主站模式，s 7 2 2 4 p l c 在运行方式时可以作为主站。作为主站 的p l c 可以用网络读写指令来读写另外一个p l c ，也可当作从站响应别的主站的读写要求。 p p i 协议是西门子中小型p l c 控制器产品之间以及p l c 与p c 进行通讯的常用协议。由 于p p i 协议的报文格式不清楚，这给用户直接使用p p i 协议对p l c 进行操作带来了困难，为 了更好地使用p p i 协议，有必要了解西门子p l c 串口通讯机理和p p i 协议的报文构造，本文 第4 章将详细介绍此协议。 2 1 5p l c 发展趋势 随着微处理技术的发展，p l c 技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了工业 生产的广泛需求，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备。为适应大 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，p l c 正朝着体积缩 小、功能增强、速度加快、价格低廉、大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向 发展【2 7 1 。总体发展趋势如下： ( 1 ) c p u 处理速度进一步加快 p l c 的c p u 与计算机的c p u 相比，还处在相当落后的地步，最高级的仅为8 0 4 8 6 。目前 不少厂商正在开发使用6 4 b i t s c 芯片，多c p u 并行处理或分时处理或分任务处理，以及各 种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，以使p l c 的速度达到船级。 ( 2 ) 分散型、智能型、现场总线型及模块化结构 控制和事务的并行处理、分散处理，实现危险的彻底分散，对p l c 的研发提出了新的要 求，以往由大型机处理和控制的系统将由更小型的p l c 来实现，甚至分散到i o 设备上。因 此分散型p l c 的i ，o 子系统和智能型p l c 的i o 子系统得到了较快的发展，系统可实现远程 i o 的就地分散安装，有自诊断功能，可用双绞线与c p u 实现通信。 智能型i o 子系统是以微处理器、数据存储器及程序为基础的模块化的功能部件，执行预 处理、控制、故障检测、冗余输出和通信的功能，而且不依赖于i o 局限，以改善p l c 运行 和扩展的灵活性。 正在发展的现场总线i o ，其与现场设备直接联接，集检测、数据处理、通信和设定、调 试为一体，能在现场完成智能i o 的功能，实现现场控制，且危险分散，增加了系统的自治性 和可靠性。 p l c 硬件和软件普遍采用模块化结构，因此可方便地实现基本系统的局部扩展、远程扩 展以及基本系统的联网，支持多种网络协议。 ( 3 ) 网络通信技术进一步发展 p l c 的发展及其竞争能力与其通信联网能力有十分密切的关系。强化通信能力是p l c 制 造商刻意开拓的领域。将应用对象、p l c 、自动化装置、第三方设备和计算机平台联接起来， 9 两南大学硕士学位论文 组成一个整体的控制系统，将所有控制过程、生产信息迅速、准确和可靠地进行综合。目的 不仅在于p l c 控制系统内部的联网通信，更在于通过i l l t e m e t 能够联接到所希望的任何地方， 从而完成更复杂的控制。 ( 4 ) 过程控制应用 d c s 原用于过程控制，p l c 原用于离散控制，但