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发展历史
之前的PLC工作需要自动化的流程系统,同时依赖于继电器的精确布线,凸轮计时器和定序器来实现逻辑和时序控制。
它的一个最大的缺点是,每次进行面板配置时需要重新布线并且过程繁琐。
PLC中包含很多的逻辑和顺序,它允许我们通过软件的修改来更方便的重新配置方案,从而配置硬件。
随着技术的进步,我们可以观察到越来越多的软件趋势重构系统,如图1,其中软件和固件(专用集成电路)显著增加机电的价值。
图1:
机电一体化系统的演变
PLC和电机控制系统
运动控制是机电一体化系统的最显著应用之一,众多机电一体化系统依赖于运动控制从而能够精确地控制电机和执行器。
运动控制涉及工程的许多方面:
机械,电气,软件和控制工程。
所有这些科目对如何准确,快速,反应给定电机的输入信号起着至关重要的作用。
许多计算机资源对运动控制和运动控制器往往是通过一个孤立的PLC控制器来实现的,其中PLC特别用于离散控制和运动控制,如机床,既包括运动控制器也包括PLC,PLC是负责管理离散输入,如紧急停止,安全传感器,按钮,开关,等无数机电仪器的使用与运动控制。
PLC和运动控制器通常是独立的模块,其中PLC和可用运动控制器有自己单独的硬件和软件。
在这种情况下,PLC和运动控制器是相互独立的,而且必须通过外部I/O模块进行通信。
此外,PLC和运动控制器必须建立通信从而对系统控制器进行监视和控制。
这种控制方法会导致低效率的自动化操作过程,因为需要在额外的硬件控制器之间建立通信,而配置系统也有不足之处,因为该系统需要用于多个控制器的程序如图2所示。
解决这些问题将会减少PLC和运动控制器出现的运行障碍。
图2︰控制系统接口
为了解决PLC和运动控制系统的问题,我们可以将运动控制和PLC合并到一个控制器,将两者结合,使控制器共享相同的内存、信号和标志,因此无需使用额外的资源发送信号之间的控制器,如图3所示。
PLC和运动控制器将克服目前的缺点,并最终降低成本,解决问题。
要集成PLC和运动控制,就要在评估后检查PLC的内部结构。
在检查后再来评估PLC的内部架构是必要的。
图3:
理想的机电一体化控制接口
PLC简介
PLC在离散控制的自动化过程已成为最热门的设备,特别是在制造业。
他们被高度重视的原因是由于他们鲁棒性,易用性和实用性较好。
PLC的操作能力允许它使用在各种各样的湿度过大、温度高和极端的振动等在艰难环境下工作。
工业环境往往涵盖了许多这些苛刻的情况。
凭借内部架构和硬件,PLC可以克服这些艰苦的环境。
硬件
PLC的由三部分组成:
CPU(中央处理单元),I/O模块和电源。
CPU中包括PLC所需的存储器,它可以处理所有逻辑问题。
PLC输入输出模块可以采集传感器信号和控制制动器动作。
电源提供电力给CPU和另一个PLC驱动,如图4所示。
图4:
PLC内部架构
在I/O模块内通常有指定的数字和模拟I/O引脚。
输入引脚连接到设备,例如限位开关,旋转编码器和按钮,而输出管脚连接到马达,螺线管,继电器,以及LED显示器。
该CPU处理所有的由输入模块提供的信息,然后根据该更新的用户程序输出信号。
通常情况下,PLC相对较低运行频率是从10到100赫兹。
特别当要求实现简单的离散控制时,软件工业应用程序通常不会有很高的时钟频率。
PLC的操作简单,他们通过输入信号不断地监视系统应用程序的状态。
它接收来自传感器这些信号,并将它们输入到PLC中的数字或模拟形式。
PLC观察这些信号,并根据该程序逻辑,通过它的输出信号来操纵系统。
下面的流程图说明了PLC的CPU运行周期。
系统执行初始扫描并检查扫描输入之前的内部错误,然后,PLC执行用户程序,并根据程序逻辑不断更新输出(见图5)。
PLC通常运作10到100毫秒,允许保持耐高频振动和粗糙环境扫描时间。
图5:
PLC循环流程图
编程的单位有必要创建把直接用户程序作为PLC程序内存,当进行PLC编程时,必须使用相应制造商的编程软件。
梯形逻辑图是模仿电气电路中的图形语言的最受欢迎的方案,如图6所示。
逻辑是通过软连线电路和定时器模块来实现,它可以说明逻辑是怎样被实施在PLC之前。
而且它是经过重新配置的程序语言,因此要比与物理硬连线系统重新配置容易得多。
图6︰梯形逻辑图
除了梯形图、功能块图和顺序功能图支持PLC的编程标准,IEC-61131-3也广泛应用于工业。
IEC61131-3包含文本的语言,如汇编程序样低级别语言︰指令列表和结构化的文本。
这些语言允许逐行或阶梯顶部到底部的横档的PLC扫描程序的确定执行。
每一行或梯级在一定量的时间执行,通常以毫秒为单位。
而这取决于CPU计时器。
因此,随着程序增加和变得日益复杂,PLC将增加执行时间,减慢扫描速率。
PLC的基本功能
基本的PLC功能包含逻辑、计时、计数,和记忆等,用户可以通过控制面板访问编程语言。
由于PLC的可编程功能它目前非常受认可,它允许使用可重构数字电路执行布尔逻辑。
最初由于用户编程的能力,定时功能用来在给定的时间间隔内延迟、停止和排列信号。
计数函数则用于内部或外部计数信号。
这些函数通常是通过梯形图的功能块实现的。
图7显示了包含输入的开关触发计时器的梯形图。
编程软件允许配置一个特定计时器功能,其中用户可以设置一个规定的时间。
图7:
定时器功能梯形图
计数器功能操作类似于定时器。
计数器功能块允许用户发送数据到中间计数器之前配置计数。
此函数用于来自外部的传感器、内部信号的计数事件。
然而,实现逻辑自然为Plc的梯形图。
它连接的是布线布尔逻辑操作数,如:
AND,OR,NAND,NOR,XOR,和NOT。
所有的这些功能被离散过程控制工作集成在一起。
PLC的功能设计
PLC有几个使它们独特而至关重要的属性,这些属性包括PLC的设计。
PLC需要10-100毫秒扫描时间,这意味着它们根据输入在该范围内更新输出。
这些扫描速率可以通过IMS-MORPH系统中断驱动,其中定时器中断,可设置以执行每隔一定的时间间隔来实现。
IMS-MORPH动作控制器以每20毫秒的时间间隔运行。
PLC的引擎配置对应于50Hz的扫描速度,典型PLC并在中间范围内以20毫秒的扫描速率在相同时间间隔运行。
定时器中断系统上的16位定时器运行。
该定时器需要一个模式规范、一个使能和一开始。
此外,该定时器需要一个用于指定时间的初始值执行间隔中断。
跳跃地址指定PLC在实时系统中要执行的发动机的位置。
如图13:
图13:
定时器设置
当计时器中断跳出FTS的执行和垃圾转运站,FTS保存跳转之前执行的位置及执行一套关于定时器中断的位置。
RTS中的执行完成后,系统将继续在FTS离开的位置执行如图14所示。
图14:
FTS和RTS定时器中断
正如以前提到的这些函数都是采用Plc,PLC其它属性的基本功能有:
逻辑、定时、计数。
为了实现这些基本功能,这些功能的详细的设计是必要的。
定时器功能:
定时器功能被用于延迟和测序的致动器、指标和内部/外部信号。
RTS计时器会在每隔20毫秒执行PLC的功能。
由于此计时器中断可以创建一个称为柜台的软定时器。
计数器每隔20毫秒递增,可以用来计算时间的定时器功能。
此外,用户将输入和输出、开始、时间和计时器送入ACS。
ACS将设置输入的变量和设置必要的计算用到PLC发动机。
然后用户将标记计时器指定到达的时间。
在图15中我们可以看到模块PGS和ACS,模块PGS和ACS交互与PLC的引擎,PGS和ACS与使用共享的FTS/RTS内存PLC引擎进行交互。
图15︰计时器功能流程图
计数器功能:
计数器功能运作类似于两个输入指定位置的定时功能、刺激变量和计数数字输入(见图16)。
刺激变量是变量或将被计算在内的地址,这种地址或变量可能关联按钮、指示灯或一把钥匙。
计数是之前溢出计数限制。
此函数的输出是一个计数器标志,只要计数器溢出一旦激活,就会通知用户达到了计数限制。
图16︰计数器功能流程图
逻辑函数:
布尔逻辑是PLC的主要功能之一。
通常用于编程Plc梯形图的创建,为了视觉上强调逻辑。
在这种情况下学生将使用C语言的逻辑实现。
然而,这种PLC的逻辑功能将模拟常规Plc的逻辑。
图17,用户将在其中定义的逻辑类型提出了逻辑流(与、或、NOR,和XOR)、变量输入和逻辑标志。
加勒比国家联盟将这一信息处理,并将其存储在共享的FTS/RTS内存中。
这是在垃圾转运站可以采取信息及PLC引擎模块对其进行处理。
图17︰逻辑功能流程图
IMS-MORPHPLC和运动控制集成:
所有的PLC功能具有相同类型的格式,用户定义的变量和函数在PGS指定,ACS是用来处理用户定义的变量设置和执行PLC引擎模块。
前一节中已经了一个PLC系统设计,将被实施到IMS的MORPH板。
IMS的变形体板目前已经能进行运动控制,用于教授学生。
现在,这是必不可少的运动控制器和PLC集成。
由于PLC和运动控制器都是由中断驱动的,中断层次可以被用于允许两个系统同步工作。
如果他们两人都在同一时间进行设置,该中断层次优先一个中断,而不是其他的中断。
由于PLC被用于安全检查,这是至关重要的定时器中断驱动PLC在运动控制定时器中断的优先级。
在工业上,PLC的通常与紧急停止,安全检查,系统监控,等等相关联。
因此,重要的在PLC在运动控制器优先中断。
此外,FTS执行时RTS不活跃或中断不被执行。
由于在FTS的任务不是最关键的,FTS系统的至少优先权,如图18。
图18:
中断层次
因为PLC主要用于离散事件控制,处理输入和打开或关闭输出,可能的是所有在当前的运动控制器的离散事件被传递到PLC
PLC编程简介
有迹象表明,指定使用的PLC编程几种语言中IEC作为标准的PLC编程。
PLC的编程通常用梯形图,因为电工和技术人员很容易按照逻辑图形的语言。
通过PLC的图形,用户界面(GUI)是通常是梯形图编程。
用户可以在适当的位置拖动输入和输出,然后使它们之间的连接,这是逻辑是如何实现的。
输入可以启动定时器还可以通过定时和计数功能分别计算。
然后,该图形语言被转换为机器语言用PLC微处理器执行。
然而,使用的学生已经熟悉的脚本语言,如:
C和BASIC文本类型的语言,将是有利的。
因为它往往是难以学习新的编程语言,对于已经很熟悉PLC编程语言的学生这将是理想的使用。
另外,作为PLC应用技术上的进步,PLC只需要更灵活的编程方法,而不是典型的PLC梯形图语言。
机电一体化产业为离散控制,如运动控制器开发人员和机床行业逐步转向使用文本类型的语言[9]。
这种编程语言,也可以在任何文本编辑器创建和快速执行的梯形逻辑。
因此被用于PLC。
编程的文本语言所需要的PLC的基本功能有:
逻辑,定时,及数量。
这种可用于学生的编程语言的实施将需要这些功能。
定时器功能编程
定时器功能被用于时间控制,特别是测序和延迟离散输出。
所有函数都需要投入。
因此,模拟传统的PLC定时功能需要两个输入:
开始和时间变量。
启动变量由用户定义,并对应于一个信号的触发到PLC,诸如:
开关、按钮、按键或信号,其中可以是内部或外部。
时间变量也是用户定义的变量声明计时器所需的时间。
这些是仅有两个输入的定时器功能。
然而,输出也被称为基本定时器标志。
此定时器标志的是定时器功能的结果,并且包含离散信号指示,如果定时器已经达到所需的时间。
此定时器标志可以关联一个LED驱动器,或尽可能多的PLC应用经常这样做。
下面是定时功能如何可以在C语言中声明的例子。
计数器功能编程
计数功能是用来计数可编程控制器内部或外部发生的事件和操作,类似于定时器功能。
计数功能需要两个输入;
变量和计数的数目。
变量由用户定义的,并且与要被计数的一个信号相关联。
这个信号可以由一个按钮、开关、按键来提供,或者从一个传感器。
计数变量的计数器标志接通之前发生事件的期望数量。
此函数的输出是必要的,以获得当计数器已达到溢出的结果。
ABSTRACT
Educatingstudentsinprogrammablelogiccontrolisoftenachallengeduetotherapidpaceoftechnologicaldevelopmentsandinnovations.ExpensesincurredwhileusingcommercialProgrammableLogicControllers(PLCs)andproprietarytoolsforoperationmakeitdifficulttoaffordPLCs.InordertoovercometheseobstaclespertainingtoconventionalPLCs,thedesignandimplementationofasoftPLCisproposed.NovelPLCdevelopmentshavesuccessfullybeenestablishedinindustry.However,asmechatronictechnologycontinuestoadvance,thetoolsforeducatingstudentsinPLCdesignandimplementationremainthesame.ThisthesisinvestigatesthedevelopmentofasoftPLContoamechatronicscontrollerplatform(IMS-MORPHcontroller)formechatroniceducation.MechatronicsinvolvestheconsolidationofseveralengineeringfieldsofwhichthefocuswillbediscretecontrolthroughtheperspectiveofPLCs.
TheimplementationofthesoftPLCintothemechatronicsmicrocontrollerenablesthesoftPLCtobenefitfromtheexistingmicrocontrollerarchitecture.DetailsregardingthedesignofthesoftPLCintothemechatronicsplatformareexamined.Intheend,theperformanceofthesoftPLCfocusedondiscretecontrolisevaluated.ThisrealizationofasoftPLCformechatronicseducationwilladdressthecurrentchallengesofhighcost,adaptingtotechnologicaladvancements,andinefficiencies.
HISTORY
BefrePLCs,systemsrequiringautomatedprocessesreliedontheprecisewiringofrelays,camtimers,andsequencerstoimplementlogicandtiming.Oneofthedisadvantagestothesesystemswasthatelectricianswentthroughthetimeconsumingandtediousprocessofre-wiringthecontrolpanelwhenthepanelsneededtobereconfigured.Eventually,the
PLCwasdevelopedandhard-wiredcontrolinstrumentationbecameobsolete[2].PLCscontainhardwarethatcanbereconfiguredthroughsoftwarethatimplementsthesamelogicandsequencing,whichallowsamoreconvenientprocesstoreconfigurethecontrolscheme,viasoftwaremodification.Astechnologyadvances,atrendofincreasingsoftwarereconfigurablesystemscanbeobservedasshowninfigure1,wheresoftwareandfirmware(ApplicationSpecificIC)continuestosignificantlyaddvaluetomechatronicsystems,andelectronicgeneralhardwarebecomeslesssignificant.
Motioncontrolisoneofthemostsignificantapplicationsofmechatronics[1].Numerousmechatronicsystemsdependonmotioncontroltopreciselycontrolmotorsandactuators.Motioncontrolinvolvesmanyaspectsofengineering:
mechanical,electrical,software,andcontrolengineering;
allofthesesubjectsplayavitalroleinhowaccurately,quickly,andpreciselyamotorreactstoagiveninputsignal.Sincemanycomputerresourcesaredirectedatcontrollingmotion,motioncontrollersareoftenanisolatedcontrollerfromPLCs,wherePLCsareusedparticularlyfordiscretecontrol.Motioncontrolapplications,suchasmachinetools,comprisebothmotioncontrollersandPLCs.PLCsareresponsibleformanagingdiscreteinputssuchasemergencystops,safetysensors,buttons,switches,etc.CountlessmechatronicinstrumentsutilizemotioncontrolwithPLCs.PLCsandmotioncontrollersareusuallyavailableinseparatemodules,wherePLCsandmotioncontrollershavetheirindividualhardwareandsoftware[4].Inthiscase,thePLCandmotioncontrolleroperateindependentofeachotherandmustcommunicatethroughexternalI/Omodules.Additionally,thePLCandmotioncontrollermustcommunicatewithanexternalsystemthatcontrollerismonitoringandcontrolling.Thismethodofcontrolcausesinefficienciesintheoperationoftheautomatedprocesssinceextrahardwareisneededforcommunicationbetweenthecontrollers.Inadequaciesarealsofoundwhileconfiguringthissystembecausethesystemneedsaprogramformultiplecontrollersasshowninfigure2.AddressingtheseissueswoulddecreasethecurrentfaultsofthePLCandmotioncontroller.
Figure2:
ControlSystemInterface
ToaddressthedeficienciesofthePLCandmotioncontrolsystem,itispossibletocombineboththemotioncontrolandPLCintoaonecontroller.Combiningthetwowillenablethecontrollertosharethesamememory,signals,andflags,thereforeeliminatingtheneedtouseadditionalresou
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