PLC与组态之间的联系论文要点Word下载.docx
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它可采用可编程序的存储器,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、模拟式的输入和输出。
控制各种类型的机械和生产过程。
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”。
综上所述,可编程控制器是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制装置。
之所以把可编程控制器简称为PC,因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。
只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机(PersonalComputer)也简称为PC。
为了加以区别,人们又把可编程简称为PLC。
二、PLC的分类
PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。
1、按I/O点数分类
按I/O点数可分为小型、中型和大型几类。
一般小于512点为小型PLC(其中小于64点为超小型或微型PLC)。
512-2048点为中型PLC,2048点以上为大型PLC(超过8192点为超大型PLC)。
当然,这一分类界限不是固定不变的,它将会随PLC的发展而变更。
2、按结构形式分类
按结构形式可分为整体式和模块式两类。
A.整体式PLC
整体式PLC又称为单元式或箱体式。
整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内。
其结构紧凑、体积小、价格低。
一般小型PLC采用这种结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O和电源,扩展单元内只有I/O和电源。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般配备有特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使PLC的功能得以扩展。
B.模块式PLC
模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的包含在CPU模块中)和各种功能模块。
模块式PLC由框架和各种模块组成。
模块插在插座上。
有的PLC没有框架,各种模块安装在底板上。
模块式结构PLC配置灵活,装配方便,便于扩展和维修。
一般大、中型PLC宜采用模块式结构,有的小型PLC也采用这种结构。
有时可根据需要将整体式和模块式结合起来,称为叠装式PLC。
它除基本单元和扩展单元外,还有扩展模块和特殊功能模块,配置比较合理。
三、PLC的特点
1、PLC的特点
A.可靠性高
由于采取了一系列的保证PLC高可靠性的措施,PLC的平均无故障时间(MTBF)一般可达3-5万h。
而且PLC的环境适应性也很强,它能在工业环境下可靠地工作。
PLC的高可靠性已受到用户的普遍认可。
这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。
保证PLC高可靠性的主要措施有:
良好的综合设计(综合考虑整体的可靠性);
选用优质器件;
采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;
采用先进的电源技术;
采用实时监控技术和故障诊断技术;
采用良好的制造工艺。
B.编程简单
PLC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PLC中还有BASIC等高级编程语言以满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。
应当指出:
为了更灵活地使用PLC,充分发挥它的功能(尤其是大、中型PLC),PLC的应用软件设计人员需要较深入地掌握计算机硬件和软件方面的知识。
C.通用性强
各个PLC的生产厂家都有各种系列产品、各种模块供用户选择。
用户可根据控制对象的规模和控制要求,选择合适的PLC产品,组成所需要的控制系统。
在进行应用软件设计时,一般不再需要用户制作其它任何附加装置,从而使设计工作简化。
D.体积小、结构紧凑,安装、维修方便
PLC体积小,重量轻,便于安装。
一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能,便于操作和维修人员检查,可以较容易通过更换模块插件来迅速排除故障。
PLC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。
1.2PLC的结构和工作原理
PLC是以微处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置,也可以说是一种专用微型计算机。
各种PLC的具体结构虽然多种多样,但其组成的一般原理基本相同,即都是以微处理器为核心,并辅以外围电路和I/O单元等硬件所构成的。
正像通用的微机一样,PLC的各种功能的实现,不仅基于其硬件的应用,而且要靠其软件的支持。
实际上,PLC就是一种工业控制计算机,其系统组成、工作原理、操作使用原理都与计算机相同;
它的编程语言,在其发展初期是采用工程技术人员所习惯和易于接受的那种继电器逻辑形式,随着时间的推移和技术的进展,又发展为类似于计算机高级编程语言的形式。
PLC作为继电器控制系统替代物出现,但它又与继电器逻辑控制的工作原理有很大区别。
一、PLC的组成
PLC采用典型的计算机结构,由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出接口电路(I/O)和其它一些电路组成。
图1.1为结构示意图,图1.2为逻辑结构示意图。
1、中央处理器(CPU)
CPU是PLC的核心部件。
从图2.1和2.2可以看出,它控制所有其它部件的操作。
CPU一般由电路、运算器和寄存器组成。
这些电路一般都在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(I/O)接口电路连接。
不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件。
例如,有的程控器使用单片微处理机,如8013,8031,8051等。
PLC的制造厂家使用CPU部件的指令系统编写系统程序,并固化到ROM中。
CPU按系统程序所赋予的功能,接收并把编程器键入的用户程序和数据,存在RAM中。
CPU按扫描方式工作,扫描从0000地址存放的第一条用户程序开始,经过存储器中各功能程序,到用户程序的最后一个地址,不停地周期性扫描,每扫描一次,用户程序就执行一次。
CPU主要完成以下功能:
A.从存储器中读取指令
CPU从地址总线上给出存储地址,从控制总线上给出读命令,从数据总线上得到读出的指令,并放到CPU内的指令寄存器中去。
B.执行指令
对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码,执行指令规定的操作。
例如:
读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算和算术运算,将结果输出等。
C.准备取下一条指令
CPU执行完一条指令后,能根据条件产生下一条指令的地址,以便取出和执行下一条指令。
在CPU的控制下,程序的指令即可以顺序执行,也可分支或转移。
D.处理中断
CPU除顺序执行程序外,还能接收输入输出发来的中断请求,并进行中断处理,中断处理完后,再返回原址,继续顺序执行。
图1.1PLC结构示意图
图1.2PLC逻辑结构示意图
2、存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路,用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。
所谓系统程序,是指控制和完成PLC各种功能的程序。
这些程序是由PLC的制造厂家用微电脑的指令系统编写的,并固化到只读存储器(ROM)中。
所谓用户程序,是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。
用户程序由使用者通过编程器输入到PLC的随机存储器(RAM),允许修改,由用户启动运行。
A.存储器的结构
存储器一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成,见图1.3。
图1.3存储器结构
(1)存储体
存储体由若干个存储单元构成,每个存储单元存储一个二进制数据。
所以,存储体是实际存储数据的存储单元的集合。
存储单元的数量叫存储器的容量。
每个存储单元都有一个编号,这个编号叫做存储器的单元地址。
存储单元中存放的二进制数据,叫做该单元的内容。
(2)地址译码电路
根据从地址总线上给出的地址码选择相应的存储单元。
(3)读/写控制电路
将选定的存储单元的内容读到数据寄存器,或将数据寄存器的内容写到选定的存储单元中。
(4)数据寄存器
存放从存储单元中读出的内容,或存放准备写入到存储单元中去的数据。
B.存储器的工作过程
(1)写入
首先将要写入的信息通过数据总线送到数据寄存器,再通过地址总线给出存储单元的地址,地址译码电路选中相应的单元。
然后发出“写”命令。
这时,数据放大器中的数据就写入到由地址译码电路选中的单元中去了。
(2)读出
首先通过地址总线给出要读的存储单元地址,地址译码电路选中相应的存储单元。
然后发出“读”命令。
这时,由地址译码电路选中的存储单元的内容就读到数据寄存器中。
C.PLC中使用的存储器
在可编程序控制中使用两种类型的存储器ROM和RAM。
(1)只读存储器ROM
ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的,并且永远驻留在ROM中,一般存放着PLC的制造厂家编写的系统程序。
(a)检查程序PLC加电后,首先由检查程序检查程控器的各部件操作是否正常,并将检查的结果显示给操作人员。
(b)键盘输入处理程序 解释、执行用户从键盘上发出的命令,将用户输入的程序送到RAM中,读出并显示RAM中的内容。
(c)翻译程序 将用户使用PLC编写的控制程序变换成由微电脑指令组成的程序,然后再执行。
还能对用户程序进行语法检查。
(d)监控程序相当于总控程序。
根据用户的需要调用相应的内部程序。
例如,用户通过面板的选择开关选择了程序(PROGRAM)工作方式,则总控程序就调用“键盘输入处理程序”,将用户从键盘输入的程序送到RAM。
若用户通过面板的选择开关选择了运行(RUN)工作方式,则总控制程序将启动程序。
上述的PLC的系统程序是用微电脑语言编写的,并由制造厂家写入到ROM中。
将程序写入到ROM中的过程叫做“软件固化”。
经过固化的ROM叫做固件。
(2)随机存储器RAM
RAM是可读可写存储器。
读出时,RAM中的内容不被破坏;
写入时,刚写入的信息就会覆盖而消除原来的信息。
为了防止去电后RAM中的内容丢失,可编程序控制器使用了对RAM的电池供电电路,这样在PLC断电后,RAM仍有电池供电,使得存储在RAM中的信息保持不变。
1.3S7-200型PLC介绍
S7--200系列是一种可编程序逻辑控制器(MicroPLCs)。
它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。
S7--200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容,从而使它能够监视输入状态,改变输出状态以达到控制目的。
紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7--200成为各种控制应用的理想解决方案。
1.3.1PLCS7-200系统的硬件配置
S7-200系列PLC由西门子公司研发生产,是一种叠装式结构的小型PLC。
它指令丰富、功能强大、可靠性高、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。
适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如:
冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装内,从而形成了一个功能强大的微型PLC,当下载程序到PLC后,S7-200就可以按照逻辑关系监控I/O设备从而实现控制要求。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的6种CPU供用户使用。
本实验采用CPU224。
表1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
2个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元,它本身没有CPU,只能与基本单元想象接使用,用于扩展I/O点数,S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表所示:
表2S7—200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类型
数字量扩展模块
EM221
无
EM222
EM223
4/8/16
模拟量扩展模块
EM231
3
EM232
2
EM235
1
第二章
组态软件的简介及其应用
2.1组态软件的简介
组态软件在国内是一个约定俗成的概念,并没有明确的定义,它可以理解为“组态式监控软件”。
“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思,是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能,而不需要编写计算机程序,也就是所谓的“组态”。
它有时候也称为“二次开发”,组态软件就称为“二次开发平台”。
“监控(SupervisoryControl)”,即“监视和控制”,是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理
组态软件,又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition(数据采集与监视控制)。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广,可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。
组态软件是有专业性的。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中。
如DCS(集散控制系统)组态,PLC(可编程控制器)梯形图组态。
人机界面生成软件就叫工控组态软件。
在其他行业也有组态的概念,如AutoCAD,PhotoShop等。
不同之处在于,工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看,组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
工控组态软件也提供了编程手段,一般都是内置编译系统,提供类BASIC语言,有的支持VB,现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。
组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议,并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI(人机接口软件,HumanMachineInterface)的概念,组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。
在组态软件出现之前,工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用,开发时间长,效率低,可靠性差;
或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展,实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
2.2组态软件的特点
随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长;
已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格非常昂贵;
在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编程人员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改,因而更是相当困难。
通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。
组态(Configuration)为模块化任意组合。
通用组态软件主要特点:
(1)延续性和可扩充性。
用通用组态软件开发的应用程序,当现场(包括硬件设备或系统结构)或用户需求发生改变时,不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级;
(2)封装性(易学易用),通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来,对于用户,不需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;
(3)通用性,每个用户根据工程实际情况,利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具,就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程,不受行业限制。
2.3组态软件的发展及趋势
2.3.1背景
自2000年以来,国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展,应用领域日益拓展,用户和应用工程师数量不断增多。
充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。
监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分,其发展受到很多因素的制约,归根结底,是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。
关于新技术的不断涌现和快速发展对监控组态软件会产生何种影响,有人认为随着技术的发展,通用组态软件会退出市场,例如有的自动化装置直接内嵌“WebServer”实时画面供中控室操作人员访问。
作者并不这样认为。
用户要求的多样化,决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有的画面要求,最终用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式,因此最终用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。
这就是监控组态软件不可能退出市场的主要原因,因为需求是存在且不断增长的。
监控组态软件是在信息化社会的大背景下,随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。
在整个工业自动化软件大家庭中,监控组态软件属于基础型工具平台。
监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的,它带动着整个社会生产、生活方式的变化,这种变化仍在继续发展。
因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期,目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨,更没有形成独立、专门的理论研究机构。
近5年来,一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发展,是监控组态软件发展的有力支撑。
2.3.2组态软件的最新发展情况
(1)集成化、定制化
从软件规模上看,大多数监控组态软件的代码规模超过100万行,已经不属于小型软件的范畴了。
从其功能来看,数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。
监控组态软件作为通用软件平台,具有很大的使用灵活性。
但实际上很多用户需要“傻瓜”式的应用软件,即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。
为了既照顾“通用”又兼顾“专用”,监控组态软件拓展了大量的组件,用于完成特定的功能,如批次管理、事故追忆、温控曲线、油井示功图组件、协议转发组件、ODBCRouter、ADO曲线、专家报表、万能报表组件、事件管理、GPRS透明传输组件等。
(2)纵向:
功能向上、向下延伸
组态软件处于监控系统的中间位置,向上、向下均具有比较完整的接口,因此对上、下应用系统的渗透能力也是组态软件的一种本能,具体表现为:
向上
其管理功能日渐强大,在实时数据库及其管理系统的配合下,具有部分MIS、MES或调度功能。
尤以报警管理与检索、历史数据检索、操作日志管理、复杂报表等功能较为常见。
向下
日益具备网络管理(或节点管理)功能:
在安装有同一种组态软件的不同节点上,在设定完地址或计算机名称后,互相间能够自动访问对方的数据库。
组态软件的这一功能,与OPC规范以及IEC61850规约、BACNet等现场总线的功能类似,反映出其
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