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PLC前沿技術(shù)討論
托馬斯.J.拜耶斯 美國(guó) 普林斯頓大學(xué) 電氣測(cè)試與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)
Email：t_byers@hotmail.com
2011.10.31接收，2011.11.1修改2011.11.9收錄
摘要
這篇文章主要介紹基于PLC控制系統(tǒng)的對(duì)傳統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了整體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，必須分作兩部分介紹，第一部分是PLC軟件設(shè)計(jì)，第二部分是基于試驗(yàn)程序相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。該P(yáng)LC系統(tǒng)使用LS工業(yè)控制系統(tǒng)公司的GM7-DR40A系列24/16數(shù)字端口以及單一類(lèi)似I/O模塊，兩個(gè)atonic公司的光電傳感器：一個(gè)要有BR100-DDT-P模型，另一個(gè)要有BEN10M-TFR模型。一個(gè)測(cè)試過(guò)的具有5向靈敏度的接近開(kāi)關(guān)。四個(gè)由CD4511B驅(qū)動(dòng)的7段BCD-CMOS管。兩極和三極繼電器各一個(gè)，六個(gè)電壓表和一個(gè)電流表。一個(gè)直流電機(jī)一個(gè)24V直流電源，導(dǎo)線若干，按鈕若干。通過(guò)執(zhí)行24組經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)可以得到可信的結(jié)果，以前由PID實(shí)現(xiàn)的實(shí)用系統(tǒng)現(xiàn)在可以由PLC實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng) 光電傳感器
1．PLC介紹
PLCS（可編程邏輯控制器）是用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)和過(guò)程的可控網(wǎng)絡(luò)集線器。他們包含多個(gè)輸入輸出，輸入輸出是用晶體管和其它電路，模擬開(kāi)關(guān)和繼電器來(lái)控制設(shè)備的。PLCS用軟件接口，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算器接口，專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程。
可編程邏輯控制器I/O通道規(guī)則包括所有的輸入觸點(diǎn)和輸出觸點(diǎn)，擴(kuò)展能力和最大數(shù)量的通道。觸點(diǎn)數(shù)量是輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的總和。PLCS可以指定這些值的任何可能的組合。擴(kuò)展單元可以被堆?；蚧ハ噙B接來(lái)增加總的控制能力。最大數(shù)量的通道是在一個(gè)擴(kuò)展系統(tǒng)中輸入和輸出通道的最大總數(shù)量。PLC系統(tǒng)規(guī)則包括掃描時(shí)間，指令數(shù)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)。掃描時(shí)間是 PLC需要的用來(lái)檢測(cè)輸入輸出模塊的時(shí)間。指令是用于PLC軟件（例如數(shù)學(xué)運(yùn)算）的標(biāo)準(zhǔn)操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。程序存儲(chǔ)是控制軟件的能力。
用于可編程邏輯控制器的輸入設(shè)備包括DC，AC，中間繼電器，熱電偶，RTD，頻率或脈沖，晶體管和中斷信號(hào)輸入；輸出設(shè)備包括DC，AC，繼電器，中間繼電器，頻率或脈沖，晶體管，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件；PLC的編程設(shè)備包括控制面板，手柄和計(jì)算機(jī)。
可編程邏輯控制器用各種軟件編程語(yǔ)言來(lái)控制。這些語(yǔ)言包括IEC61131-3，順序執(zhí)行表（SFC），動(dòng)作方塊圖（FBD），梯形圖（LD），結(jié)構(gòu)文本（ST），指令序列（IL），繼電器梯形圖（RIL），流程圖，C語(yǔ)言和Basic語(yǔ)言。IEC61131-3編程環(huán)境能支持五種語(yǔ)言，用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，分別為SFC，F(xiàn)BD，LD，ST和IL。這便允許了多賣(mài)主兼容性和多種語(yǔ)言編程。SFC是一種圖表語(yǔ)言，它提供了編程順序的配合，就能支持順序選擇和并列選擇，二者擇其一即可。FBD用一種大的運(yùn)行庫(kù)，以圖表形式建立了一些復(fù)雜的過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)行可以與用戶(hù)交流和接口運(yùn)行相結(jié)合。LD是適用于離散控制和互鎖邏輯的圖表語(yǔ)言。它在離散控制上與FBD是完全兼容的。ST是一種文本語(yǔ)言，用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)過(guò)程和計(jì)算，不太適用于圖表語(yǔ)言。IL是與組合編碼相似的低級(jí)語(yǔ)言。它用在相對(duì)比較簡(jiǎn)單的邏輯指令。繼電器梯形圖或梯形圖是適用于可編程邏輯控制器的重要的編程語(yǔ)言。梯形圖編程是設(shè)計(jì)成繼電器邏輯程序的圖表表示法。流程圖是一種圖表語(yǔ)言，用于在一個(gè)控制器或應(yīng)用軟件中描述順序操作，它用于建立有標(biāo)準(zhǔn)組件的可循環(huán)使用的運(yùn)行庫(kù)。C語(yǔ)言是一種高級(jí)編程語(yǔ)言，適用于處理最復(fù)雜的計(jì)算，連續(xù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它典型地在PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試。BASIC語(yǔ)言是用于處理數(shù)據(jù)的連續(xù)的數(shù)字采集和接口運(yùn)行的高級(jí)語(yǔ)言。
可編程邏輯控制器也規(guī)范了許多計(jì)算機(jī)接口設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)規(guī)則和特色。PLC能源設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境也是非常重要的。
2．指令
對(duì)于簡(jiǎn)單的編程，繼電器型PLC是有效的。隨著功能的復(fù)雜化，復(fù)雜的VonNeaman型PLC就必須被采用。一個(gè)VonNeaman計(jì)算機(jī)一次只能執(zhí)行一個(gè)指令，他們是這樣運(yùn)行的，盡管許多計(jì)算機(jī)看上去一次在做許多事情。正如圖1所示的計(jì)算機(jī)組成。
圖 1 簡(jiǎn)化個(gè)人計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖
輸入是通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)得到的。輸出被送到屏幕。磁盤(pán)和存儲(chǔ)器用于輸入和輸出存儲(chǔ)（注意：這些箭頭的方向?qū)τ谠O(shè)計(jì)者是非常重要的，要注意表明信息是流向哪里的。）這個(gè)圖表可以像圖2那樣能被重新擬訂來(lái)闡明輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的作用。
在這個(gè)圖表中數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備進(jìn)入左邊。（注意：大多數(shù)設(shè)計(jì)圖表都是左邊輸入，右邊輸出的。）在進(jìn)入CPU之前，它穿過(guò)緩沖電路。CPU通過(guò)其他回路輸出數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器和磁盤(pán)用語(yǔ)存儲(chǔ)要輸出的數(shù)據(jù)。如果我們把個(gè)人計(jì)算機(jī)看作一個(gè)控制器，它通過(guò)在屏幕上輸出激勵(lì)和輸入來(lái)自鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的響應(yīng)來(lái)控制用戶(hù)。
PLC也是一個(gè)控制過(guò)程的計(jì)算機(jī)。當(dāng)與應(yīng)用程序完全結(jié)合起來(lái)時(shí)，類(lèi)似之處變成：
輸入設(shè)備—鍵盤(pán)與接近開(kāi)關(guān)相類(lèi)比。
輸入電路—連續(xù)輸入芯片就像一個(gè)直流24V的輸入卡。
計(jì) 算 機(jī)—686CPU就像一個(gè)PLC的CPU模塊。
輸出電路—圖形卡就像一個(gè)三相開(kāi)關(guān)輸出卡。
輸出設(shè)備—監(jiān)控器就像指示燈。
存 儲(chǔ) 器—PLC的存儲(chǔ)器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器相似。
用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行PLC，雖然則并不被提倡做。就PLC來(lái)說(shuō)，輸入和輸出
設(shè)備設(shè)計(jì)得更加可靠，更加粗糙，更適合惡劣的制造環(huán)境。
3．運(yùn)行順序
所有的PLC系統(tǒng)有每秒鐘重復(fù)多次的四種基本運(yùn)行階段。最初被第一次接通時(shí)，它會(huì)檢測(cè)它的硬件和軟件是否有錯(cuò)誤。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，它會(huì)把所有輸入和輸入值復(fù)制到存儲(chǔ)器，這叫輸入掃描。只用復(fù)制了輸入值的存儲(chǔ)器，梯形邏輯圖將被解決一個(gè)，這叫邏輯掃描。在解決梯形圖期間，輸出值只在臨時(shí)存儲(chǔ)器中被改變。當(dāng)梯形圖掃描完成后，輸出將用存儲(chǔ)器中臨時(shí)值修正，這叫做輸出掃描。PLC此時(shí)將從自我檢測(cè)開(kāi)始重新啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程很明顯地每秒鐘重復(fù)10到100次，正如圖3所示
自我檢測(cè)—檢測(cè)是否所有的卡沒(méi)有錯(cuò)誤，把時(shí)間繼電器復(fù)零等。（如果在很小一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有復(fù)零，時(shí)間繼電器會(huì)引起錯(cuò)誤，關(guān)閉PLC系統(tǒng)?！@會(huì)表明梯形圖沒(méi)有被正常掃描。）
輸入掃描—從芯片上的輸入卡讀取輸入值，并把輸入值復(fù)制到存儲(chǔ)器，這能使PLC更快速地運(yùn)行，并且避免從程序開(kāi)始到結(jié)束輸入變化。（例如：意外停止）有一些特殊的PLC功能，能直接讀取輸入值，避免了輸入表格。
邏輯處理/掃描—基于存儲(chǔ)器的輸入表格，程序被一次執(zhí)行一步，同時(shí)輸出值也被修正，這是其它節(jié)的集中。
輸出掃描—輸出表格從存儲(chǔ)器復(fù)制到輸出芯片，這些芯片然后驅(qū)動(dòng)輸出儀器。
輸入輸出掃描經(jīng)常會(huì)令初學(xué)者感到迷惑，但是他們是很重要的。輸入掃描是輸入值的快照，并且解決邏輯關(guān)系。在一個(gè)梯形圖掃描期間，如果一個(gè)輸入在梯形圖的多個(gè)地方被用到，它就會(huì)起變化，潛在問(wèn)題就可能發(fā)生，而輸入掃描卻避免了這些問(wèn)題。這個(gè)邊境效應(yīng)是如果在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)如果一個(gè)輸入變化太短，它可能在輸入掃描之間會(huì)減少或者丟失。
當(dāng)PLC最初被啟動(dòng)時(shí)，通常的輸出會(huì)被關(guān)閉，這不會(huì)影響輸入值。
3．1 輸入輸出掃描
當(dāng)輸入值被掃描到PLC時(shí)，自然輸入值被復(fù)制到存儲(chǔ)器。當(dāng)輸出值被掃描到PLC時(shí)，他們將從存儲(chǔ)器復(fù)制到自然輸出設(shè)備。當(dāng)梯形圖被掃描時(shí)，它將用存儲(chǔ)器中的值，并不是實(shí)際的輸入輸出值。這樣做的主要原因是如果一個(gè)程序在多個(gè)地方用一個(gè)輸入值，那么輸入值的變化將使其邏輯關(guān)系無(wú)效。而且，如果隨著每塊的變化，輸出模塊也變化，在掃描結(jié)束時(shí)PLC的運(yùn)行速度將大大減慢。
3．2 邏輯掃描
梯形邏輯程序圖是模仿繼電器邏輯圖的。在繼電器邏輯圖中，程序的每個(gè)元件將盡可能快地開(kāi)關(guān)。但是在一個(gè)程序中，元件只能按固定的順序一次檢測(cè)一個(gè)。如圖4所示，梯形圖將按從左到右，從上到下的順序被解釋。在圖中，梯形邏輯掃描將從最高層開(kāi)始。在底層，它將先解釋高層輸出，然后輸出它下面的分支。在第二層，沿著梯形邏輯圖移動(dòng)之前，將先解釋分支。
圖 4 梯形圖邏輯執(zhí)行順序
解決梯形邏輯程序時(shí)，邏輯掃描順序會(huì)變得非常重要。梯形圖輸出作為輸入，考慮輸出應(yīng)用時(shí)，它也變得非常重要。如圖5所示，梯形圖第一行將檢測(cè)輸入并把輸出X置1，得到相同的值。第二行將檢測(cè)輸入B并把輸出X置1，得到相反的值。因此，直到梯形圖的第二行被掃描時(shí)X值才能與A相等。在邏輯掃描期間，輸出值只能在存儲(chǔ)器中被改變，只有當(dāng)梯形邏輯掃描完成時(shí)，實(shí)際的輸出才能被修正。因此，在第二行的基礎(chǔ)上，輸出掃描將修正實(shí)際輸出值。并且梯形圖的第一行將無(wú)效。
4．PLC狀態(tài)顯示
在一個(gè)PLC中，缺少鍵盤(pán)和其他的輸入輸出設(shè)備是非常值得注意的。在PLC前端通常有一定數(shù)量的狀態(tài)指示燈。通常指示燈表明：
電源啟動(dòng)—只要PLC帶電，它將被啟動(dòng)。
程序運(yùn)行—這將指示是否程序正在運(yùn)行或是否沒(méi)有程序正在運(yùn)行。
錯(cuò)誤顯示—當(dāng)PLC有大的硬件或軟件錯(cuò)誤時(shí)，這將有顯示。
這些燈通常用于調(diào)試。一定數(shù)量的按鈕也將提供給PLC的硬件。最普通的按鈕是一個(gè)運(yùn)行/編程選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)在保持狀態(tài)時(shí)，它將被調(diào)到編程；當(dāng)在生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，它將被調(diào)到運(yùn)行。一個(gè)PLC系統(tǒng)幾乎沒(méi)有一個(gè)啟動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)或復(fù)位開(kāi)關(guān)在前面。這需要被設(shè)計(jì)到系統(tǒng)剩余部分。
PLC的狀態(tài)也能被梯形邏輯圖檢測(cè)。檢測(cè)程序是否第一次被執(zhí)行是非常普遍的。如圖6所示。‘first scan’輸入在梯形圖被第一次掃描時(shí)，將是對(duì)的，而在其余的每次掃描時(shí)是錯(cuò)誤的。這種情況下，PLC—5的‘first scan’的地址是‘S2：1/14’。根據(jù)例子中的邏輯關(guān)系，第一次掃描將封上‘light’，直到‘clear’被啟動(dòng)。因此燈將在PLC被啟動(dòng)之后變亮，但在‘clear’被啟動(dòng)之后，它將關(guān)閉并且保持在關(guān)閉狀態(tài)?！甪irst scan ’模塊在‘first pass’模塊中被提到。
圖 6 核驗(yàn)PLC第一次掃描的程序
5．存儲(chǔ)器類(lèi)型
有幾種基本的現(xiàn)在經(jīng)常使用的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類(lèi)型：
RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器速度很快，但是當(dāng)沒(méi)電時(shí)，它的內(nèi)容將被丟失。這是一種不穩(wěn)定存儲(chǔ)器，每個(gè)PLC在運(yùn)行時(shí)，都用這種存儲(chǔ)器作為中央處理器 。
ROM（只讀存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器是永久性的不可擦除的。它通常用于存放PLC的操作系統(tǒng)。
EPROM（可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）—這是一種像ROM一樣可編程的存儲(chǔ)器，但是它能用紫外線光擦除并且可以重新編程。
EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器能像ROM一樣存放程序。它能被編程并且用電壓擦除，因此它正變得比EPROM更加普遍。
所有的PLC系統(tǒng)都用RAM做CPU，用ROM存儲(chǔ)PLC的基本操作系統(tǒng)。當(dāng)有電時(shí)，RAM的內(nèi)容被保存，但是問(wèn)題在于當(dāng)供給存儲(chǔ)器的電源失去時(shí)會(huì)發(fā)生什么。原先PLC賣(mài)主用帶有電池的RAM，這樣如果不失電，存儲(chǔ)器的內(nèi)容就不會(huì)丟失。這種方法現(xiàn)在仍被使用，但變得不那么受歡迎。EPROMS也是PLC編程的比較好的選擇。EPROM在PLC外部編程，然后被放入PLC。當(dāng)PLC被啟動(dòng)時(shí)，在EPROM上的梯形邏輯程序被下載PLC并且運(yùn)行。這種方法非?？煽?，但是擦除和編程技術(shù)都是很消耗時(shí)間的。EEPROM存儲(chǔ)器是PLC的永久部分，程序能EPROM一樣被存放在他們中。存儲(chǔ)器的價(jià)錢(qián)一直在下降，新類(lèi)型正變得可被利用，這些變化將繼續(xù)對(duì)PLC系統(tǒng)發(fā)生影響。
6．基于軟件的PLC系統(tǒng)
個(gè)人計(jì)算機(jī)持續(xù)下降的價(jià)格增加了他們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中的應(yīng)用，包括PLC的替代品。安裝了軟件就能用個(gè)人計(jì)算機(jī)解決梯形圖邏輯.從傳感器中讀取輸入，修改輸出送到激勵(lì)。這些對(duì)于維持是很重要的，因?yàn)樗麄儾挥米袷匾郧暗挠?jì)時(shí)模式.例如，計(jì)算機(jī)正運(yùn)行一個(gè)游戲，就可能減慢或停止計(jì)算機(jī).這個(gè)以及其它問(wèn)題現(xiàn)在正被研究，好的解決方案不久就會(huì)出現(xiàn)。
7．概要
?PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)與輸入設(shè)備，輸出設(shè)備,存儲(chǔ)器等很相似。
?PLC系統(tǒng)不斷地執(zhí)行系統(tǒng)檢查，輸入掃描,邏輯掃描和輸出掃描這個(gè)循環(huán)。
?當(dāng)邏輯圖被掃描時(shí)，輸入的變化沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),輸出也沒(méi)有被修正。
?PLC系統(tǒng)用RAM，有時(shí)用EPROM存放永久程序。
8．實(shí)際問(wèn)題
?一個(gè)PLC系統(tǒng)通常包括RAM，ROM，EPROM和/或電池嗎？
?PLC的指示燈用于什么？
?為什么一個(gè)PLC系統(tǒng)每秒鐘只能掃描梯形圖幾次？
?如果一個(gè)PLC系統(tǒng)的掃描時(shí)間比輸入脈沖長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生什么?為什么？
?一個(gè)PLC系統(tǒng)與一部臺(tái)式計(jì)算機(jī)的不同是什么？
?為什么PLC系統(tǒng)每次掃描要做自我檢查？
?PLC檢測(cè)時(shí)間會(huì)比簡(jiǎn)單程序所需時(shí)間長(zhǎng)嗎？
?下面的梯形邏輯有什么錯(cuò)誤？如果它被用會(huì)發(fā)生什么？
?當(dāng)一個(gè)PLC系統(tǒng)已經(jīng)被啟動(dòng)時(shí)，表明啟動(dòng)的存儲(chǔ)器地址是什么？
9．實(shí)際問(wèn)題解答
?每個(gè)PLC系統(tǒng)包括RAM和ROM，但是他們也包括EPROM或電池。
?診斷和保持。
?盡管程序是空的，PLC系統(tǒng)仍需掃描輸入和輸出，做自我檢測(cè)。
?如果在兩次輸入掃描之間發(fā)生，脈沖就會(huì)丟失。
?主要的區(qū)別包括輸入設(shè)備輸出設(shè)備和應(yīng)用。PLC系統(tǒng)是為工廠設(shè)計(jì)的，因此它沒(méi)有鼠標(biāo)鍵盤(pán)之類(lèi)的輸入設(shè)備。(雖然，一些較新型PLC能夠達(dá)到)他們也沒(méi)有屏幕聲音之類(lèi)的輸出設(shè)備，.取而代之，他們有電壓,電流這樣的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。PLC使用戶(hù)為專(zhuān)門(mén)的任務(wù)設(shè)計(jì)程序,然而在個(gè)人計(jì)算機(jī)上給系統(tǒng)編程是不常見(jiàn)的。
?這能幫助檢測(cè)硬件和軟件錯(cuò)誤。如果一個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生了，PLC還繼續(xù)運(yùn)行,控制器就可能以一種不可預(yù)見(jiàn)的方式運(yùn)行，這對(duì)人和機(jī)器是非常危險(xiǎn)的。自我檢測(cè)則幫助檢查出這些錯(cuò)誤，并且安全地關(guān)閉系統(tǒng)。
?是的，在許多PLC系統(tǒng)中，自檢大約需要1ms，但一個(gè)單一程序需1mms。
?通常輸出Y被重復(fù)兩次。在這個(gè)例子中，Y的值將總等于B。前一層的A將對(duì)Y沒(méi)有影響。
?S2:1/14用于微機(jī)，S2:1/15用于PLC—5。
10. 總結(jié)
本次試驗(yàn)的所獲得的結(jié)果均根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所推出，并經(jīng)過(guò)LD指令程序運(yùn)行測(cè)試?？梢院苊黠@看出利用傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證新的邏輯程序?qū)嵱眯裕⑶以摬襟E是不可或缺的。本次實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)很讓我們滿(mǎn)意，實(shí)驗(yàn)設(shè)備可靠性也很高，因此效率得到提高，成功率得以保證。
介于本次試驗(yàn)處于驗(yàn)證階段，成果可用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以利用大學(xué)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行教學(xué)與推廣。
致謝
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