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第1章 緒論
1.1可編程控制器的產(chǎn)生
可編程控制器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的控制設(shè)備，是集微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各個(gè)行業(yè)。計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通行能力上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了可編程控制器通信能力，豐富了可編程控制器編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了PLC過程控制能力。因此，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、是流水線控制還是過程控制，都可以采用可編程控制器，推廣和普及可編程控制器的使用技術(shù)對(duì)提高我國的工業(yè)自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率都有十分重要的意義。
可編程控制器（Programmable Controller）,也稱可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是以微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)控制通用裝置，是計(jì)算機(jī)家族的一名成員，簡(jiǎn)稱PC，為了避免與個(gè)人電腦（也簡(jiǎn)稱為PC）相混淆，通常將可編程控制器簡(jiǎn)稱為PLC。
可編程控制器的產(chǎn)生與繼電器—接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器—接觸器控制已有上百年的歷史，它是一種用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路直觀、價(jià)格低廉、容易操作、易于維修的優(yōu)點(diǎn)。此種控制系統(tǒng)布局固定，按預(yù)先規(guī)定的時(shí)間、條件、順序工作。對(duì)于工作模式固定、要求比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合非常適用，至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時(shí)，就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，控制柜內(nèi)的物件和接線都要作相應(yīng)的變動(dòng)，改造工期長，費(fèi)用高，用戶改造時(shí)寧愿扔掉舊控制柜，另作一個(gè)新控制柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種向小批量、多品種轉(zhuǎn)換，繼電器—接觸器控制難以滿足市場(chǎng)需要，此問題首先被美國通用汽車公司（GM公司）提了出來。通用汽車公司為適合汽車型號(hào)的不斷翻新，滿足用戶對(duì)產(chǎn)品的多樣性的需求，公開對(duì)外招標(biāo)，要求制造一種新的工業(yè)控制裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制。其對(duì)新裝置性能提出的要求就是著名的GM10條，即
（1） 編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序。
（2） 維護(hù)方便，最好是插件式。
（3） 可靠性高于繼電器控制柜。
（4） 體積小于繼電器控制柜
（5） 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)。
（6） 在成本上可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng)。
（7） 輸入可以是交流115V。
（8） 輸出可以是交流115V、2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥。
（9） 在擴(kuò)展時(shí)，原有系統(tǒng)只要很小變更。
（10） 用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展4KB。
這十項(xiàng)指標(biāo)就是現(xiàn)代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通計(jì)算機(jī)，它與有關(guān)的外部設(shè)備，按照“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體”和“便于擴(kuò)充功能”的原則來設(shè)計(jì)。
用可編程控制器代替了繼電器—接觸器的控制，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計(jì)，重新接線的工作，此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標(biāo)志性語言是極易為IT電器人員掌握的梯形圖語言，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在編程上發(fā)費(fèi)大量的精力，只需集中精力去考慮如何操作并發(fā)揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，是控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運(yùn)行。所以，可編程控制器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。
1969年，第一臺(tái)可編程控制器PDP-14由美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上使用取得良好的效果，可編程控制器由此誕生，在控制領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了歷史性革命。
PLC問世時(shí)間不長，但是隨著微處理器的發(fā)展，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，PLC迅速發(fā)展。PLC進(jìn)入90年代后，工業(yè)控制領(lǐng)域幾乎全被PLC占領(lǐng)。國外專家預(yù)言，PLC技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）中躍居首位。
我國在80年代初才開始使用PLC，目前從國外引進(jìn)的PLC使用較為普遍的有日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美國GE公司GE系列和德國西門子公司S系列等。
1.2 PLC的發(fā)展
雖然PLC問世時(shí)間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個(gè)階段：
早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)的PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器采用磁芯存儲(chǔ)器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式—梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。
在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。
這樣，使PLC得功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC得應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。
進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的當(dāng)次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
1.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖1-1所示：
一、中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀
態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將
圖1-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖
如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。
為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
二、存儲(chǔ)器
存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。
1、PLC常用的存儲(chǔ)器類型
（1）RAM （Random Assess Memory）?這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。
（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容)。
（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。
2、PLC存儲(chǔ)空間的分配
雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：
（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)
（2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）
（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)
系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。
系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計(jì)時(shí)器；計(jì)數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲(chǔ)器。
（1）I/O映象區(qū)：由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit），一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit）。因此整個(gè)I/O映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。
（2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)?：除了I/O映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。
用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序是指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編程器輸入到PLC機(jī)的RAM存貯器中，以便于用戶隨時(shí)修改。也可將用戶程序存放在EEPROM中。
三、輸入/輸出模塊
輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，如按鈕開關(guān)，行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān)量或模擬量(壓力、流量、溫度、電壓、電流)等，都要通過輸入模塊送到PLC。由于這些信號(hào)電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件所能接受的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入/輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊又分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級(jí)，主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊，部件上都設(shè)有輸入接線端子排，為了濾除信號(hào)的噪聲和便于PLC內(nèi)部對(duì)信號(hào)的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有光電禍合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離開來，以提高PLC的抗千擾能力。數(shù)字量輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即A/D或D/A轉(zhuǎn)換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸入鎖存緩沖器與PLC的1/0總線掛接。模擬量輸出模塊D/A轉(zhuǎn)換前的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸出鎖存器與PLC的1/0總線掛接?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是0一5伏和O一10伏兩種，模擬電流主要是0一ZomA和4一ZomA兩種。另外還有。一somV，o一IV、一5一+SV、一10一+10V，o一10mA等。模擬量輸入模塊接收到標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流后，把它轉(zhuǎn)換成8位、10位或12位的二制數(shù)字信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號(hào)，提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
四、擴(kuò)展模塊
當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的1/0點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強(qiáng)大和完善。智能1/0接口模塊種類很多，例如高速技術(shù)模塊、PLCA控制模塊、數(shù)字位基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能1/0模塊等。
五、編程器
它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。目前編程器主要有以下三種類型:便攜式編程器(也叫簡(jiǎn)易編程器);圖形編程器;用于IBM一PC及其兼容機(jī)的編程器。便于攜帶的特點(diǎn)，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時(shí)顯示各種信號(hào)狀態(tài)、出錯(cuò)提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機(jī)、錄音機(jī)、繪畫儀等設(shè)備連接，有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。但它的價(jià)格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于IBM一PC及其兼容機(jī)的編程器是個(gè)人計(jì)算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?，也可直接編制成梯形圖，其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在PLC機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，也可以對(duì)成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對(duì)控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時(shí)候鍵盤中都備有一個(gè)選擇鍵，以選擇其中一種方式工作?，F(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固，外形小巧，CPU本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。不同廠家、不同型號(hào)的PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)也不同，有的大型機(jī)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)16K，而很多小型機(jī)僅有10來點(diǎn)，而且CPU本身不帶模擬輸入與輸出，但CPU一般都帶有擴(kuò)展接口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，就需對(duì)系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展，各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固，有易于接線的端子排，帶有擴(kuò)展總線或通過總線連接器與CPU相連。主要有數(shù)字輸入/輸出模板，模擬輸入/輸出模板，熱電阻、電偶擴(kuò)展模板，還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。用擴(kuò)展模板來擴(kuò)展系統(tǒng)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)
用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對(duì)PLC作硬件組態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時(shí)節(jié)省開支，減少不必要的投資。當(dāng)己運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí)，PLC可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發(fā)將進(jìn)一步擴(kuò)展可編程控制的功能，專用模板的開發(fā)不僅擴(kuò)大了可編程控制系統(tǒng)的控制功能，而且將進(jìn)一步提高控制質(zhì)量與可靠性。
六、電源
PLC中的電源一般有三類：
1、+5V、±15V直流電源：供PLC中TTL芯片和集成運(yùn)放使用；
2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；
3、鋰電池及其充電電源。
考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。
目前PLC的發(fā)展非常迅速，型號(hào)眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其I/O點(diǎn)的數(shù)量將PLC分為三大類：
小型機(jī)：256點(diǎn)以下（無模擬量）；
中型機(jī)：256 ~ 2048點(diǎn)（64 ~ 128路模擬量）；
大型機(jī)：2048點(diǎn)以上（128 ~ 512路模擬量）。
具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。但一些小型機(jī)常制作成一體機(jī)，其配置固定，主要供定型成套設(shè)備使用；而一些大型機(jī)一般在電源、或者CPU，甚至兩者都作了熱備份。
1.4、PLC的特點(diǎn)
一、高可靠性
（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。
（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms.
（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。
（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。
二、豐富的I/O接口模塊
PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。
另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。
三、采用模塊化結(jié)構(gòu)
為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
四、編程簡(jiǎn)單易學(xué)
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
五、安裝簡(jiǎn)單，維修方便
PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。
由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。
1.5 PLC的工作原理
最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的：
（1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。
（2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。
為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式---掃描技術(shù)。這樣在對(duì)于I/O響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。如圖1-2所示：
圖1-2 PLC掃描周期圖
（1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
（2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。
（3）輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。
一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和。如圖1-3所示
圖1-3 PLC掃描周期示意圖
第2章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計(jì)
2.1、水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
水塔水位控制裝置如圖2-1所示
圖2-1 水塔水位控制裝置
水塔水位的工作方式：
當(dāng)水池液位低于下限液位開關(guān)S1，S1此時(shí)為ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)4S以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關(guān)時(shí)，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，若系統(tǒng)正常，此時(shí)水池下限液位開關(guān)S4為OFF,表示水位高于下限水位。當(dāng)水位液面高于上限水位，則S2為ON，電磁閥關(guān)閉。
當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位時(shí)，則水塔下限水位開關(guān)S3為ON，水泵開始工作，向水塔供水，當(dāng)S3為OFF時(shí)，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位時(shí)，則水塔上限水位開關(guān)S4為OFF，水泵停止。
當(dāng)水塔水位低于下限水位，同時(shí)水池水位也低于下限水位時(shí)，水泵不能啟動(dòng)。
2.2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路
水塔水位控制系統(tǒng)主電路如圖2-5所示：
圖2-2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路
2.3 I/O接口分配
2.3.1 列出水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表，見表2-1。
表2-1 水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表
輸入信號(hào)
輸入變量名
輸出信號(hào)
輸出變量名
I0.1
水塔上限位
Q0.1
電磁閥
I0.2
水塔下限位
Q0.2
水泵
I0.3
水池上限位
Q0.3
水池下限指示燈a1
I0.4
水池下限位
Q0.4
水池上限指示燈a2
I0.0
控制開關(guān)
Q0.5
水塔下限指示燈a3
Q0.6
水塔上限指示燈a4
Q0.7
報(bào)警指示燈a5
2.3.2 水塔水位控制系統(tǒng)的I/O設(shè)備
這是一個(gè)單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有5個(gè)開關(guān)量，開關(guān)量輸出觸點(diǎn)數(shù)有8個(gè)，輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)共有13個(gè)，只需選用一般中小型控制器即可。。據(jù)此，可以對(duì)輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖2-2所示。
圖2-3 水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖
第3章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)
3.1 程序流程圖
水塔水位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制流程圖如圖3-1所示。
3.2梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析
梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號(hào)，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對(duì)于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡(jiǎn)單的控制功能的編程，絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖編程。
梯形圖編程的一般規(guī)則有:
⑴梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號(hào)地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。
⑵梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實(shí)的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動(dòng)作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流;層次的改變也只能自上而下。
⑶梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1態(tài)”，表示該繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開，反之為“O態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。
⑷梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。
⑸繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用:而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。
⑹PLC在解算用戶邏輯時(shí)，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時(shí)動(dòng)作，這在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。所以，由梯形圖編寫指令程序時(shí)，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于一條指令，一條指令為一個(gè)步序。當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。 圖3-1 水塔水位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖
這種分時(shí)操作的過程稱為CPU對(duì)程序的掃描。掃描從0000號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始。
根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)的梯形圖程序如圖3-2所示。
3.2.1 工作過程
設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4個(gè)液位指示燈全亮。當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)，掃描到水池為液位低于水池下限液位時(shí)，電磁閥打開，開始往水池離境稅，如果進(jìn)水超過4秒，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。若4秒之后水池液位按預(yù)定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈A1滅，此時(shí)，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測(cè)到此信號(hào)時(shí)，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵開始工作，向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過水池上限液位時(shí)，水池上限指示燈A2滅，電磁閥就關(guān)閉，但是水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時(shí)水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈A3滅，水泵繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時(shí)，水塔液位超過水塔上限，水塔上限指示燈A4滅，但剛剛給水塔供水的時(shí)候，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，此時(shí)水塔液位已經(jīng)低于水池上限，水池上限指示燈A2亮。此次給水塔供水完成。
3.2.2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖對(duì)應(yīng)的指令表
38
Network 1
LD I0.0
O Q0.1
A I0.3
= Q0.1
Network 2
LD Q0.1
TON T37, 40
Network 3
LD I0.4
= Q0.3
Network 4
LD T37
A I0.4
LPS
AN T38
= Q0.7
LPP
AN T39
TON T38, 10
Network 5
LD T38
TON T39, 10
Network 6
LD I0.3
= Q0.4
Network 7
LD I0.2
O Q0.2
A I0.1
AN I0.4
= Q0.2
Network 8
LD I0.2
A Q0.6
= Q0.5
Network 9
LD I0.1
= Q0.6
圖3-2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖
第4章 水塔水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)
4.1 組態(tài)軟件概述
“組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系（簡(jiǎn)稱DCS）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)人員所熟知的。在工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用過程中，PC（包括工控機(jī)）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)日趨明顯。這些優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：PC技術(shù)保持了較快的發(fā)展速度，各種相關(guān)技術(shù)已臻成熟；由PC構(gòu)建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對(duì)較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資豐富，軟件之間的互操作性強(qiáng)；基于PC的控制系統(tǒng)易于學(xué)習(xí)和使用，可以容易地得到技術(shù)方面的支持。在PC技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。
組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)于原有的HMI（人機(jī)接口軟件，HumanMachineInterface）的概念，組態(tài)軟件應(yīng)該是一個(gè)使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領(lǐng)域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應(yīng)用，開發(fā)時(shí)間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對(duì)I/O設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會(huì)不斷被賦予新的內(nèi)容。
4.2 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展
?組態(tài)軟件產(chǎn)品于80年代初出現(xiàn)，并在80年代末期進(jìn)入我國。但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國的應(yīng)用并不普及。
究其原因，大致有以下幾點(diǎn)：
?①國內(nèi)用戶還缺乏對(duì)組態(tài)軟件的認(rèn)識(shí)，項(xiàng)目中沒有組態(tài)軟件的預(yù)算，或?qū)幵竿度肴肆ξ锪︶槍?duì)具體項(xiàng)目做長周期的繁冗的上位機(jī)的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟件；
?②在很長時(shí)間里，國內(nèi)用戶的軟件意識(shí)還不強(qiáng)，面對(duì)價(jià)格不菲的進(jìn)口軟件（早期的組態(tài)軟件多為國外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購買正版。
?③當(dāng)時(shí)國內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化和信息技術(shù)應(yīng)用的水平還不高，組態(tài)軟件提供了對(duì)大規(guī)模應(yīng)用、大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結(jié)果生成管理所需的數(shù)據(jù)，這些需求并未完全形成。
隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用的深入，在面臨規(guī)模更大、控制更復(fù)雜的控制系統(tǒng)時(shí)，人們逐漸意識(shí)到原有的上位機(jī)編程的開發(fā)方式。對(duì)項(xiàng)目來說是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、得不償失的，同時(shí)，MIS（管理信息系統(tǒng)，ManagementInformationSystem）和CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量應(yīng)用，要求工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、決策提供更詳細(xì)和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，在1995年以后，組態(tài)軟件在國內(nèi)的應(yīng)用逐漸得到了普及。
4.3 組態(tài)軟件的功能特點(diǎn)發(fā)展方向
?目前看到的所有組態(tài)軟件都能完成類似的功能：比如，幾乎所有運(yùn)行于32位Windows平臺(tái)的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并且對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設(shè)備、標(biāo)簽量、畫面等）進(jìn)行配置和編輯；都提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序；都使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能，等等。但是，從技術(shù)上說，各種組態(tài)軟件提供實(shí)現(xiàn)這些功能的方法卻各不相同。從這些不同之處，以及PC技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，可以看出組態(tài)軟件未來發(fā)展的方向。
4.3.1 數(shù)據(jù)采集的方式
?大多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集程序，用戶可以進(jìn)行配置。然而，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)程序只能由組態(tài)軟件開發(fā)商提供，或者由用戶按照某種組態(tài)軟件的接口規(guī)范編寫，這為用戶提出了過高的要求。由OPC基金組織提出的OPC規(guī)范基于微軟的OLE/DCOM技術(shù)，提供了在分布式系統(tǒng)下，軟件組件交互和共享數(shù)據(jù)的完整的解決方案。
在支持OPC的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的提供者作為服務(wù)器（Server），數(shù)據(jù)請(qǐng)求者作為客戶（Client），服務(wù)器和客戶之間通過DCOM接口進(jìn)行通信，而無需知道對(duì)方內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。由于COM技術(shù)是在二進(jìn)制代碼級(jí)實(shí)現(xiàn)的，所以服務(wù)器和客戶可以由不同的廠商提供。在實(shí)際應(yīng)用中，作為服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集程序往往由硬件設(shè)備制造商隨硬件提供，可以發(fā)揮硬件的全部效能，而作為客戶的組態(tài)軟件可以通過OPC與各廠家的驅(qū)動(dòng)程序無縫連接，故從根本上解決了以前采用專用格式驅(qū)動(dòng)程序總是滯后于硬件更新的問題。同時(shí)，組態(tài)軟件同樣可以作為服務(wù)器為其他的應(yīng)用系統(tǒng)（如MIS等）提供數(shù)據(jù)。OPC現(xiàn)在已經(jīng)得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等國外知名廠商的支持。隨著支持OPC的組態(tài)軟件和硬件設(shè)備的普及，使用OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集必將成為組態(tài)中更合理的選擇。
4.3.2 腳本的功能
?腳本語言是擴(kuò)充組態(tài)系統(tǒng)功能的重要手段。因此，大多數(shù)組態(tài)軟件提供了腳本語言的支持。具體的實(shí)現(xiàn)方式可分為三種：一是內(nèi)置的類C/Basic語言；二是采用微軟的VBA的編程語言；三是有少數(shù)組態(tài)軟件采用面向?qū)ο蟮哪_本語言。類C/Basic語言要求用戶使用類似高級(jí)語言的語句書寫腳本，使用系統(tǒng)提供的函數(shù)調(diào)用組合完成各種系統(tǒng)功能。應(yīng)該指明的是，多數(shù)采用這種方式的國內(nèi)組態(tài)軟件，對(duì)腳本的支持并不完善，許多組態(tài)軟件只提供IF…THEN…ELSE的語句結(jié)構(gòu)，不提供循環(huán)控制語句，為書寫腳本程序帶來了一定的困難。微軟的VBA是一種相對(duì)完備的開發(fā)環(huán)境，采用VBA的組態(tài)軟件通常使用微軟的VBA環(huán)境和組件技術(shù)，把組態(tài)系統(tǒng)中的對(duì)象以組件方式實(shí)現(xiàn)，使用VBA的程序?qū)@些對(duì)象進(jìn)行訪問。由于VisualBasic是解釋執(zhí)行的，所以VBA程序的一些語法錯(cuò)誤可能到執(zhí)行時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。而面向?qū)ο蟮哪_本語言提供了對(duì)象訪問機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)中的對(duì)象可以通過其屬性和方法進(jìn)行訪問，比較容易學(xué)習(xí)、掌握和擴(kuò)展，但實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。
4.3.3 組態(tài)環(huán)境的可擴(kuò)展性
可擴(kuò)展性為用戶提供了在不改變?cè)邢到y(tǒng)的情況下，向系統(tǒng)內(nèi)增加新功能的能力，這種增加的功能可能來自于組態(tài)軟件開發(fā)商、第三方軟件提供商或用戶自身。增加功能最常用的手段是ActiveX組件的應(yīng)用，目前還只有少數(shù)組態(tài)軟件能提供完備的ActiveX組件引入功能及實(shí)現(xiàn)引入對(duì)象在腳本語言中的訪問。
4.3.4 組態(tài)軟件的開放性
?隨著管理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的普及，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。在生產(chǎn)制造過程中，需要現(xiàn)場(chǎng)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行流程分析和過程控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程的調(diào)整和優(yōu)化?，F(xiàn)有的組態(tài)軟件對(duì)大部分這些方面需求還只能以報(bào)表的形式提供，或者通過ODBC將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到外部數(shù)據(jù)庫，以供其他的業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用，在絕大多數(shù)情況下，仍然需要進(jìn)行再開發(fā)才能實(shí)現(xiàn)。隨著生產(chǎn)決策活動(dòng)對(duì)信息需求的增加，可以預(yù)見，組態(tài)軟件與管理信息系統(tǒng)或領(lǐng)導(dǎo)信息系統(tǒng)的集成必將更加緊密，并很可能以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與決策功能的模塊形式在組態(tài)軟件中出現(xiàn)。
4.3.5 對(duì)Internet的支持程度
?現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)趨向國際化、分布式的生產(chǎn)方式。Internet將是實(shí)現(xiàn)分布式生產(chǎn)的基礎(chǔ)。
組態(tài)軟件能否從原有的局域網(wǎng)運(yùn)行方式跨越到支持Internet，是擺在所有組態(tài)軟件開發(fā)商面前的一個(gè)重要課題。限于國內(nèi)目前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)控制應(yīng)用的程度，筆者認(rèn)為，在較長時(shí)間內(nèi)，以瀏覽器方式通過Internet對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，將會(huì)在大部分應(yīng)用中停留于監(jiān)視階段，而實(shí)際控制功能的完成應(yīng)該通過更穩(wěn)定的技術(shù)，如專用的遠(yuǎn)程客戶端、由專業(yè)開發(fā)商提供的ActiveX控件或Java技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
4.3.6組態(tài)軟件的控制功能
隨著以工業(yè)PC為核心的自動(dòng)控制集成系統(tǒng)技術(shù)的日趨完善和工程技術(shù)人員的使用組態(tài)軟件水平的不斷提高，用戶對(duì)組態(tài)軟件的要求已不像過去那樣主要側(cè)重于畫面，而是要考慮一些實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用功能，如軟件PLC，先進(jìn)過程控制策略等。
?隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的控制方案已經(jīng)不能適應(yīng)，以多變量預(yù)測(cè)控制為代表的先進(jìn)控制策略的提出和成功應(yīng)用之后，先進(jìn)過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關(guān)注。先進(jìn)過程控制（AdvancedProcessControl，APC）是指一類在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，基于模型、充分借助計(jì)算機(jī)能力，為工廠獲得最大理論而實(shí)施的運(yùn)行和控制策略。先進(jìn)控制策略主要有：雙重控制及閥位控制、純滯后補(bǔ)償控制、解耦控制、自適應(yīng)控制、差拍控制、狀態(tài)反饋控制、多變量預(yù)測(cè)控制、推理控制及軟測(cè)量技術(shù)、智能控制（專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）等，尤其智能控制已成為開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)許多大企業(yè)紛紛投資，在裝置自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)施先進(jìn)控制。國外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競(jìng)相開發(fā)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制的工程軟件包
4.4 建立組態(tài)王新工程
要建立新的組態(tài)王工程，請(qǐng)首先為工程指定工作目錄（或稱“工程路徑”）?！敖M態(tài)王”用工作目錄標(biāo)識(shí)工程，不同的工程應(yīng)置于不同的目錄。工作目錄下的文件由“組態(tài)王”自動(dòng)管理。
啟動(dòng)“組態(tài)王”工程管理器（ProjManager），選擇菜單“文件\新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出如圖4-1所示。
圖4-1 新建工程向?qū)б? 圖4-2 新建工程向?qū)Ф?
單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е?duì)話框”，如圖4-2所示。
在工程路徑文本框中輸入一個(gè)有效的工程路徑，或單擊“瀏覽…”按鈕，在彈出的路徑選擇對(duì)話框中選擇一個(gè)有效的路徑。單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е龑?duì)話框”，如圖4-3所示。
圖4-3 新建工程向?qū)? 圖4-4 是否設(shè)為當(dāng)前工程對(duì)話框
在工程名稱文本框中輸入工程的名稱，該工程名稱同時(shí)將被作為當(dāng)前工程的路徑名稱。在工程描述文本框中輸入對(duì)該工程的描述文字。工程名稱長度應(yīng)小于32個(gè)字節(jié)，工程描述長度應(yīng)小于40個(gè)字節(jié)。單擊“完成”完成工程的新建。系統(tǒng)會(huì)彈出對(duì)話框，詢問用戶是否將新建工程設(shè)為當(dāng)前工程，如圖4-4所示。
單擊“否”按鈕，則新建工程不是工程管理器的當(dāng)前工程，如果要將該工程設(shè)為新建工程，還要執(zhí)行“文件\設(shè)為當(dāng)前工程”命令；單擊“是”按鈕，則將新建的工程設(shè)為組態(tài)王的當(dāng)前工程。定義的工程信息會(huì)出現(xiàn)在工程管理器的信息表格中。雙擊該信息條或單擊“開發(fā)”按鈕或選擇菜單“工具\(yùn)切換到開發(fā)系統(tǒng)”，進(jìn)入組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)。
4.5 創(chuàng)建組態(tài)畫面
進(jìn)入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個(gè)工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個(gè)畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形對(duì)象。這些畫面都是由“組態(tài)王”提供的類型豐富的圖形對(duì)象組成的。系統(tǒng)為用戶提供了矩形（圓角矩形）、直線、橢圓（圓）、扇形（圓?。?、點(diǎn)位圖、多邊形（多邊線）、文本等基本圖形對(duì)象，及按鈕、趨勢(shì)曲線窗口、報(bào)警窗口、報(bào)表等復(fù)雜的圖形對(duì)象。提供了對(duì)圖形對(duì)象在窗口內(nèi)任意移動(dòng)、縮放、改變形狀、復(fù)制、刪除、對(duì)齊等編輯操作，全面支持鍵盤、鼠標(biāo)繪圖，并可提供對(duì)圖形對(duì)象的顏色、線型、填充屬性進(jìn)行改變的操作工具。
“組態(tài)王”采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使用戶可以方便地建立畫面的圖形界面。用戶構(gòu)圖時(shí)可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對(duì)象完成畫面的生成。同時(shí)支持畫面之間的圖形對(duì)象拷貝，可重復(fù)使用以前的開發(fā)結(jié)果。
繼續(xù)上節(jié)的工程，進(jìn)入新建的組態(tài)王工程，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“文件\畫面”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出對(duì)話框如圖4-5所示。
圖4-5 新建畫面 圖4-6 組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)
在“畫面名稱”處輸入新的畫面名稱，如leipeng，其它屬性目前不用更改。點(diǎn)擊“確定”按鈕進(jìn)入內(nèi)嵌的組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)。如圖4-6所示。
4.6 圖庫管理器
使用圖庫開發(fā)工程界面有三個(gè)方面好處：降低人工設(shè)計(jì)界面的難度；用圖庫開發(fā)的軟件將具體有統(tǒng)一的外觀；利用圖庫的開放性，工程人員可以生成自己的圖庫元素。
組態(tài)王為了便于用戶更好的使用圖庫，提供圖庫管理器。圖庫管理器集成了圖庫管理的操作，點(diǎn)擊“編輯”，彈出下拉菜單，在統(tǒng)一的界面上完成“創(chuàng)建圖庫精靈”、“更改圖庫名稱”、“加載用戶開發(fā)的精靈”、“刪除圖庫精靈”等，如圖4-7所示
圖4-7 圖庫管理器
本設(shè)計(jì)具體操作是：選擇菜單“圖庫/打開圖庫”或按F2鍵打開圖庫管理器。在圖庫管理器左側(cè)名稱列表中選擇圖庫名稱“反應(yīng)器”，從中選中反應(yīng)器，雙擊鼠標(biāo)，圖庫管理器自動(dòng)關(guān)閉，在工程畫面上，鼠標(biāo)位置出現(xiàn)“∟”標(biāo)志。在畫面上打擊鼠標(biāo)，該圖素就被放置在畫面上。拖動(dòng)邊框到適當(dāng)?shù)奈恢?，改變其大小。在圖庫管理器中選擇不同的圖素，在畫面上分別做出四個(gè)感應(yīng)器、五個(gè)指示燈、水塔、水池、電磁閥、水泵。
選擇工具箱中的立體管道工具，在畫面上，鼠標(biāo)圖形邊為“＋”形式，在適當(dāng)位置作為立體管道的起始位置，單擊鼠標(biāo)左鍵，然后移動(dòng)鼠標(biāo)到結(jié)束位置后，雙擊，則立體管道在畫面上顯示出來。如果立體管道需要拐彎，只需在折點(diǎn)處單擊鼠標(biāo)，然后繼續(xù)移動(dòng)鼠標(biāo)，就可實(shí)現(xiàn)折線形式的立體管道。
選中所畫的立體管道，在調(diào)色板上的對(duì)象選擇按鈕中按下線條按鈕，再選色區(qū)選擇某種顏色，則立體管道變?yōu)橄鄳?yīng)的顏色。
通過菜單“工具/選中圓角矩形”可選擇短點(diǎn)的矩形；另外復(fù)制幾段，選擇工具中的合并單元，就生成了在管道中流動(dòng)的水。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的水塔水位控制系統(tǒng)靜態(tài)畫面就建立起來了。靜態(tài)畫面如圖4-8所示。
圖4-8 靜態(tài)畫面
4.7 定義IO設(shè)備
本設(shè)計(jì)中使用仿真PLC和組態(tài)王通信。仿真PLC可以模擬PLC為組態(tài)王提供數(shù)據(jù)。假設(shè)仿真PLC連接在計(jì)算機(jī)的COM1口。
繼續(xù)上節(jié)的工程。選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“設(shè)備\COM1”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-9所示。
選擇“S7-200系列”的“PPI”項(xiàng)，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-10所示。
為外部設(shè)備取一個(gè)名稱，輸入PLC，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-11所示。
為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM1，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-12所示。
填寫設(shè)備地址為2，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-13所示。
設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)(一般情況下使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可)，單擊“下一步”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖4-14所示。
請(qǐng)檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。
設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“PLC”。在定義數(shù)據(jù)庫變量時(shí)，只要把IO變量連結(jié)到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。
圖4-9設(shè)備配置向?qū)? 圖4-10 設(shè)備配置向?qū)Ф?
圖4-11設(shè)備配置向?qū)? 圖4-12 設(shè)備配置向?qū)?
圖4-13 設(shè)備配置向?qū)? 圖4-14 設(shè)備配置向?qū)Я?
4.8 變量類型
4.8.1基本變量的類型
變量的基本類型共有兩類：內(nèi)存變量、I/O變量。
IO變量是指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量，如下位機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如PLC、儀表等）或其它應(yīng)用程序（如DDE、OPC服務(wù)器等）。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的，就是說：在“組態(tài)王”系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng)I/O變量的值改變時(shí)，該值就會(huì)自動(dòng)寫入下位機(jī)或其它應(yīng)用程序；每當(dāng)下位機(jī)或應(yīng)用程序中的值改變時(shí)，“組態(tài)王”系統(tǒng)中的變量值也會(huì)自動(dòng)更新。所以，那些從下位機(jī)采集來的數(shù)據(jù)、發(fā)送給下位機(jī)的指令，比如“反應(yīng)罐液位”、“電源開關(guān)”等變量，都需要設(shè)置成“I/O變量”。
內(nèi)存變量是指那些不需要和其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)、也不需要從下位機(jī)得到數(shù)據(jù)、只在“組態(tài)王”內(nèi)需要的變量，比如計(jì)算過程的中間變量，就可以設(shè)置成“內(nèi)存變量”。
4.8.2 變量的數(shù)據(jù)類型
組態(tài)王中變量的數(shù)據(jù)類型與一般程序設(shè)計(jì)語言中的變量比較類似，主要有以下幾種：
u 實(shí)型變量
類似一般程序設(shè)計(jì)語言中的浮點(diǎn)型變量，用于表示浮點(diǎn)（float）型數(shù)據(jù)，取值范圍10E-38～10E+38，有效值7位。
u 離散變量
類似一般程序設(shè)計(jì)語言中的布爾（BOOL）變量，只有0，1兩種取值，用于表示一些開關(guān)量。
u 字符串型變量
類似一般程序設(shè)計(jì)語言中的字符串變量，可用于記錄一些有特定含義的字符串，如名稱，密碼等，該類型變量可以進(jìn)行比較運(yùn)算和賦值運(yùn)算。字符串長度最大值為128個(gè)字符。
u 整數(shù)變量
類似一般程序設(shè)計(jì)語言中的有符號(hào)長整數(shù)型變量，用于表示帶符號(hào)的整型數(shù)據(jù)，取值范圍（－2147483648)～2147483647。
u 結(jié)構(gòu)變量
當(dāng)組態(tài)王工程中定義了結(jié)構(gòu)變量時(shí)（關(guān)于結(jié)構(gòu)變量的定義詳見5.5結(jié)構(gòu)變量一節(jié)），在變量類型的下拉列表框中會(huì)自動(dòng)列出已定義的結(jié)構(gòu)變量，一個(gè)結(jié)構(gòu)變量做為一種變量類型，結(jié)構(gòu)變量下可包含多個(gè)成員，每一個(gè)成員就是一個(gè)基本變量，成員類型可以為：內(nèi)存離散、內(nèi)存整型、內(nèi)存實(shí)型、內(nèi)存字符串、IO離散、IO整型、IO實(shí)型、IO字符串。
4.9 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在TouchVew運(yùn)行時(shí)，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。變量在畫面制作系統(tǒng)組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，定義時(shí)要指定變量名和變量類型，某些類型的變量還需要一些附加信息。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。
繼續(xù)上節(jié)的工程。選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫\數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“變量屬性”對(duì)話框，分別定義：自動(dòng)開關(guān)1、自動(dòng)開關(guān)2、自動(dòng)開關(guān)3、自動(dòng)開關(guān)4、a1、a2、a3、a4、a5、水泵、電池閥、水池液位、水塔液位、水流1、水流2、水流3、水流4、水流5、水流6. 如圖4-15、圖4-16所示。
完成對(duì)基本變量的定義，才可以進(jìn)行動(dòng)畫連接，即讓畫面動(dòng)起來。
圖4-15 指示燈a1變量定義 圖4-16 水塔水位變量定義
4.9.1 各個(gè)圖素動(dòng)畫連接設(shè)備
（1）水塔圖素與變量“水塔水位”連接，雙擊圖素，彈出如圖4-17所示畫面，添加變量，進(jìn)行設(shè)置。
圖4-17 水塔圖素與變量“水塔水位”連接
圖4-18 泵圖素與變量“水泵”連接
(2)泵圖素與變量“水泵”連接，雙擊圖素，彈出如圖4-18所示畫面，添加變量，進(jìn)行設(shè)置。
（3）水流圖素與變量“水流4”連接，雙擊圖素，彈出如圖4-19所示畫面，添加