《電氣控制與PLC技術(shù)》課件第8章

第8章PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用8.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試方法8.2降低PLC系統(tǒng)費(fèi)用的方法8.3提高系統(tǒng)的可靠性8.4PLC的數(shù)據(jù)通信8.5高級(jí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)與技巧8.6維修電工考證指導(dǎo)(高級(jí)工)——PLC部分小結(jié)思考與練習(xí)8.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試方法目前，PLC已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用場(chǎng)合也多種多樣。隨著PLC自身功能不斷增強(qiáng)，PLC應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對(duì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求也越來越高。PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖8.1所示，如果輸入輸出量較多，建議先作硬件設(shè)計(jì)，再作軟件設(shè)計(jì)，這樣有利于編程元件地址的統(tǒng)籌安排。下面按圖8.1所示的流程對(duì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。圖8.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖8.1.1系統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段。如果系統(tǒng)規(guī)劃得不好，在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工時(shí)就會(huì)遇到很多困難。下面討論一些系統(tǒng)規(guī)劃中的基本問題。

1)明確設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)，希望它能干什么?如果對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，它現(xiàn)在能干什么？改造完之后希望它能干什么？設(shè)計(jì)前先要明確這些問題。

2)詳細(xì)了解系統(tǒng)的功能與要求應(yīng)詳細(xì)了解被控對(duì)象的全部功能。如：機(jī)械部件的動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必要的保護(hù)與連鎖；系統(tǒng)要求哪些工作方式(如手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)、單步等)；設(shè)備內(nèi)部機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、儀表、電氣幾大系統(tǒng)之間的關(guān)系；PLC與其他智能設(shè)備(如別的PLC、計(jì)算機(jī)、變頻器等)之間的關(guān)系；PLC是否需要通信聯(lián)網(wǎng)，是否需要設(shè)置遠(yuǎn)程I/O；需要顯示哪些數(shù)據(jù)及顯示的方式；電源突然停電及緊急情況的處理；安全電路的設(shè)計(jì)；是否需要設(shè)置PLC之外的手動(dòng)或機(jī)電連鎖裝置來防止危險(xiǎn)的操作等。還應(yīng)了解系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行速度、加工精度、可重復(fù)性、成本的限制和工期要求等。可與該設(shè)備或系統(tǒng)有關(guān)的工藝、機(jī)械方面的技術(shù)人員、運(yùn)行人員和維修人員進(jìn)行交流，獲得全面的信息。

3)查閱技術(shù)文檔如果對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，可以參閱有關(guān)的文件資料，如設(shè)計(jì)圖、原理圖和繼電器電路圖等，在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)時(shí)可參考系統(tǒng)的工藝流程圖、原理圖和機(jī)械圖等。8.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)在完成系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指對(duì)控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì),主要解決人機(jī)接口和通信方面的問題。

1)人機(jī)接口的選擇人機(jī)接口用于操作人員與PLC之間的信息交換。使用單臺(tái)PLC的小型開關(guān)量控制系統(tǒng)一般用指示燈、報(bào)警器、按鈕和操作開關(guān)來作為人機(jī)接口。PLC本身的數(shù)字輸入和數(shù)字顯示功能較差，可以用PLC的開關(guān)量I/O點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字的輸入和顯示。為了減少占用的I/O點(diǎn)數(shù)，有的PLC廠家設(shè)計(jì)了有關(guān)的應(yīng)用指令，如三菱FX系列PLC的7段顯示指令、方向開關(guān)指令、16鍵輸入指令、數(shù)字開關(guān)(即撥碼開關(guān))輸入指令等。這些指令簡(jiǎn)化了編程，但是需要用戶自制硬件。為了實(shí)現(xiàn)小型PLC的低成本數(shù)據(jù)輸入和顯示，有的PLC廠家推出了價(jià)格便宜的產(chǎn)品。如三菱公司的FX-1N-5DM微型顯示模塊可以監(jiān)視和修改PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)；西門子公司的TD200文本顯示器可顯示20個(gè)漢字或40個(gè)字符，可用編程軟件方便地設(shè)置顯示內(nèi)容，可用它修改用戶程序中的變量。對(duì)于要求較高的大中型控制系統(tǒng)，可選用較高檔的操作員接口(或稱可編程終端)，它們有的只能顯示字符，有的可以顯示單色或彩色的圖形，有的帶有觸摸鍵功能(俗稱觸摸屏)。這些產(chǎn)品可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，工作可靠，通過專用的組態(tài)軟件，可以方便地生成各種畫面，但是價(jià)格較高。計(jì)算機(jī)也可作為人機(jī)接口，普通臺(tái)式機(jī)的價(jià)格便宜，但是對(duì)工作環(huán)境的要求較高，可在控制室內(nèi)使用。如果要求將計(jì)算機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的控制屏內(nèi)，一般應(yīng)選用價(jià)格較高、使用液晶顯示器的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，有的顯示器也有觸摸鍵功能。上位計(jì)算機(jī)的程序可以用VC、VB等軟件來開發(fā)，也可以用組態(tài)軟件來生成控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序。使用組態(tài)軟件可以很容易地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備(如PLC)的通信，可生成用戶需要的有動(dòng)畫功能的各種人機(jī)接口畫面。組態(tài)軟件入門很容易，但是其價(jià)格較高，一套軟件只能使用一次。

2)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)某些生產(chǎn)過程必須連續(xù)不斷地進(jìn)行，因此要求控制裝置有極高的可靠性，在PLC出現(xiàn)故障時(shí)，也不允許停止生產(chǎn)，這種系統(tǒng)可以使用有冗余控制功能的PLC。冗余控制系統(tǒng)一般采用兩個(gè)或三個(gè)CPU模塊，其中一個(gè)直接參與控制，其余的作為備用。參與控制的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，立即投入備用CPU。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，某些重要的I/O模塊、通信模塊和通信電纜也應(yīng)采取冗余措施。8.1.3PLC及其組件的選型

1．PLC的型號(hào)選擇在確定PLC的型號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮以下問題。

1)?PLC的硬件功能開關(guān)量控制是PLC的基本功能，對(duì)于開關(guān)量控制系統(tǒng)，主要需考慮PLC的最大開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)是否能滿足系統(tǒng)的要求。某些系統(tǒng)對(duì)PLC的功能有特殊要求，如通信聯(lián)網(wǎng)、PID閉環(huán)控制、快速響應(yīng)、高速計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制等，模塊式PLC應(yīng)考慮是否有相應(yīng)的特殊功能模塊。有的整體式PLC集成有高速計(jì)數(shù)器、高速脈沖輸出、模擬量調(diào)節(jié)電位器、脈沖捕捉、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷等功能。對(duì)于有模擬量輸入/輸出的系統(tǒng)，需要考慮PLC的最大模擬量I/O點(diǎn)數(shù)是否能滿足要求，每個(gè)模塊的點(diǎn)數(shù)和平均每點(diǎn)的價(jià)格。

2)?PLC指令系統(tǒng)的功能對(duì)于小型單臺(tái)僅需要開關(guān)量控制的設(shè)備，一般的小型PLC便可以滿足要求。如果系統(tǒng)要求PLC完成某些特殊的功能，應(yīng)考慮PLC的指令系統(tǒng)是否有相應(yīng)的指令來支持。例如使用RS-232C通信方式時(shí)，需要對(duì)傳送的數(shù)據(jù)按字節(jié)作求和校驗(yàn)或異或校驗(yàn)，應(yīng)考慮是否有專用的求校驗(yàn)碼的指令，如三菱FX系列的CCD指令。如果沒有專用指令，則應(yīng)考慮是否可以用通用指令來實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

3)?PLC物理結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)物理結(jié)構(gòu)，可以將PLC分為整體式和模塊式。整體式PLC每一I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式PLC。而模塊式PLC的功能擴(kuò)展方便靈活，I/O點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O模塊的種類和塊數(shù)、特殊I/O模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC大得多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復(fù)雜的、要求較高的系統(tǒng)一般選用模塊式PLC。

4)確定輸入/輸出(I/O)點(diǎn)數(shù)

PLC的CPU模塊型號(hào)的選擇、I/O模塊的數(shù)量和型號(hào)的選擇都與輸入/輸出點(diǎn)數(shù)有很大關(guān)系。應(yīng)確定哪些信號(hào)需要輸入給PLC；哪些負(fù)載由PLC驅(qū)動(dòng)；是開關(guān)量還是模擬量；是直流量還是交流量，以及電壓的等級(jí)；是否有特殊要求，如快速響應(yīng)等；并建立相應(yīng)的表格。如果系統(tǒng)不同部分相互距離很遠(yuǎn)，可考慮使用遠(yuǎn)程。

5)估算需要的用戶程序存儲(chǔ)容量根據(jù)I/O點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)和下面的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可初步估算系統(tǒng)對(duì)PLC用戶程序存儲(chǔ)容量的要求。僅需開關(guān)量控制時(shí)，將I/O點(diǎn)數(shù)乘以8，就是所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)。僅有模擬量輸入，無模擬量輸出時(shí)，為每路模擬量準(zhǔn)備100個(gè)存儲(chǔ)器字。既有模擬量輸入，又有模擬量輸出時(shí)，為每路模擬量準(zhǔn)備200個(gè)存儲(chǔ)器字。有的PLC允許用存儲(chǔ)器卡來增加用戶存儲(chǔ)器的容量。

2．I/O模塊的選型

PLC的型號(hào)選好后，根據(jù)I/O表和可供選擇的I/O模塊的類型，可確定I/O模塊的型號(hào)和塊數(shù)。選擇I/O模塊時(shí)，I/O點(diǎn)數(shù)一般應(yīng)留有10%～20%的裕量，以備今后系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)使用。

1)開關(guān)量輸入模塊輸入電壓的選擇開關(guān)量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC220V。直流輸入電路的延遲時(shí)間較短，可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入裝置連接。交流輸入方式適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用，在這種條件下交流輸入觸點(diǎn)的接觸較為可靠。

2)開關(guān)量輸出模塊的選擇繼電器型輸出模塊的工作電壓范圍廣，觸點(diǎn)的導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但是動(dòng)作速度較慢，觸點(diǎn)壽命(動(dòng)作次數(shù))有一定的限制。如果系統(tǒng)的輸出信號(hào)變化不是很頻繁，建議優(yōu)先選用繼電器型的。晶體管型與雙向晶閘管型輸出模塊分別用于直流負(fù)載和交流負(fù)載，它們的可靠性高，反應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，但是過載能力稍差。選擇時(shí)應(yīng)考慮負(fù)載電壓的種類和大小、系統(tǒng)對(duì)延遲時(shí)間的要求、負(fù)載狀態(tài)變化是否頻繁等，還應(yīng)注意同輸出模塊對(duì)電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和白熾燈的驅(qū)動(dòng)能力的差異。如某繼電器型模塊的最高工作電壓為AC250V，可驅(qū)動(dòng)2A的電阻性負(fù)載、80VA的電感性負(fù)載和100W的白熾燈。輸出模塊的輸出電流額定值應(yīng)大于負(fù)載電流的最大值，大多數(shù)模塊對(duì)每組的總輸出電流也有限制，如0.5A/點(diǎn)、0.8A/4點(diǎn)。選擇I/O模塊還需要考慮下面的問題。

(1)輸入模塊的輸入電路應(yīng)與外部傳感器的輸出電路的類型配合，使二者能直接相連。例如有的PLC的輸入模塊只能與NPN管集電極開路輸出的傳感器直接相連，如果選用NPN管發(fā)射極輸出的傳感器，則需要在二者之間增加轉(zhuǎn)換電路。

(2)?PLC的模擬量輸入、輸出是電壓還是電流，變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的量程與模擬量輸入、輸出模塊的量程是否匹配。模擬量模塊的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)反映了模塊的分辨率，8位的分辨率低，價(jià)格便宜，12位的則反之。模擬量模塊的轉(zhuǎn)換時(shí)間反映了模塊的工作速度。

(3)成本方面的考慮：選擇某些高密度I/O模塊(如32點(diǎn)開關(guān)量I/O模塊)，可以降低系統(tǒng)成本，但是高密度模塊一般用D型插座來連接I/O線，不如普通I/O模塊的接線端子那樣方便。

(4)響應(yīng)時(shí)間和抗干擾能力：I/O模塊有不同的響應(yīng)時(shí)間和抗干擾能力。一般來說，更高的響應(yīng)速度將會(huì)犧牲干擾抑制能力。如果高的響應(yīng)速度不是必需的，選擇有更高的干擾抑制能力但較慢的I/O模塊將會(huì)更好。

(5)高速輸入：高速計(jì)數(shù)器可對(duì)編碼器提供的高速脈沖序列計(jì)數(shù)，可提供與PLC的掃描工作方式無關(guān)的高速輸出。

3．模塊式PLC的基板與模塊的選擇

(1)基板。模塊式PLC通過基板將模塊組成一個(gè)系統(tǒng)(稱為機(jī)架)。選型時(shí)主要考慮基板支持的I/O模塊數(shù)量。

(2)電源模塊的選擇。根據(jù)系統(tǒng)所選取的模塊型號(hào)、數(shù)量和各模塊對(duì)電源的需求，確定要求的電源供電容量和輸出電壓等級(jí)，在PLC可供選擇的電源模塊中選擇電源模塊的型號(hào)。

(3)通信模塊。根據(jù)通信接口的點(diǎn)數(shù)、PLC和通信模塊支持的通信距離、通信速率、有關(guān)的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)來選擇通信模塊。8.1.4軟、硬件的調(diào)試

1．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與組態(tài)

(1)給各輸入、輸出變量分配地址。因?yàn)樘菪螆D中變量的地址與PLC的外部接線端子號(hào)是一致的，這一步為繪制硬件接線圖做好了準(zhǔn)備，也為梯形圖的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。

(2)畫出PLC的外部硬件接線圖以及其他電氣原理圖和接線圖。

(3)畫出操作站和控制柜面板的機(jī)械布置圖和內(nèi)部的機(jī)械安裝圖。

(4)在某些編程軟件中，需要對(duì)模塊式PLC的硬件組態(tài)，組態(tài)畫面中的模塊型號(hào)和安裝位置應(yīng)與實(shí)際的模塊一樣，此外還需要設(shè)置各模塊的參數(shù)。有的模塊需要用模塊上的DIP開關(guān)來完成模塊的硬件組態(tài)，如設(shè)置通信模塊的地址和通信參數(shù)等。

2．軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化程序、主程序、子程序、中斷程序、故障應(yīng)急措施和輔助程序的設(shè)計(jì)等，小型開關(guān)量控制系統(tǒng)一般只有主程序。首先應(yīng)根據(jù)總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定用戶程序的基本結(jié)構(gòu)，畫出程序流程圖或開關(guān)量控制系統(tǒng)的順序功能圖。它們是編程的主要依據(jù)，應(yīng)盡可能地準(zhǔn)確和詳細(xì)。較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的梯形圖可以用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，復(fù)雜的系統(tǒng)一般用順序控制設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)。畫出系統(tǒng)的順序功能圖后，根據(jù)它設(shè)計(jì)出梯形圖程序。有的編程軟件可以直接用順序功能圖語言來編程。在編程軟件中，可給用戶程序中的各個(gè)變量命名，變量名稱可在梯形圖中顯示出來，便于程序的閱讀和調(diào)試。變量名稱的定義要簡(jiǎn)短、明確。

3．軟件的模擬調(diào)試

設(shè)計(jì)好用戶程序后，一般先做模擬調(diào)試。有的PLC廠家提供了在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，可以代替PLC硬件來調(diào)試用戶程序的仿真軟件，例如西門子公司的與STEP7編程軟件配套的S7-PLCSIM仿真軟件、三菱公司的與SW3D5C-GPPW-C編程軟件配套的SW3D5C-LLT-C仿真軟件。在仿真時(shí)，按照系統(tǒng)功能的要求，將某些位輸入元件強(qiáng)制為ON或OFF或改寫某些元件中的數(shù)據(jù)，監(jiān)視系統(tǒng)功能是否能正確實(shí)現(xiàn)。如果有PLC的硬件，可用小開關(guān)和按鈕來模擬PLC實(shí)際的輸入信號(hào)，例如用它們發(fā)出操作指令；或在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用它們來模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。通過輸出模塊上各輸出位對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)的要求。調(diào)試順序控制程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合順序功能圖的規(guī)定。即在某一轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)時(shí)，是否發(fā)生步的活動(dòng)狀態(tài)的正確變化：該轉(zhuǎn)換所有的前級(jí)步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在調(diào)試時(shí)，應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對(duì)系統(tǒng)各種不同的工作方式、順序功能圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)修改程序，直到在各種可能的情況下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系完全符合要求。對(duì)于用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的電路或根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計(jì)的電路，為了調(diào)試程序方便，有時(shí)需要根據(jù)用戶程序畫出對(duì)應(yīng)的順序功能圖，用它來調(diào)試程序。如果程序中某些定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時(shí)間，可以在調(diào)試時(shí)將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。在編程軟件中，可用梯形圖來監(jiān)視程序的運(yùn)行。觸點(diǎn)和線圈的ON/OFF狀態(tài)用不同的顏色來表示，也可以用元件監(jiān)視功能來監(jiān)視、改寫或強(qiáng)制感興趣的編程元件。

4．硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試

在對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試的同時(shí)，可以設(shè)計(jì)、制作控制屏，PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行。完成控制屏內(nèi)部的安裝接線后，應(yīng)對(duì)控制屏內(nèi)的接線進(jìn)行測(cè)試?？稍诳刂破恋慕泳€端子上模擬PLC外部的開關(guān)量輸入信號(hào)，或操作控制屏面板上的按鈕和指令開關(guān)，觀察對(duì)應(yīng)的PLC輸入點(diǎn)的狀態(tài)變化是否正確。用編程器或編程軟件將PLC的輸出點(diǎn)強(qiáng)制為ON或OFF，觀察對(duì)應(yīng)的控制屏內(nèi)的PLC負(fù)載(如外部的繼電器、接觸器)的動(dòng)作是否正常，或?qū)?yīng)的控制屏接線端子上的輸出信號(hào)的狀態(tài)變化是否正確。對(duì)于有模擬量輸入的系統(tǒng)，可給控制屏內(nèi)的變送器提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)，通過硬件調(diào)整或調(diào)節(jié)程序中的系數(shù)，使模擬量輸入信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間的關(guān)系滿足要求。在現(xiàn)場(chǎng)安裝好控制屏后，接入外部的輸入元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與控制屏內(nèi)的調(diào)試類似，首先檢查控制屏外的輸入信號(hào)是否能正確地送到PLC的輸入端，PLC的輸出信號(hào)是否能正確操作控制屏外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。完成上述的調(diào)試后，將PLC置于RUN狀態(tài)，運(yùn)行用戶程序，檢查控制系統(tǒng)是否能滿足要求。在調(diào)試過程中將暴露出系統(tǒng)中可能存在的硬件問題，以及梯形圖設(shè)計(jì)中的問題，發(fā)現(xiàn)問題后在現(xiàn)場(chǎng)加以解決，直到完全符合要求。按系統(tǒng)驗(yàn)收規(guī)程的要求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)收合格后，才能交付使用。

5．整理技術(shù)文件根據(jù)調(diào)試的最終結(jié)果整理出完整的技術(shù)文件并提供給用戶，以便于今后系統(tǒng)的維護(hù)與改進(jìn)。技術(shù)文件應(yīng)包括：

(1)?PLC的外部接線圖和其他電氣圖紙。

(2)?PLC的編程元件表，包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的設(shè)定值等。

(3)帶注釋的程序和必要的總體文字說明。8.2降低PLC系統(tǒng)費(fèi)用的方法

PLC在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)碰到兩個(gè)問題：一是控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)太多，PLC的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠，需要擴(kuò)展，而PLC的每一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)的平均價(jià)格都在百元以上，增加擴(kuò)展單元，不僅使得設(shè)備的體積變大，而且投資也隨之增加；二是已選定的PLC可擴(kuò)展輸入或輸出點(diǎn)數(shù)有限，無法再增加，被迫提高PLC的檔次。因此，在滿足控制要求的前提下，合理使用I/O點(diǎn)數(shù)，盡量減少所需的I/O點(diǎn)數(shù)，是降低系統(tǒng)硬件費(fèi)用的主要措施。下面介紹幾種常用的減少I/O點(diǎn)數(shù)的方法。8.2.1減少輸入點(diǎn)數(shù)

1．分組輸入一般控制系統(tǒng)都要設(shè)置“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種工作方式，自動(dòng)程序和手動(dòng)程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行?？梢詫⑦@兩種工作方式分別使用的輸入信號(hào)分成兩組，如圖8.2所示，S1～S8為“自動(dòng)”輸入信號(hào)，K1～K8為“手動(dòng)”輸入信號(hào)，兩組輸入信號(hào)共用PLC的輸入點(diǎn)X400～X407。工作方式選擇開關(guān)SA用來切換“自動(dòng)”和“手動(dòng)”信號(hào)的輸入電路，并通過X410讓PLC識(shí)別，從而選擇執(zhí)行自動(dòng)程序或手動(dòng)程序。圖8.2分組輸入圖中二極管是為了防止出現(xiàn)寄生電路，從而使PLC產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸入信號(hào)而設(shè)置的。假如沒有這些二極管，系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)，即SA在“自動(dòng)”位置，若K1、K2、S1閉合，S2斷開，這時(shí)將有電流從端子X401流出，經(jīng)K2→K1→S1→COM形成寄生回路，使輸入繼電器X401接通。但是，這時(shí)S2并未閉合，所以是一個(gè)錯(cuò)誤的輸入信號(hào)。各開關(guān)串入二極管后，切斷了寄生電流回路，避免了錯(cuò)誤輸入信號(hào)的產(chǎn)生。

2．矩陣輸入將輸入/輸出進(jìn)行矩陣連接，構(gòu)成矩陣輸入電路，可顯著減少所需的PLC輸入點(diǎn)數(shù)。圖8.3是3?×?3矩陣式輸入電路。用三個(gè)輸出點(diǎn)(Y430、Y431、Y432)和三個(gè)輸入點(diǎn)(X400、X401、X402)實(shí)現(xiàn)9個(gè)開關(guān)量輸入設(shè)備的輸入。圖8.3矩陣式輸入電路設(shè)輸出模塊為繼電器輸出型，工作時(shí)輸出點(diǎn)Y430～Y432輪流導(dǎo)通，由輸入端X400～X402分別輸入3組開關(guān)的狀態(tài)。輸入X400～X402的公共端COM與輸出Y430～Y432的公共端COM3連在一起。當(dāng)輸出點(diǎn)Y430接通時(shí)，讀K1～K3的狀態(tài)。如果K1閉合，電流從X400端流出，經(jīng)D1→K1→Y430端子，再經(jīng)Y430的輸出觸點(diǎn)從輸出公共端COM3流出，最后流回輸入公共端COM，使輸入繼電器X400接通。在梯形圖中應(yīng)將Y430的常開觸點(diǎn)分別與X400～X402的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，分別對(duì)應(yīng)K1～K3的輸入。Y431接通時(shí)，讀入K4～K6的狀態(tài)。Y432接通時(shí)，讀入K7～K9的狀態(tài)。圖中二極管是用來切斷寄生電路的。圖8.4(a)是控制矩陣輸入的梯形圖。該程序采用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)Y430、Y431、Y432輪流輸出。移位寄存器的移位脈沖周期應(yīng)大于PLC的掃描周期。由于輸入信號(hào)是分時(shí)讀入的，外部的連續(xù)信號(hào)讀入后變成了一系列斷續(xù)的脈沖信號(hào)(見圖8.4(b))，設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)注意這一問題。另外還應(yīng)注意輸入信號(hào)的寬度應(yīng)大于Y430、Y431、Y432輪流導(dǎo)通一遍的時(shí)間，即大于矩陣輸入的周期，否則可能丟失輸入信息。輸入矩陣的行數(shù)和列數(shù)越多，這種輸入方式節(jié)約PLC輸入點(diǎn)數(shù)的效果越明顯。應(yīng)當(dāng)注意圖中Y430～Y432已作為矩陣輸入電路的組成部分，就不能再用它們?nèi)タ刂仆獠控?fù)載了。這種方法占用了輸出點(diǎn)，只有在系統(tǒng)輸出點(diǎn)富裕時(shí)才可能使用。圖8.4矩陣輸入的梯形圖和波形圖(a)梯形圖；(b)波形圖

3．組合輸入對(duì)于不會(huì)同時(shí)接通的輸入信號(hào)，可采用二極管組合編碼的方式輸入。如圖8.5所示，三個(gè)輸入信號(hào)K1、K2、K3只占用兩個(gè)輸入點(diǎn)，再通過PLC程序譯碼還原成與K1、K2、K3對(duì)應(yīng)的M100、M101、M102三個(gè)信號(hào)。

4．輸入設(shè)備的多功能化在傳統(tǒng)的繼電器電路中，一個(gè)主令電器(開關(guān)、按鈕等)只產(chǎn)生一種功能的信號(hào)。而通過發(fā)揮PLC內(nèi)部功能，以“軟”代“硬”，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入設(shè)備在不同條件下完成不同的功能，從而減少PLC的輸入點(diǎn)數(shù)。例如普通的啟保停電路需要啟動(dòng)和停止兩個(gè)按鈕，而圖8.6所示的電路，用一個(gè)按鈕通過X400輸入就可以控制輸出Y430的通與斷。圖中，當(dāng)Y430斷開時(shí)，按一下按鈕，X400接通，M100產(chǎn)生窄脈沖，使Y430接通并保持，再按一下按鈕，M100產(chǎn)生窄脈沖使M101接通，M101的常閉觸點(diǎn)使Y430斷開。圖8.5組合輸入圖8.6用一只按鈕控制的啟保停電路

5．輸入觸點(diǎn)的合并修改外部電路，將某些功能相同的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)或?qū)⒊ｉ_觸點(diǎn)并聯(lián)后再輸入PLC，這些信號(hào)就只占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)了。一些保護(hù)電路和報(bào)警電路就常常采用這種方式輸入。

6．將某些輸入信號(hào)設(shè)置在PLC之外系統(tǒng)中有些輸入信號(hào)功能簡(jiǎn)單，涉及面窄，如某些手動(dòng)操作按鈕、電動(dòng)機(jī)熱繼電器FR的常閉觸點(diǎn)，沒有必要作為PLC的輸入，將它們?cè)O(shè)置在PLC之外的硬件電路中(如圖8.7所示)同樣可滿足要求。但是某些手動(dòng)按鈕需要串接一些安全連鎖觸點(diǎn)，如果外部連鎖電路過于復(fù)雜，則還是考慮將有關(guān)信號(hào)輸入PLC，用軟件實(shí)現(xiàn)連鎖。圖8.7輸入信號(hào)設(shè)在PLC之外8.2.2減少輸出點(diǎn)數(shù)

1．分組輸出當(dāng)兩種負(fù)載不會(huì)同時(shí)工作時(shí)，可通過外部的或PLC控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA切換，PLC的每個(gè)輸出點(diǎn)可以控制兩個(gè)不同時(shí)工作的負(fù)載。如圖8.8所示，KM1、KM3、KM5與KM2、KM4、KM6兩組不會(huì)同時(shí)接通，用外部轉(zhuǎn)換開關(guān)SA進(jìn)行切換。

2．矩陣輸出圖8.9采用8個(gè)輸出組成4?×?4矩陣，可接16個(gè)輸出設(shè)備。要使某個(gè)負(fù)載接通工作，只要控制它所在的行與列對(duì)應(yīng)的輸出繼電器接通即可。例如：要使負(fù)載KM1得電工作，必須控制Y430和Y434輸出接通。因此，在程序中要使某一負(fù)載工作，必須使其對(duì)應(yīng)的行列輸出繼電器都要接通，這樣用8個(gè)輸出點(diǎn)就可控制16個(gè)不同控制要求的負(fù)載。圖8.8分組輸出圖8.9矩陣輸出應(yīng)當(dāng)指出的是：只有某一行對(duì)應(yīng)的輸出繼電器接通，各列對(duì)應(yīng)的輸出繼電器才可任意接通；或者只有某一列對(duì)應(yīng)的輸出繼電器接通，各行對(duì)應(yīng)的輸出繼電器才可任意接通，否則將會(huì)出現(xiàn)負(fù)載錯(cuò)誤接通。采用矩陣輸出時(shí)，必須將同一時(shí)間段接通的負(fù)載安排在同一行或者同一列中，否則無法控制。

3．并聯(lián)輸出兩個(gè)通/斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載并聯(lián)后，可以共用PLC的一個(gè)輸出點(diǎn)。不過應(yīng)注意，PLC輸出點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載時(shí)，要考慮PLC輸出點(diǎn)是否有足夠的帶負(fù)載的能力。

4．負(fù)載的多功能化在繼電器控制電路中，一個(gè)指示燈只能指示一種狀態(tài)，而在PLC控制系統(tǒng)中，利用軟件可實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出點(diǎn)控制指示燈常亮或閃爍，顯示兩種不同的信息。

5．某些輸出設(shè)備設(shè)置在PLC之外系統(tǒng)中某些相對(duì)獨(dú)立的或比較簡(jiǎn)單的部分，可以直接用繼電器電路控制，這樣可減少所需PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。8.3提高系統(tǒng)的可靠性8.3.1運(yùn)行環(huán)境的改善

PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，一般不需要采取特別措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。但是必須嚴(yán)格按照技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的條件使用，才能保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行。同時(shí)還應(yīng)考慮與PLC配合的外部電路的可靠性。

1．工作環(huán)境

(1)溫度：0～55℃。

(2)濕度：相對(duì)濕度為85%以下(無結(jié)露)。

(3)振動(dòng)和沖擊：遠(yuǎn)離強(qiáng)烈振動(dòng)、沖擊場(chǎng)所。

(4)周圍環(huán)境不能有灰塵、油煙、導(dǎo)電性粉塵、腐蝕性氣體和可燃性氣體。

(5)?PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，在控制柜內(nèi)，PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源和動(dòng)力線，如大功率晶閘管裝置、高頻焊機(jī)和大型動(dòng)力設(shè)備等(二者之間的距離應(yīng)大于200mm)。

2．改善環(huán)境條件的措施

1)改善溫度條件的措施

(1)高溫對(duì)策。如果控制系統(tǒng)周圍溫度超過極限溫度(55℃)，必須采取下面的有效措施，迫使環(huán)境溫度低于極限值。①盤柜內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇或冷風(fēng)機(jī)，通過濾網(wǎng)把自然風(fēng)引入盤柜內(nèi)。由于風(fēng)扇壽命不長(zhǎng)，必須和濾網(wǎng)一起定期檢修。使用冷風(fēng)機(jī)時(shí)注意不能結(jié)露。②把控制系統(tǒng)置于有空調(diào)的控制室內(nèi)，不能直接放在陽光下。③控制器的安裝要考慮通風(fēng)，控制器的上下、左右、前后都要留有約50mm的空間距離，I/O模塊配線時(shí)要使用導(dǎo)線槽，以免妨礙通風(fēng)。④安裝時(shí)要把發(fā)熱體，如電阻器或交流接觸器等遠(yuǎn)離控制器，或者把控制器安裝在發(fā)熱體的下面。

(2)低溫對(duì)策。①盤柜內(nèi)設(shè)置加熱器，冬季時(shí)這種加熱特別有效，可使盤柜內(nèi)溫度保持在0℃以上，或者在10℃左右。設(shè)置加熱器時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?，以保證能在高溫時(shí)自動(dòng)切斷加熱器電源，低溫時(shí)自動(dòng)接通電源。②停運(yùn)時(shí)，不切斷控制器和I/O模塊電源，靠其本身的發(fā)熱量維持其溫度，特別是夜間低溫時(shí)，這種措施是有效的。③溫度有急劇變化的場(chǎng)合，不要打開盤柜的門，以防冷空氣進(jìn)入。

2)改善濕度條件的措施

(1)盤、柜設(shè)計(jì)成封閉型，并放入吸濕劑。

(2)把外部干燥的空氣引入盤、柜內(nèi)。

(3)印刷電路板上再覆蓋一層保護(hù)層，如噴松香水等。

(4)在溫度低、極干燥的場(chǎng)合進(jìn)行檢修時(shí)，人體盡量不接觸模塊，以防感應(yīng)電損壞器件。

3)防振和防沖擊措施

(1)如果振動(dòng)來自盤、柜之外，可對(duì)相應(yīng)的盤、柜采用防振橡皮，以達(dá)到減振的目的,亦可把盤、柜設(shè)置在遠(yuǎn)離振源的地方。

(2)如果振動(dòng)來自盤、柜內(nèi)，則要把產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的設(shè)備從盤、柜內(nèi)移走。

(3)強(qiáng)固控制器或I/O模塊印刷板、連接器等可產(chǎn)生松動(dòng)的部件或器件，連接線也要固定緊。

4)改善周圍環(huán)境空氣條件的措施

(1)盤、柜采用封閉型結(jié)構(gòu)。

(2)盤、柜內(nèi)打入高壓清潔空氣，使外界不清潔空氣不能進(jìn)入盤、柜內(nèi)部。

(3)印刷板表面涂一層保護(hù)層，如松香水等。上述種種措施都不能保證在任何情況下絕對(duì)有效，有時(shí)需要根據(jù)具體情況采用綜合防護(hù)措施。8.3.2控制系統(tǒng)的冗余使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，雖然可編程控制器的可靠性和安全性高，但無論使用什么樣的設(shè)備，故障總是難免的。某些過程控制系統(tǒng)，如化工、石油、造紙、冶金、核電站等工業(yè)部門中的某些系統(tǒng)，要求控制裝置有極高的可靠性。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由此引起的停產(chǎn)或設(shè)備損壞將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，一般可采用可靠性高的可編程控制器，并使其在允許的條件下工作。但僅僅通過提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性，有時(shí)是滿足不了控制系統(tǒng)可靠性要求的。因?yàn)镻LC本身可靠性的提高有一定限度，并且可靠性的提高會(huì)使成本急劇增加。使用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)是提高控制系統(tǒng)可靠性的有效措施。

1．冗余控制系統(tǒng)“冗余”意思是“多余的重復(fù)”。冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8.10所示。在冗余控制系統(tǒng)中，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)(或系統(tǒng)中最重要的部分，如CPU模塊)由兩套完全相同的硬件組成。是否使用備用的I/O系統(tǒng)，取決于系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求。兩塊CPU模塊使用相同的用戶程序并行工作，其中一塊是主CPU，另一塊是備用CPU。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由主CPU控制系統(tǒng)工作，備用CPU的I/O映像寄存器和其他寄存器通過RPU(冗余處理單元)被主CPU同步刷新，但備用CPU被禁止輸出。當(dāng)主CPU發(fā)出故障信息后，RPU在1～3個(gè)掃描周期內(nèi)將控制功能切換到備用CPU，I/O系統(tǒng)的切換也是由RPU完成的。圖8.10冗余系統(tǒng)

2．熱備用系統(tǒng)熱備用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，沒有冗余處理單元RPU，其結(jié)構(gòu)如圖8.11所示。兩臺(tái)CPU用通信接口連在一起。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由主CPU通知備用CPU，并實(shí)現(xiàn)切換，其切換過程一般較慢。另外，在老系統(tǒng)改造的場(chǎng)合，原有的繼電器控制盤最好不要立即拆除，應(yīng)保留其原有的功能，以作為控制系統(tǒng)的后備手段使用。對(duì)于新建項(xiàng)目，就不必采用此方案。圖8.11熱備用系統(tǒng)8.3.3控制系統(tǒng)的供電電源是干擾PLC的主要途徑之一，所以供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響控制系統(tǒng)的可靠性。下面介紹幾種常用的供電措施。

1．使用隔離變壓器分離供電如圖8.12所示，控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主回路電源分開。這樣，當(dāng)輸入、輸出供電中斷時(shí)不會(huì)影響控制器的供電。注意應(yīng)用帶屏蔽層的隔離變壓器，還可以在隔離變壓器二次側(cè)串接LC濾波電路，隔離變壓器與PLC之間采用雙絞線連接。系統(tǒng)動(dòng)力線應(yīng)足夠粗，以降低大容量設(shè)備啟動(dòng)時(shí)引起的線路壓降。外部輸入電路用的外接直流電源最好采用穩(wěn)壓電源，那種僅將交流電壓整流濾波的電源含有較強(qiáng)的紋波，可能使PLC接收到錯(cuò)誤的信息。圖8.12使用隔離變壓器供電系統(tǒng)

2．使用UPS供電不間斷電源UPS是電子計(jì)算機(jī)的有效保護(hù)裝置，平時(shí)處于充電狀態(tài)，當(dāng)輸入交流電(～220V)失電時(shí)，UPS能自動(dòng)切換到輸出狀態(tài)，繼續(xù)向系統(tǒng)供電。圖8.13是使用UPS的供電示意圖。根據(jù)UPS的容量，在交流失電后，可繼續(xù)向控制器供電10～30分鐘，因此對(duì)于非長(zhǎng)時(shí)間停電的系統(tǒng)，其效果是顯著的。

3．使用雙路供電為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，交流供電最好采用分別引自不同變電所的雙路電源，當(dāng)一路供電出現(xiàn)故障，能自動(dòng)切換到另一路供電。圖8.13使用UPS的供電系統(tǒng)8.3.4系統(tǒng)的抗干擾措施

1．合理布線

(1)?I/O線與控制線應(yīng)分開走線，并保持一定距離。如不得已要在同一線槽中布線，應(yīng)使用屏蔽電纜。

(2)交流線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線。

(3)開關(guān)量、模擬量I/O線最好也分開敷設(shè)。傳送模擬信號(hào)最好采用屏蔽線，且屏蔽線的屏蔽層應(yīng)一端接地。

(4)?PLC的基本單元與擴(kuò)展單元之間電纜傳送的信號(hào)電壓低、頻率高，很容易受干擾，不能與其他線敷設(shè)在同一線槽內(nèi)。

2．PLC的接地良好的接地是PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件，PLC控制系統(tǒng)的接地一般有圖8.14所示的三種方法。PLC最好單獨(dú)接地，如圖(a)所示；如果做不到每個(gè)設(shè)備專用接地，也可以采用公共接地方式，如圖(b)所示；但禁止采用如圖(c)所示的串聯(lián)接地方式，特別應(yīng)該避免與電動(dòng)機(jī)、變壓器等動(dòng)力設(shè)備串聯(lián)接地，因?yàn)檫@種接地方式會(huì)產(chǎn)生PLC與設(shè)備之間的電位差。另外，PLC的接地還應(yīng)注意：

(1)接地線應(yīng)盡量粗，一般接地線截面應(yīng)大于2mm2。

(2)接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近PLC，接地點(diǎn)與PLC間的距離不大于50m。

(3)接地線應(yīng)盡量避開強(qiáng)電回路和主回路的電線，不能避開時(shí)，應(yīng)垂直相交，盡量縮短平行走線長(zhǎng)度。圖8.14PLC的接地(a)單獨(dú)接地；(b)公共接地；(c)串聯(lián)接地

3．某些輸入/輸出電路的處理

1)兩線式傳感器輸入的處理若PLC的輸入設(shè)備采用接近開關(guān)、光電開關(guān)等這一類兩線式傳感器，它們的漏電流較大時(shí)，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸入信號(hào)。可以在輸入端并聯(lián)旁路電阻R，以減少輸入電阻，如圖8.15所示。旁路電阻R的阻值由下式確定：式中：I為傳感器的漏電流，Ue、Ie分別為PLC的額定輸入電壓和額定輸入電流，UL為PLC輸入電壓低電平的上限值。圖8.15兩線式傳感器輸入電路的處理

2)由晶體管提供輸入信號(hào)的處理如果PLC輸入信號(hào)由晶體管提供，則要求晶體管的截止電阻應(yīng)大于10kΩ，導(dǎo)通電阻應(yīng)小于800Ω。

3)感性輸入/輸出的處理

PLC的輸入端或輸出端常常接有感性元件。如果是直流感性元件，應(yīng)在其兩端并聯(lián)續(xù)流二極管；如果是交流感性元件，應(yīng)在其兩端并聯(lián)阻容吸收電路，以抑制電路斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)PLC內(nèi)部元件的影響。以上兩種情況如圖8.16所示，圖中元件參數(shù)選擇要適當(dāng)，才能起到較好的效果。電阻值可以取51～120Ω；電容可以取0.1～1.47μF，電容的額定電壓應(yīng)大于電源峰值電壓；續(xù)流二極管可選額定電流1A的管子，其額定電壓應(yīng)大于電源電壓的3倍。圖8.16感性輸入/輸出電路的處理8.4PLC的數(shù)據(jù)通信8.4.1概述在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有各種各樣的控制要求。如在一個(gè)較大規(guī)模的檢測(cè)與控制系統(tǒng)中常常有幾十個(gè)、幾百個(gè)甚至更多個(gè)被測(cè)和被控變量，若用一個(gè)可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)，則在速度和容量上難以滿足要求。有的被測(cè)和被控變量在地理位置上比較分散,若用一個(gè)可編程序控制器來完成，則要鋪設(shè)大量長(zhǎng)距離的輸入、輸出信號(hào)電纜?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程正在追求整體過程的綜合自動(dòng)化，即要求把過程控制自動(dòng)化和信息管理自動(dòng)化結(jié)合起來,顯然這個(gè)控制要求單靠可編程序控制器是做不到的。面對(duì)復(fù)雜的控制要求，現(xiàn)在的可編程序控制器普遍融入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。PLC網(wǎng)絡(luò)包括PLC控制網(wǎng)絡(luò)與PLC通信網(wǎng)絡(luò)兩種，人們常常不加以區(qū)分，把這兩種PLC網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成一回事，其實(shí)它們是不同的。

PLC控制網(wǎng)絡(luò)是指只傳送ON/OFF開關(guān)量，且一次傳送的數(shù)據(jù)量較少的網(wǎng)絡(luò)。例如PLC的遠(yuǎn)程I/O鏈路，通過Link區(qū)交換數(shù)據(jù)的PLC同位系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是盡管要傳送的開關(guān)量遠(yuǎn)離PLC，但PLC對(duì)它們的操作，就像直接對(duì)自己的I/O區(qū)操作一樣簡(jiǎn)單、方便、迅速。

PLC通信網(wǎng)絡(luò)又稱高速數(shù)據(jù)公路，這類網(wǎng)絡(luò)既可傳送開關(guān)量又可傳送數(shù)字量，一次通信傳送的數(shù)據(jù)量較大。這類網(wǎng)絡(luò)的工作過程類似于普通局域網(wǎng)，比如A-B的DH+網(wǎng)，西門子的SINEC-Hl網(wǎng)，MODICON的Modbus+網(wǎng)等都屬于PLC通信網(wǎng)絡(luò)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，PLC控制網(wǎng)絡(luò)只傳送開關(guān)量不傳送數(shù)字量的限制被突破。其實(shí)開關(guān)量與數(shù)字量本身并沒有界限，多位開關(guān)量并在一起就是數(shù)字量。因此這兩種PLC網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別在于：PLC通信網(wǎng)絡(luò)的工作過程類似于普通局域網(wǎng)，PLC控制網(wǎng)絡(luò)的工作過程就像PLC對(duì)自己I/O區(qū)操作一樣。還需要說明的一點(diǎn)是：人們常把應(yīng)用系統(tǒng)中的PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)稱為PLC控制網(wǎng)絡(luò)，這是針對(duì)應(yīng)用而言的，與通信無關(guān)，一般不會(huì)造成混淆。

PLC網(wǎng)絡(luò)中常用的通信方式有以下幾種。

1．PLC控制網(wǎng)絡(luò)的“周期I/O方式”通信可編程序控制器的遠(yuǎn)程I/O鏈路就是一種PLC控制網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程I/O鏈路中采用“周期I/O方式”交換數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程I/O鏈路按主從方式工作，PLC帶的遠(yuǎn)程I/O主單元在遠(yuǎn)程I/O鏈路中擔(dān)任主站，其他遠(yuǎn)程I/O單元皆為從站。在主站中設(shè)立一個(gè)“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”，采用信箱結(jié)構(gòu)，劃分為n個(gè)分箱與每個(gè)從站一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)分箱再分為兩格，一格管發(fā)送，一格管接收。主站中負(fù)責(zé)通信的處理器采用周期掃描方式，按順序與各從站交換數(shù)據(jù)，把與其對(duì)應(yīng)的分箱中發(fā)送分格的數(shù)據(jù)送入從站，從從站中讀取數(shù)據(jù)放入與其對(duì)應(yīng)的分箱的接收分格中。這樣周而復(fù)始，使主站中的“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”得到周期性的刷新。在主站中PLC的CPU單元負(fù)責(zé)用戶程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行處理，每個(gè)周期都有一段時(shí)間集中進(jìn)行I/O處理，這時(shí)它對(duì)本地I/O單元及遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。PLC的CPU單元對(duì)用戶程序的周期性循環(huán)掃描，與PLC負(fù)責(zé)通信的處理器對(duì)各遠(yuǎn)程I/O單元的周期性掃描是異步進(jìn)行的。盡管PLC的CPU單元沒有直接對(duì)遠(yuǎn)程I/O單元進(jìn)行操作，但是由于遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)獲得周期性的刷新，PLC的CPU單元對(duì)遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)的讀寫操作就相當(dāng)于直接訪問了遠(yuǎn)程I/O單元。主站中負(fù)責(zé)通信的處理器采用周期掃描方式與各從站交換數(shù)據(jù)，使主站中“遠(yuǎn)程I/O緩沖區(qū)”得到周期性刷新，這樣一種通信方式既涉及到周期又涉及到I/O，因而被稱為“周期I/O方式”。這種通信方式要占用PLC的I/O區(qū)，因此只適用于少量數(shù)據(jù)的通信。從表面看來，遠(yuǎn)程I/O鏈路的通信就好像是PLC直接對(duì)遠(yuǎn)程I/O單元進(jìn)行讀寫操作，因此簡(jiǎn)單、方便。

2．PLC控制網(wǎng)絡(luò)的“全局I/O方式”通信全局I/O方式是一種串行共享存儲(chǔ)區(qū)通信方式，它主要用于帶有鏈接區(qū)的PLC之間的通信。全局I/O方式的通信原理如圖8.17所示。圖8.17全局I/O方式的通信原理在PLC網(wǎng)絡(luò)的每臺(tái)PLC的I/O區(qū)中各劃出一塊來作為鏈接區(qū)，每個(gè)鏈接區(qū)都采用如圖8.17所示的郵箱結(jié)構(gòu)。相同編號(hào)的發(fā)送區(qū)與接收區(qū)大小相同，占用相同的地址段，一個(gè)為發(fā)送區(qū)，其他皆為接收區(qū)。采用廣播方式通信。PLC1把1#發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLC2、PLC3收聽到后把它接收下來存入各自的1#接收區(qū)中。PLC2把2#發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLC1、PLC3把它接收下來存入各自的2#接收區(qū)中。PLC3把3#發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)在PLC網(wǎng)上廣播，PLC1、PLC2把它接收下來存入各自的3#接收區(qū)中。顯然，通過上述廣播通信過程，PLC1、PLC2、PLC3的各鏈接區(qū)中的數(shù)據(jù)是相同的，這個(gè)過程稱為等值化過程。通過等值化通信使得PLC網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)PLC的鏈接區(qū)中的數(shù)據(jù)保持一致。它既包含著自己送出去的數(shù)據(jù)，也包含著其他PLC送來的數(shù)據(jù)。由于每臺(tái)PLC的鏈接區(qū)大小一樣，占用的地址段相同，每臺(tái)PLC只要訪問自己的鏈接區(qū)，就等于訪問了其他PLC的鏈接區(qū)，也就相當(dāng)于與其他PLC交換了數(shù)據(jù)。這樣鏈接區(qū)就變成了名符其實(shí)的共享存儲(chǔ)區(qū)，共享區(qū)成為各PLC交換數(shù)據(jù)的中介。當(dāng)然，這里的共享存儲(chǔ)區(qū)與并行總線的共享存儲(chǔ)區(qū)在結(jié)構(gòu)上有些差別，它把物理上分布在各站的鏈接區(qū)，通過等值化通信使其好像重疊在一起，在邏輯上變成一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，大小與一個(gè)鏈接區(qū)一樣。這種共享存儲(chǔ)區(qū)稱為串行共享存儲(chǔ)區(qū)。鏈接區(qū)可以采用異步方式刷新(等值化)，也可以采用同步方式刷新。異步方式刷新與PLC中用戶程序無關(guān)，由各PLC所帶的通信處理器按順序進(jìn)行廣播通信，周而復(fù)始，使其所有鏈接區(qū)保持等值化。同步方式刷新是由用戶程序中對(duì)鏈接區(qū)的發(fā)送指令啟動(dòng)一次刷新。這種方式只有當(dāng)鏈接區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)變化時(shí)才刷新(等值化)，這樣事半功倍。全局I/O方式中的鏈接區(qū)是從PLC的I/O區(qū)劃分出來的，經(jīng)過等值化通信變成所有PLC共享(全局共享)，因此稱為“全局I/O方式”。這種方式下，PLC直接用讀寫指令對(duì)鏈接區(qū)進(jìn)行讀寫操作，簡(jiǎn)單、方便、快速。但應(yīng)注意，在一臺(tái)PLC中對(duì)某地址的寫操作在其他PLC中對(duì)同一地址只能進(jìn)行讀操作。與周期I/O方式一樣，全局I/O方式也要占用PLC的I/O區(qū)，因而只適用于少量數(shù)據(jù)的通信。

3．主從總線1∶N通信方式(PLC通信網(wǎng)絡(luò))主從總線通信方式又稱為1∶N通信方式，這是在PLC通信網(wǎng)絡(luò)上采用的一種通信方式。在總線結(jié)構(gòu)的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，其中只有1個(gè)主站，其他皆是從站。主從總線通信方式采用集中式存取控制技術(shù)分配總線使用權(quán)，通常采用輪詢表法。所謂輪詢表是一張從機(jī)號(hào)排列順序表，該表配置在主站中，主站按照輪詢表的排列順序?qū)恼具M(jìn)行詢問，看它是否要使用總線，從而達(dá)到分配總線使用權(quán)的目的。為了保證實(shí)時(shí)性，要求輪詢表包含每個(gè)從站號(hào)不能少于一次，這樣在周期輪詢時(shí)，每個(gè)從站在一個(gè)周期中至少有一次機(jī)會(huì)取得總線使用權(quán)，從而保證了每個(gè)站的基本實(shí)時(shí)性。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的站，可以在輪詢表中讓其從機(jī)號(hào)多出現(xiàn)幾次，這樣就用靜態(tài)的方式賦予該站較高的通信優(yōu)先權(quán)。在有些主從總線中把輪詢表法與中斷法結(jié)合使用，讓緊急任務(wù)可以打斷正常的周期輪詢而插入，獲得優(yōu)先服務(wù)，這就是用動(dòng)態(tài)方式賦予某項(xiàng)緊急任務(wù)以較高優(yōu)先權(quán)。存取控制只解決了誰使用總線的問題，獲得總線的從站還有如何使用總線的問題，即采用什么樣的數(shù)據(jù)傳送方式。主從總線通信方式中有兩種基本的數(shù)據(jù)傳送方式：一種是只允許主從通信，不允許從從通信，從站與從站要交換數(shù)據(jù)，必須經(jīng)主站中轉(zhuǎn)；另一種是既允許主從通信也允許從從通信，從站獲得總線使用權(quán)后先安排主從通信，再安排自己與其他從站(即從從)之間的通信。

4．令牌總線N∶N通信方式(PLC通信網(wǎng)絡(luò))

令牌總線通信方式又稱為N∶N通信方式。在總線結(jié)構(gòu)上的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，它們地位平等沒有主站與從站之分，也可以說每個(gè)站都是主站，所以稱之為N∶N通信方式。

N∶N通信方式采用令牌總線存取控制技術(shù)。在物理總線上組成一個(gè)邏輯環(huán)，讓一個(gè)令牌在邏輯環(huán)中按一定方向依次流動(dòng)，獲得令牌的站就取得了總線使用權(quán)。令牌總線存取控制方式限定每個(gè)站的令牌持有時(shí)間，保證在令牌循環(huán)一周時(shí)每個(gè)站都有機(jī)會(huì)獲得總線使用權(quán)，并提供優(yōu)先級(jí)服務(wù)，因此令牌總線存取控制方式具有較好的實(shí)時(shí)性。取得令牌的站采用什么樣的數(shù)據(jù)傳送方式對(duì)實(shí)時(shí)性影響非常明顯。如果采用無應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式，取得令牌的站可以立即向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束，通信過程也就完成了。如果采用有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式，取得令牌的站向目的站發(fā)送完數(shù)據(jù)后并不算通信完成，必須等目的站獲得令牌并把應(yīng)答幀發(fā)給發(fā)送站后，整個(gè)通信過程才結(jié)束。這樣一來響應(yīng)時(shí)間明顯增長(zhǎng)，而使實(shí)時(shí)性下降。有些令牌總線型PLC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送方式固定為一種，有些則可由用戶選擇。

5．浮動(dòng)主站N∶M通信方式(PLC通信網(wǎng)絡(luò))浮動(dòng)主站通信方式又稱N∶M通信方式，它適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)。設(shè)在總線上有M個(gè)站，其中N個(gè)為主站，其余為從站(N<M)，稱之為N∶M通信方式。

N∶M通信方式采用令牌總線與主從總線相結(jié)合的存取控制技術(shù)。首先把N個(gè)主站組成邏輯環(huán)，通過令牌在邏輯環(huán)中依次流動(dòng)，在N個(gè)主站之間分配總線使用權(quán)，這就是浮動(dòng)主站的含義。獲得總線使用權(quán)的主站再按照主從方式來確定在自己的令牌持有時(shí)間內(nèi)與哪些站通信。一般在主站中配置有一張輪詢表，可按輪詢表上排列的其他主站號(hào)及從站號(hào)進(jìn)行輪詢。獲得令牌的主站對(duì)于用戶隨機(jī)提出的通信任務(wù)可按優(yōu)先級(jí)安排在輪詢之前或之后進(jìn)行。獲得總線使用權(quán)的主站可以采用多種數(shù)據(jù)傳送方式與目的站通信，其中以無應(yīng)答無連接方式速度最快。

6．令牌環(huán)通信方式(PLC通信網(wǎng)絡(luò))有少量的PLC網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其存取控制采用令牌法，具有較好的實(shí)時(shí)性。圖8.18表示了令牌環(huán)通信方式的工作過程及其幀結(jié)構(gòu)。在圖8.18中，令牌在物理環(huán)中按箭頭指向，一站接一站地傳送，獲得令牌的站才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)B站要向D站發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)令牌送到B站時(shí)，B站把令牌變?yōu)闀和Ｎ?，然后把待發(fā)送數(shù)據(jù)按圖8.18所示的格式加在暫停位后面從B站發(fā)送出去，最后再加上令牌一起發(fā)往C站。此幀信息經(jīng)C站中轉(zhuǎn)后到達(dá)D站，D站把自己的本站地址與幀格式中目的地址相比較，發(fā)現(xiàn)兩者相同，表明此幀信息是發(fā)給D站的，然后對(duì)此幀信息做差錯(cuò)校驗(yàn)，并把校驗(yàn)結(jié)果以肯定應(yīng)答或否定應(yīng)答填在ACK段中，同時(shí)把此幀信息復(fù)制下來，再把帶有應(yīng)答的幀繼續(xù)向下傳送，經(jīng)A站中轉(zhuǎn)到達(dá)B站。B站用自己的本站地址與幀中源地址相比較，發(fā)現(xiàn)兩者相同，表明此幀是自己發(fā)出的，再檢查ACK段，若為否定應(yīng)答，要組織重發(fā)；若為肯定應(yīng)答，則把此幀從環(huán)上吸收掉，只剩下令牌在環(huán)中繼續(xù)流動(dòng)。在圖8.18的幀格式的最后為一令牌，因而當(dāng)某站獲得此令牌后也同樣可發(fā)送數(shù)據(jù)，把此令牌變?yōu)闀和Ｎ?，后面帶上發(fā)送的幀，最后再加上令牌，這時(shí)的幀格式就變成兩個(gè)暫停位、兩幀，再加令牌，其傳送過程與一幀相似，這里不再重復(fù)。從上述傳送過程可見，令牌環(huán)通信方式采用的是有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳送方式。圖8.18令牌環(huán)通信方式工作過程及其幀結(jié)構(gòu)

7．CSMA/CD(Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDetection)通信方式這是一種隨機(jī)通信方式，適用于總線結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)，總線上各站地位平等，沒有主從之分。采用CSMA/CD存取控制方式，該控制方式用通俗的語言描述為“先聽后講，邊講邊聽”。所謂先聽后講是指要求使用總線的各站，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須先監(jiān)聽，看看總線是否空閑，確認(rèn)總線空閑后再向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。“先聽后講”并不能完全避免沖突，如果仍發(fā)生了沖突，則不能等到差錯(cuò)校驗(yàn)時(shí)再發(fā)現(xiàn)，這樣對(duì)通信資源浪費(fèi)太嚴(yán)重，而要采用“邊講邊聽”。發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一邊發(fā)送，一邊監(jiān)聽，若發(fā)現(xiàn)沖突，立即停止發(fā)送，并發(fā)出阻塞音，通知網(wǎng)上其他站發(fā)生了沖突，然后沖突雙方采用取隨機(jī)數(shù)代入指數(shù)函數(shù)的退避算法來決定重新上網(wǎng)時(shí)間，解決沖突。

CSMA/CD存取控制方式不能保證在一定時(shí)間周期內(nèi)，PLC網(wǎng)上每個(gè)站都可獲得總線使用權(quán)，也不能用靜態(tài)方式賦予某些站以較高優(yōu)先權(quán)，不能用動(dòng)態(tài)方式賦予某些緊急通信任務(wù)以較高優(yōu)先權(quán)，因此這是一種不能保證實(shí)時(shí)性的存取控制方式。但是它采用隨機(jī)方式，方法本身簡(jiǎn)單，而且見縫插針，只要總線空閑就搶著上網(wǎng)，通信資源利用率高，因而在PLC網(wǎng)絡(luò)中CSMA/CD通信法適合用于上層生產(chǎn)管理子網(wǎng)。

CSMA/CD通信方式的數(shù)據(jù)傳送方式可以選用有連接、無連接、有應(yīng)答、無應(yīng)答及廣播通信中的任一種，這可按對(duì)通信速度及可靠性的要求取舍。

8．多種通信方式的集成在新近推出的一些現(xiàn)場(chǎng)總線中，常常把多種通信方式集成配置在某一級(jí)子網(wǎng)上。從通信方法上看，都是一些原來常用的，但如何自動(dòng)地從一種通信方式切換到另一種，如何按優(yōu)先級(jí)調(diào)度，則成為多種通信方式集成的關(guān)鍵。現(xiàn)在的可編程序控制器普遍具備多種數(shù)據(jù)通信接口和較為完善的數(shù)據(jù)通信能力，使可編程序控制器能與遠(yuǎn)程輸入/輸出單元進(jìn)行通信，構(gòu)成下位連接系統(tǒng)；使可編程序控制器能與同類型的可編程序控制器進(jìn)行通信，構(gòu)成同位連接系統(tǒng)；使可編程序控制器能與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，構(gòu)成上位連接系統(tǒng)。圖8.19是FX系列PLC的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信接口示意圖。圖8.19FX系列PLC的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信接口示意圖

1)?RS-232C通信用功能擴(kuò)展板與通信模塊

RS-232C的傳輸距離為15m，最大傳輸速率為19200b/s。FX系列PLC可通過專用協(xié)議或無協(xié)議方式與各種RS-232C設(shè)備通信，可連接外部編程工具或圖形操作終端(GOT)。

FXlN-232-BD和FX2N-232-BD通信用功能擴(kuò)展板的價(jià)格便宜，可安裝在FX系列PLC的內(nèi)部，通信的雙方?jīng)]有光電隔離。

FX2N-232IF是RS-232C通信接口模塊，有光電隔離，可用于FX2N和FX2NC。通信中可指定兩個(gè)或更多的起始字符和結(jié)束字符。收發(fā)信息時(shí)進(jìn)行十六進(jìn)制數(shù)和ASCII碼之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于接收緩沖區(qū)的長(zhǎng)度也可以連續(xù)接收。FX2N-232ADP是RS-232C適配器，可用于各種FX系列PLC。

FX2N-232AWC和FX2N-232AW是帶光電隔離的RS-232C和RS-422轉(zhuǎn)換接口，以便于計(jì)算機(jī)和其他外圍設(shè)備連接到FX系列的編程器接口上。

2)?FXlN-422-BD/FX2N-422-BD通信用功能擴(kuò)展板它們用于RS-422通信，可用作編程工具的連接端口，無光電隔離，使用編程工具的通信協(xié)議。

3)?RS-485通信用適配器與通信用功能擴(kuò)展板

FX1N-485BD/FX2N-485-BD是RS-485通信用的功能擴(kuò)展板，前者為半雙工，后者為全雙工。傳輸距離為50m，最大傳輸速率為19200b/s，N∶N網(wǎng)絡(luò)可達(dá)38400b/s。

FXlN-485ADP是RS-485光電隔離型通信適配器，最大傳輸速率為19200b/s，N∶N網(wǎng)絡(luò)可達(dá)38400b/s，傳輸距離為500m，可用于各種系列的FX系列PLC。

FX-485PC-IF是RS-232C和RS-485轉(zhuǎn)換接口，用于計(jì)算機(jī)與FX系列PLC的通信。一臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可與16臺(tái)PLC通信。8.4.2下位連接系統(tǒng)下位連接系統(tǒng)是可編程序控制器主機(jī)通過串行通信連接遠(yuǎn)程輸入/輸出單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的分散檢測(cè)與控制的系統(tǒng)。不同型號(hào)的可編程序控制器可以連接的遠(yuǎn)程輸入/輸出單元的數(shù)量是不一樣的，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。系統(tǒng)中的主機(jī)和遠(yuǎn)程輸入/輸出單元是制造商配套提供的。主機(jī)與遠(yuǎn)程輸入/輸出單元的連接主要有連接電纜或光纜，相應(yīng)的通信接口是RS-422A(或RS-485)或光纖接口。當(dāng)采用光纖系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的遠(yuǎn)距離、高速度和高可靠性。系統(tǒng)的連接形式一般為樹形結(jié)構(gòu)，如圖8.20所示。圖8.20下位連接系統(tǒng)主機(jī)是系統(tǒng)的集中控制單元，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、信息處理和協(xié)調(diào)各個(gè)遠(yuǎn)程輸入/輸出單元的操作；遠(yuǎn)程輸入/輸出單元是系統(tǒng)的分散控制單元，它們?cè)谥鳈C(jī)的統(tǒng)一管理下，完成各自的輸入/輸出任務(wù)。遠(yuǎn)程輸入/輸出單元有兩種類型：一種是非智能型的，它是主機(jī)擴(kuò)展形式的遠(yuǎn)程輸入/輸出單元，它的輸入/輸出任務(wù)完全受主機(jī)控制；另一種是智能型的，它是主機(jī)終端形式的遠(yuǎn)程輸入/輸出單元，用戶可以對(duì)它編寫自己的應(yīng)用程序，它的輸入/輸出任務(wù)受內(nèi)部的用戶程序和外部的主機(jī)信息的共同控制。系統(tǒng)的通信控制程序由生產(chǎn)廠編制，并安裝在主機(jī)和遠(yuǎn)程輸入/輸出單元中。用戶只要根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)置遠(yuǎn)程輸入/輸出單元地址和編制用戶的應(yīng)用程序即可使系統(tǒng)運(yùn)行。由于遠(yuǎn)程輸入/輸出單元可以就近安裝在被測(cè)和被控對(duì)象的附近，從而大大地縮短了輸入/輸出信號(hào)的連接電纜。因此下位連接系統(tǒng)特別適合于地理位置比較分散的控制系統(tǒng)，如生產(chǎn)流水線上各工序的控制。8.4.3同位連接系統(tǒng)同位連接系統(tǒng)是可編程序控制器通過串行通信接口相互連接起來的系統(tǒng)。系統(tǒng)中的可編程序控制器是并行運(yùn)行的，并通過數(shù)據(jù)傳遞相互聯(lián)系，以適應(yīng)大規(guī)?？刂埔?。同位連接系統(tǒng)常采用總線形結(jié)構(gòu)，如圖8.21所示。圖8.21同位連接系統(tǒng)在同位連接系統(tǒng)中，各個(gè)可編程序控制器之間的通信一般采用RS-422A(或RS-485)接口或光纜接口?；ミB的可編程序控制器最大允許數(shù)量隨可編程序控制器的類型不同而變化。系統(tǒng)所用的可編程序控制器一般是同一廠商的同一系列的產(chǎn)品。系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)可編程序控制器都有一個(gè)唯一的系統(tǒng)識(shí)別單元號(hào)，號(hào)碼從0開始順序設(shè)置。在各個(gè)可編程序控制器內(nèi)部都設(shè)置了一個(gè)公共數(shù)據(jù)區(qū)，用作通信數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)?？删幊绦蚩刂破飨到y(tǒng)程序中的通信程序把公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的數(shù)據(jù)放入公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)中。對(duì)用戶來講，這個(gè)過程是透明的，自動(dòng)進(jìn)行的，不需要用戶應(yīng)用程序干預(yù)。用戶應(yīng)用程序中，只需編制把發(fā)送的數(shù)據(jù)送入公共數(shù)據(jù)區(qū)的發(fā)送區(qū)和從公共數(shù)據(jù)區(qū)的接收區(qū)讀取接收的數(shù)據(jù)的程序，即可實(shí)現(xiàn)可編程序控制器之間信息的相互傳遞，完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。公共數(shù)據(jù)區(qū)如圖8.22所示。圖8.22公共數(shù)據(jù)區(qū)8.4.4上位連接系統(tǒng)上位連接系統(tǒng)是一種自動(dòng)化綜合管理系統(tǒng)。上位計(jì)算機(jī)通過串行通信接口與可編程序控制器的串行通信接口相連，對(duì)可編程序控制器進(jìn)行集中監(jiān)視和管理，從而構(gòu)成集中管理、分散控制的分布式多級(jí)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，可編程序控制器是直接控制級(jí)，它負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)過程的檢測(cè)與控制，同時(shí)接收上位計(jì)算機(jī)的信息和向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)控制信息。上位計(jì)算機(jī)是協(xié)調(diào)管理級(jí)，它要與三個(gè)方面：下位直接控制級(jí)、自身的人機(jī)界面和上級(jí)信息管理級(jí)進(jìn)行信息交換。它是過程控制與信息管理的結(jié)合點(diǎn)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)，是信息管理與過程控制聯(lián)系的橋梁。上位連接系統(tǒng)如圖8.23所示。圖8.23上位連接系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)與可編程序控制器的通信一般采用RS-232C或RS-422A(或RS-485)接口。當(dāng)用RS-232C通信接口時(shí)，一個(gè)上位計(jì)算機(jī)只能連接一臺(tái)可編程序控制器；若連接多臺(tái)可編程序控制器，則要加接RS-232C/RS-422A或RS-485轉(zhuǎn)換裝置。上位計(jì)算機(jī)與可編程序控制器的數(shù)據(jù)通信格式目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的可編程序控制器都有自己的通信格式。通常，可編程序控制器上的通信程序由制造商編制好，并作為系統(tǒng)程序，按控制和通信的要求提供。對(duì)于上位計(jì)算機(jī)中的通信軟件，有的以通信驅(qū)動(dòng)程序的形式提供，用戶只要在上位計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件平臺(tái)中調(diào)用即可完成與直接控制級(jí)的通信。有的則提供通信格式說明文件的形式，用戶應(yīng)根據(jù)它的內(nèi)容編制相應(yīng)的通信程序，并嵌入用戶的應(yīng)用軟件平臺(tái)。上位計(jì)算機(jī)與信息管理計(jì)算機(jī)的通信一般采用局域網(wǎng)。上位計(jì)算機(jī)通過通信網(wǎng)卡與信息管理級(jí)的其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換。網(wǎng)絡(luò)管理軟件是應(yīng)用軟件，上位計(jì)算機(jī)只要在應(yīng)用軟件平臺(tái)中調(diào)用它即可完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。8.4.5現(xiàn)場(chǎng)總線在PLC中的應(yīng)用

1．現(xiàn)場(chǎng)總線概述現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用一定的通信介質(zhì)作為總線，按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)實(shí)際需要的自控系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它把分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線將控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)。FCS實(shí)質(zhì)是一種開放的、具有互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。

2．現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀

(1)多種總線共存?，F(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用了8種協(xié)議類型以及其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線。每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對(duì)本領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。據(jù)美國(guó)ARC公司的市場(chǎng)調(diào)查，世界市場(chǎng)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)總線的需求為：過程自動(dòng)化15%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP)，醫(yī)藥領(lǐng)域18%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP)，加工制造15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet)，交通運(yùn)輸15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet)，航空、國(guó)防34%(PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet)，農(nóng)業(yè)未統(tǒng)計(jì)(P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet)，樓宇未統(tǒng)計(jì)(LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet)。由此可見，隨著時(shí)間的推移，占有市場(chǎng)80%左右的總線將只有六七種，而且其應(yīng)用領(lǐng)域比較明確，如FF、PROFIBUS-PA適用于冶金、石油、化工、醫(yī)藥等流程行業(yè)的過程控制，PROFIBUS-DP、DeviceNet適用于加工制造業(yè)，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)。但這種劃分又不是絕對(duì)的，相互之間又互有滲透。

(2)總線應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。每種總線都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)張其勢(shì)力范圍。在一定應(yīng)用領(lǐng)域中已取得良好業(yè)績(jī)的總線，往往會(huì)進(jìn)一步根據(jù)需要向其他領(lǐng)域發(fā)展。如Profibus在DP的基礎(chǔ)上又開發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。

(3)不斷成立總線國(guó)際組織。大多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國(guó)際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時(shí)也想顯示出其技術(shù)是開放的。如WorldFIP國(guó)際用戶組織、FF基金會(huì)、Profibus國(guó)際用戶組織、P-Net國(guó)際用戶組織及ControlNet國(guó)際用戶組織等。

(4)每種總線都以企業(yè)為支撐。各種總線都以一個(gè)或幾個(gè)大型跨國(guó)公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)，如Profibus以Siemens公司為主要背景，ControlNet以Rockwe11公司為主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司為主要背景。

(5)一個(gè)設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織。大多數(shù)設(shè)備制造商都積極參加不止一個(gè)總線組織，有些公司甚至參加2～4個(gè)總線組織。道理很簡(jiǎn)單，裝置是要掛在系統(tǒng)上的。

(6)各種總線相繼成為自己國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。每種總線大多將自己作為國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)地位?，F(xiàn)在的情況是：P-Net已成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus已成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。上述3種總線于1994年成為并列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170。其他總線也都成為各地區(qū)的技術(shù)規(guī)范。

(7)在競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)共存。協(xié)調(diào)共存的現(xiàn)象在歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)就出現(xiàn)過，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170在制定時(shí)，將德、法、丹麥3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并列于一卷之中，形成了歐洲的多總線的標(biāo)準(zhǔn)體系，后又將ControlNet和FF加入歐洲標(biāo)準(zhǔn)的體系。各重要企業(yè)除了力推自己的總線產(chǎn)品之外，也都力圖開發(fā)接口技術(shù)，將自己的總線產(chǎn)品與其他總線相連接，如施耐德公司開發(fā)的設(shè)備能與多種總線相連接。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。

(8)以太網(wǎng)成為新熱點(diǎn)。以太網(wǎng)正在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制市場(chǎng)上迅速增長(zhǎng)，幾乎所有遠(yuǎn)程I/O接口技術(shù)的供應(yīng)商均提供一個(gè)支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口，如Siemens、Rockwell、GE-Fanuc等，他們除了銷售各自PLC產(chǎn)品，同時(shí)提供與遠(yuǎn)程I/O和基于PC的控制系統(tǒng)相連接的接口。FF現(xiàn)場(chǎng)總線正在開發(fā)高速以太網(wǎng)，這無疑大大加強(qiáng)了以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的地位。

3．CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線融合了控制與信息處理的現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link(Control＆CommunicationLink)是一種省配線、信息化的網(wǎng)絡(luò)，它不但具備高實(shí)時(shí)性、分散控制、與智能設(shè)備通信、RAS等功能，而且依靠與諸多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造廠商的緊密聯(lián)系，提供開放式的環(huán)境。三菱Q系列PLC的CC-Link模塊QJ61BTll，在繼承A/QnA系列特長(zhǎng)的同時(shí)，還采用了遠(yuǎn)程設(shè)備站初始設(shè)定等方便的功能。為了將各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接到CC-Link上，與國(guó)內(nèi)外眾多的設(shè)備制造商建立合作伙伴關(guān)系，使用戶可以很從容地選擇現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以構(gòu)成開放式的網(wǎng)絡(luò)。2000年10月，Woodhead、Contec、Digital、NEC、松下電工、三菱等6家常務(wù)理事公司發(fā)起，在日本成立了獨(dú)立的非盈利性機(jī)構(gòu)“CC-Link協(xié)會(huì)”(CC-LinkPartnerAssociation，CLPA)，旨在有效地在全球范圍內(nèi)推廣和普及CC-Link技術(shù)。到2001年12月，CLPA成員數(shù)量為230多家公司，擁有360多種兼容產(chǎn)品。

1)?CC-Link系統(tǒng)的構(gòu)成

CC-Link系統(tǒng)只設(shè)立1個(gè)主站，可以連接遠(yuǎn)程I/O站、遠(yuǎn)程設(shè)備站、本地站、備用主站、智能設(shè)備站等總計(jì)64個(gè)站。CC-Link站的類型如表8.1所示。表8.1CC-Link站的類型

CC-Link系統(tǒng)可配備多種中繼器，可在不降低通信速度的情況下，延長(zhǎng)通信距離，最長(zhǎng)可達(dá)13.2km。例如，可使用光中繼器，在保持10Mb/s通信速度的情況下，將總距離延長(zhǎng)至4300m。另外，T型中繼器可完成T型連接，更適合現(xiàn)場(chǎng)的連接要求。

2)?CC-Link的通信方式

(1)循環(huán)通信方式。CC-Link采用廣播循環(huán)通信方式。在CC-Link系統(tǒng)中，主站、本地站的循環(huán)數(shù)據(jù)區(qū)與各個(gè)遠(yuǎn)程I/O站、遠(yuǎn)程設(shè)備站、智能設(shè)備站相對(duì)應(yīng)，遠(yuǎn)程輸入/輸出及遠(yuǎn)程寄存器的數(shù)據(jù)將被自動(dòng)刷新。而且，因?yàn)橹髡鞠蜻h(yuǎn)程I/O站、遠(yuǎn)程設(shè)備站、智能設(shè)備站發(fā)出的信息也會(huì)傳送到其他本地站，所以在本地站也可以了解遠(yuǎn)程站的動(dòng)作狀態(tài)。

(2)?CC-Link的鏈接元件。每一個(gè)CC-Link系統(tǒng)可以進(jìn)行總計(jì)4096點(diǎn)的位，加上總計(jì)512點(diǎn)的字的數(shù)據(jù)的循環(huán)通信，通過這些鏈接元件以完成與遠(yuǎn)程I/O、模擬量模塊、人機(jī)界面、變頻器等FA(工業(yè)自動(dòng)化)設(shè)備產(chǎn)品間高速的通信。

CC-Link的鏈接元件有遠(yuǎn)程輸入(RX)、遠(yuǎn)程輸出(RY)、遠(yuǎn)程寄存器(RWw)和遠(yuǎn)程寄存器(RWr)四種，如表8.2所示。遠(yuǎn)程輸入(RX)是從遠(yuǎn)程站向主站輸入的開/關(guān)信號(hào)(位數(shù)據(jù))；遠(yuǎn)程輸出(RY)是從主站向遠(yuǎn)程站輸出的開/關(guān)信號(hào)(位數(shù)據(jù))；遠(yuǎn)程寄存器(RWw)是從主站向遠(yuǎn)程站輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(字?jǐn)?shù)據(jù))；遠(yuǎn)程寄存器(RWr)是從遠(yuǎn)程站向主站輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(字?jǐn)?shù)據(jù))。表8.2鏈接元件一覽表

(3)瞬時(shí)傳送通信。在CC-Link中，除了自動(dòng)刷新的循環(huán)通信之外，還可以使用不定期收發(fā)信息的瞬時(shí)傳送通信方式。瞬時(shí)傳送通信可以由主站、本地站、智能設(shè)備站發(fā)起，可以進(jìn)行以下的處理：①某一PLC站讀寫另一PLC站的軟元件數(shù)據(jù)。②主站PLC對(duì)智能設(shè)備站讀寫數(shù)據(jù)。③用GX