淺析PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

[摘 要]可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作方式與單片機(jī)、工控機(jī)等不盡相同，與傳統(tǒng)的繼電器控制也有本質(zhì)的區(qū)別。這就決定了其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也不完全一樣，其最大特點(diǎn)就是軟、硬件可以分開設(shè)計(jì)。本文就PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)做一下介紹。

[關(guān)鍵詞]PLC 軟件設(shè)計(jì) 可編程控制器

可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。

一、PLC的選擇

隨著PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類越來越多，其結(jié)構(gòu)型號(hào)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法等各不相同， 適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。PLC機(jī)型選擇的基本原則是: 在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型。

通常做法是， 在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場合， 建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC。對(duì)于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目中，一般其控制速度無須考慮， 因此， 選用帶A\\D 轉(zhuǎn)換、D\\A 轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求。而在控制比較復(fù)雜， 控制功能要求比較高的工程項(xiàng)目中(如要實(shí)現(xiàn)P I D 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等)，可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機(jī)(其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等)。

二、PLC的工作原理

PLC可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

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。 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。

三、PLC設(shè)計(jì)

在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。有時(shí)為了得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要進(jìn)行多次反復(fù)的調(diào)試和修改，增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程元件。這種設(shè)計(jì)方法沒有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循，即具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)多少有關(guān)。

其一:經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)于一些比較簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較有效的，可以收到快速、簡單的效果。但是，由于這種方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，特別是要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)法一般設(shè)計(jì)周期長，不易掌握，系統(tǒng)交付使用后，維護(hù)困難。所以，經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于比較簡單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

其二:邏輯設(shè)計(jì)法，工業(yè)電氣控制線路中，有不少都是通過繼電器等電氣元件來實(shí)現(xiàn)，而繼電器，交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)，即吸合和斷開，因此，用“O”和“l(fā)”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路是完全可以的。PLC的早期應(yīng)用就是替代繼電器控制系統(tǒng)，邏輯設(shè)計(jì)方法同樣也適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運(yùn)算式表達(dá)出來后，實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯函數(shù)的線路就確定了。當(dāng)這種方法使用熟練后，甚至梯形程序也可以省略，可以直接寫出于邏輯函數(shù)和表達(dá)式對(duì)用的指令語句程序。

其三:順序功能圖法，順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)順序功能圖，然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。在順序功能圖中，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始，同步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。而對(duì)于每一步的程序段，只需處理極其簡單的邏輯關(guān)系。因而這種編程方法簡單易學(xué)，規(guī)律性強(qiáng)。設(shè)計(jì)出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好。程序的調(diào)試和運(yùn)行也很方便，可以極大地提高工作效率。

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