PLC与上位计算机通讯监控系统的研究与应用_.pdf
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重庆大学硕士学位论文PLC与上位计算机通讯监控系统的研究与应用姓名：
陈卓申请学位级别：
硕士专业：
机械工程指导教师：
谢志江;梁进忠20040428重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要在现代工业企业自动化中，计算机控制技术充当了较重要的角色，它是计算机技术和控制理论有机的结合。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）及其网络是构成CIMS系统的基础，是现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CADCAM）之一。
本文主要讨论了PLC及其网络的工作机理和具体实现，重点研究了把个人计算机开发成PLC及其网络的超级终端，实现对PLC工业控制系统的数据操作和管理的技术。
通过对PLC的工作原理及PLC网络通信的基本理论的研究，达到在构建PLC工业控制系统时掌握PLC实现控制的要点、控制过程和控制方式以及PLC控制网络拓扑结构和各级子网通信协议配置原则的目的。
重点介绍了个人计算机与PLC连网通信的条件、个人计算机的异步通信适配器、以及运用高级语言编写个人计算机与PLC通信的接口程序原理。
计算机实时PLC监控系统的构建和软件设计方丽，针对PLC网络通信技术在热处理生产线上的运用、个人计算机与PLC通信技术在轧钢厂监控系统中的运用实例，结合实时控制系统的程序设计原理、处理方法、接口技术、增量式PID数字控制算法，全面探索整个PLC及其网络监控系统的程序设训核心控制开发技术。
关键词：
PLC及其网络，通信胁议，PID控制算法，PLC监控重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofmodementerpriseautomation，thetechnicalofcomputercontrolplayailimportantroleinmodemcontrolsystem，combingwithcomputertechnicalandautomationcontroltheoryPLCtechnicalandNetworkiSthebaseofCIMS，atthesametime，PLCtechnicalisoneofmodemautomationthreesupport（PLC，robotandCADCAM），ThepaperismainlydiscussedabouttheworkingprincipleandrealizingmethodAndthepaperstudythesuperterminalofconvertingpersoncomputerintoPLCandnetworkandrealizethetechnicalofPLCcontrolsystemdatamanagementandoperationThroughthestudyofPLCworkingprincipleandPLCnetworkcommunicationbasictheory,itisamainpurposetomasterthecrucesofrealizingPLCcontrolsystem，thecontrolprocessandcontrolmode，PLCtopologystructureandcommunicationprotocolbetweensubnetworkThepaperintroducetheconditionofcommunicatingbetweenpersoncomputerandPLC，thepersoncomputerasynchronismadapterandthehighprogramminglanguagecommunicationinterfaceprincipleofPLCFormPLCmonitoringsystemestablishing，applicationonheattreatmentproductlineofPLCnetworkcommunicationtechnical，combingwithprogranamingdesignprinciple，processmethod，interfacetechnicalandincrementPIDdigitalcontrolarithmetic，thepaperstudyonthecorecontroltechnicalofPLCandnetworkmonitoringsystemKeywords：
PLCandNetwork，communicationprotocol，PIDcontrolarithmeticm，PLCMonitoringandControllingII重庆大学硕士学位论文1绪论11可编程序控制器及其网络概述11【21【141111可编程序控制器及其网络的发展历史1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。
要实现这个战略决策，依靠原有的工业控制装置显然不行，而必须有一种勰的工业控制装置，它可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。
1969年，著名的美国数字设备公司（DEC）根据GM的功能要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在GM公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功。
根据这种新型：
工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
从1968年到现在，PLC经历了四次换代：
第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。
在第二代PLC产品中换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化。
第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展。
第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reducedinstructionsetcomputer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。
同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真1F名符其实的多功能控制器。
同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。
PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的：
1：
业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integratedmanufacturingsystem）系统不可或缺的基本组成部分。
入们高度评价PLC及其网络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱之。
112PLC及其网络是现代工业自动化的支柱PLC及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CADCAM）之一。
从近年的统计数据看，在世界范围内，PLC产品的产量、销量、用量高居各种工业控制装置榜首，形成这一局面有其深刻的原因：
PLC集三电于一体。
工业自动化通常分为三类：
一类是控制开关量的逻辑控制系统，一类是控制慢连续量的过程控制系统，一类是控制快连续量的运动控制重庆大学硕士学位论文系统。
在传统上对于这三种控制系统使用不同的控制装置。
逻辑控制用电控装嚣（电气控制装置即继电器接触器控制柜），过程控制用电仪装置（电动单元组合仪表），运动控制用电传装置（电气传动控制装置）。
所谓三电指的就是电控、电仪、电传。
从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用计算机开发的控制装胃，计算机成为三电一一体的物质基础。
有两种实现三电一体化的思路：
一种是在网络一级实现三电一体化，逻辑控制装置、过程控制装置、运动控制装置尽管各不相同，但他们通过网络载体实现了三电一体化。
另一种思路是在控制装置。
级实现三电一体化，一台控制装置既有逻辑控制功能，又有过程和运动控制功能。
DCS（distrabutedcontrolsystem）系统沿着前一种思路发展三电一体化，它花费较大，适合于大型自动化系统。
PLC则治黄后一种思路发展三电一体化，它灵活机动，三电集成度高，适合于各种规模的自动化系统。
随着PLC的处理器处理速度的不断提高，PLC的功能不断增多，现在发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名符其实的多功能控制器。
PLC网络的性能价格比高。
PLC网络经过多年的发展，已成为具有34级子网的多级分布式网络。
加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作的多种功能的系统，所有这一切使PLC网络成为CIMS系统非常重要的组成部分。
而且PLC网络仅在关键部位配置冗余结构，在价格上大大低于DCS等控制系统。
PLC的高可靠性。
PLC是一种具有很高可靠性的控制装置，在硬件上采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，采用了数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术。
PLC采用周期循环扫描方式工作，对输入输出集中进行，这种工作方式本身具有抗干扰能力。
通常，为了防止输入开关量丢失，把循环扫描的时间控制在100200ms之内，这个时间比PLC所带的执行器的机电时间常数小得多，所以，其纠F错误输出的能力是十分强的。
12PLC控制系统PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。
通过运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息交换实现控制。
重庆大学硕+学位论文121PLC实现控制的要点入出信息交换、可靠物理实现是PLC实现控制的两个基本要点。
入出信息交换是靠运行存储于内存中的程序实现的。
程序包含PLC生产厂家提供的系统程序和用户根据需要自行开发的应用程序。
系统程序提供了运行平台，同时，还为PLC用户程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。
可靠物理实现主要靠输入（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。
PLC的输入电路要对输入信号进行滤波处理，去掉高频干扰，在内部与计算机电路进行光隔离，靠光耦元件或继电器建立连接。
输出电路需进行功率的放大，以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。
图11对PLC数据流程进行了说明。
其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息流向及实现信息流动的手段。
输出电路IO刷新图11PLC数据流程图Fig1，1TheDiagramofPJ2DataFlow运行122PLC的控制过程PLC实现控制的过程一般是：
输入刷新运行用，o程序输出刷新再输入刷新再运行用户程序再输出刷新反复循环进行。
同时系统还会作公共处理，如循环时间监控、外设服务及通信处理等。
具体如图l_2所示。
12，3PLC的控制方式PLC实现控制的方式是以扫描方式为主，中断方式为辅的控制方式。
大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，可通过中断这个扫描运行的程序的方式来执行。
霞庆大学硕士学何论文1绪论图12PLC控制过程图Fig1。
2theDiagramofPLCControlProcess4IO刷新外设及通讯服务初始化一系统自检一运行程序一解帅牌重庆大学硕十学位论文13研究意义通过对PLC工业控制系统的基本理论研究和实践，掌握PLC工业控制系统的基本结构和控制方法，以及把个人计算机连入PLC控制网络系统，通过个人计算机与PLC网络系统的通信，实现对PLC工业控制网络系统的数据读写和基水管理、质量管理等，以及工艺过程动态图像监控和工艺参数模拟运行，提高工艺参数的准确性和可靠性，从而直观地实现对整个PLC工业控制系统控制过程的图像化管理。
14研究内容通过对PLC工业控制系统的基本结构、PLC基本控制理论和架构PLC工业控制系统的基本方法以及个人计算机与PLC的通信方法、PLC网络拓扑结构、PLC实现工业控制的命令帧结构、PID增量式控制算法在PLC工业控制系统中的运用等的研究，达到指导和实现把个人计算机建设成为PLC工业控制系统的超级终端的目的；研究通过VisualC+编程工具，编写PLC工业控制系统超级终端的通讯控制软件的核心方法，达到编制PLC工业控制通讯软件的目的；通过对上述基本理论的研究，实现对熏庆新生机电有限责任公司热处理生产线PLC工业控制系统、攀钢热轧钢厂设备监控系统的设计和构建，达到将理论运用现场控制实践中的目的。
15国内外研究现状可编程序控制器及其网络是构成CIMS系统的基础，是现代工业自动化支柱之。
从世界范围来看，PLC及其网络的产量、销量等都非常的高，在我围也呈直线上升，几乎在国民经济的所有部门得到了迅速的普及与推广。
全世界PLC及其网络系统的研究与制造达200多家公司，生产着400多个系列的产品。
但若按其发展的历史渊源和所受的地域影响来划分，大体可分为三个流派，即美国产品、日本产品及欧洲产品。
美国产品中以卜B公司的PLC及其网络产品为代表，日本产品则以OMRON公司的产品为代表，欧洲产品则以著名的德国SMENS公司的产品为典型代表。
从技术层面上看，目前全世界的PLC及其网络正朝着工作速度越来越快、控制规模越来越大、内部器件越来越多、内存容量越来越大、模块化和高可靠性等方向发展。
微电子技术、计算机技术及通讯技术的发展，为PLC的发展提供了基础，目前的PLC已具备热备份、分散化和丌放性等高级功能，尤其是把个人计算机连入PLC网络的技术，个人计算机被建设成为PLC网络的超级终端或协议转重庆大学硕士学位论文换网桥的技术发展十分的迅速，各种与之配套的软件的功能已非常的强大，PLC及其网络正逐步具备相当一部分NC和DCS等系统的功能，其技术发展非常的迅猛。
本研究课题正是为了推动PLC及其网络技术的发展而作出的，具备一定程度的现实意义。
熏庆大学硕士学位论文2可编程序控制器系统配置2可编程序控制器系统配置21系统配置的基本原则1211415】【1011”3】PLC控制系统的配置应遵循以下五条原则：
完整性原则。
一般来讲需配置CPU模板、电源模板、内存配置、IO模板、特殊模板、机架及连接单元和连接电缆、外设的配置等。
可靠性原则。
可靠性可从4个方面考虑：
一是PLC自身产品质量；二是产品技术服务情况；三是重要场合下的可靠性要求；四是冗余配置。
发展性原则。
即要求系统配最时要留有扩展的余地等。
继承性原则。
在选型、外设配置、软件等方面考虑技术的发展和可继承性。
经济性原则。
从PLC本身和系统配置等方面考虑经济性问题。
22PLC控制系统的基本配置PLC控制系统的基本配置根据PLC的类型可分为模板式（主流配置）、箱体式。
模板式般由CPU、电源、内存、IO模板及地板或机架和简易编程器。
CPU模板确定了可进行控制的规模、工作速度、内存容量等等。
选得合适与否至关重要，是系统配置中首先要进行的。
内存模板是在CPU规定范围内选择，以满足存储用户程序的容量及其它性能要求。
电源模板可以与CPU模板合二为一，也可是分开的，是依据PLC用的工作电源种类、规格，和是否为IO模板提供工作及信号电源，以及容量需要来选择的。
IO模板是依据IO点数确定模板规格及数量。
IO点数可多可少，但其最大数量受CPU所能管理的基本配置能力限制。
23PLC控制系统的扩展配置PLC控制系统的扩展配置是在基本配景的基础上，增加扩展机架或扩展机箱，从而增加IO点数的配置。
扩展配置可充分利用CPU、内存、外设资源，使PLC的单点费用降低。
且通过扩展配置还可实现远程安装，简化接线，便于维护等。
扩展配置可分为远程扩展配置、当地扩展配置等。
231当地扩展配置箱体式PLC扩展配置较简单，即按所要增加的IO点数加接相应的扩展箱体。
扩展箱体在外形上与主箱体差别不大。
但它只有IO电路及有关显示，无CPU和内存，有的可能配有电源。
扩展模板IO地址的分配规律：
（以同本OMRON公司PLC为例）重庆大学硕+学位论文2可编程序控制器系统配置输入：
从零通道开始，主箱体占两个通道，即00，01。
其机箱上对应接线端子都注明有它的接点编号。
最靠近主箱体的扩展箱体为02通道，依次类推。
输出：
从10通道开始，主箱体占一个通道。
其箱体上接线端子也注明有接点编号。
最靠近主箱体的扩展箱体为11通道，依次类推。
模板式PLC扩展配置可扩展配置IO点数、机架、电源等。
扩展机架的tO地址分配是：
主机架号为OO，依次最靠近主机架的机架号为Ol，依次类推。
机架间用专用电缆相连。
扩展机架要另外配扩展电源，以供IO单元工作。
电源有交流和直流两种。
直流为24V电源，为输入点提供输入电压。
232远程扩展配置远程扩展配置也可增加IO点数，但它的扩展部分安放在远处。
扩展部分与主体部分通过传输介质靠通讯实现数据交换。
同时，远程扩展配置还可使PLC之间实现主从控制，扩展部分可以是下位PLC，其受主机控制。
远程扩展使对地域分布较广的系统进行综合控制成为可能，而且实现时既简单又可靠。
远程扩展种类较多，依传输介质分，有光纤、双绞线、同轴线等；依远程部分分，有远程机架、远程终端、远程PLC及混合的远程系统等。
24PLC控制系统的特殊配置配置特殊单元，实现特殊功能。
根据功能划分，特殊单元大体为：
高速计数器单元、位置控制单元、模入模出单元、温度检测单元等。
241高速计数器单元中、大型高速计数信号用特殊的高速计数单元处理。
该单元自配CPU，可独立处理计数、甚至中断输出等。
但它是通过总线与PLC连接，因此，CPU也可向它读写数据，实现对高速计数的控制。
具体的高速计数单元有很多类型，有单路的，仅处理一路高速计数；有两路的，可处理两路高速计数；甚至更多路数。
242位置控制单元位最与运动控制单元用于运动部件的位置及速度控制，是数控（NC）技术在PLC控制系统中的运用。
位控单元有单轴、双轴等类型，其有十一种命令实现位置及速度控制，如START（起始命令）、ORIGINsEARCH（原点查找命令）、ORIGINRETURN（原点返回命令）、STOP（停止命令）、RELEASEPROHIBIT（禁止释放命令）、READERROR（读出错命令）、RESETORJGIN（复位原点命令）、REACH（示敦命令）、REANSFERDATA（传送数据命令）、MANUALOPERATION（手重庆入学硕士学何论文2可编程序控制器系统配置工操作命令）、EXTERNALINTERRUPTCOMMAND（外部中断命令）等。
243模入模出单元PLC最初只能处理开关量，随着模入、模出单元的成功开发，现在也可处理模拟量。
模入单元用以把模拟量转换成数字量。
模拟量一般是指标准电信号，电流或电压。
电流为4mA-20mA，电压为0-10V，或者I-5V或+10V等。
转换后的数字量可以为2进制8位、10位、12位或更高，对应的分辨率分别位量程的256分之一、1024分之一、4096分之一等。
模出单元用以把数字量转换成模拟量，模拟量也是标准信号，电压、电流等。
电流为4mA,一20mA，电压为010V，或者15V等。
数字量也是2进制8、10、12位，有不同的分辨率。
此外模出单元还可为输出脉冲，脉冲的充填系数或脉宽比JF比于输出量。
244温度检测单元温度量是模拟量的一种，只要能用变送器将其变换成标准电信号，模入单Ji即可对其进行处理。
但温度单元与用模入单元相比有以下几个特点：
可不用变送器，从热电偶或热电阻上直接读取信号即可。
读入的温度值为BCD码，可直接用作显示。
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