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1、PLC的基本概念

　　可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。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。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC

　　2、PLC的基本結(jié)構(gòu)

　　PLC實質(zhì)是一種于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖所示：

　　a. 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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(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，后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。

　　為了進一步提高PLC的可*性，近年來對大型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CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。

　　b、存儲器

　　存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。

　　存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

　　C、電源

　　PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。

　　3、PLC的工作原理

　　一. 掃描技術(shù)

　　當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。

　　(一) 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)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

　　(二) 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，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(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，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(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)果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

　　(三) 輸出刷新階段

　　當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(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)動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

　　比較下二個程序的異同：

　　程序1：

　　程序2：

　　這兩段程序執(zhí)行的結(jié)果*一樣，但在PLC中執(zhí)行的過程卻不一樣。

　　※ 程序1只用一次掃描周期，就可完成對%M4的刷新；

　　※ 程序2要用四次掃描周期，才能完成對%M4的刷新。

　　這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結(jié)果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。

　　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、輸出刷新等所有時間的總和。

　　二. PLC的I/O響應時間

　　為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可*性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。

　　為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術(shù))。

　　以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。

　　所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。其短的I/O響應時間與長的I/O響應時間如圖所示：

　　第(n-1)個

　　掃描周期

　　短I/O響應時間：

　　長I/O響應時間

SIEMENS PLC在中國的產(chǎn)品，根據(jù)規(guī)模和性能的大小，主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三種，下面就簡單介紹一下該三種產(chǎn)品的一些特性。

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關于影響WinCC通訊質(zhì)量大家都不約而同談到了如何優(yōu)化WinCC組態(tài)項目的各種方法。如WinCC對過程變量的歸檔數(shù)量，和存取速度、精簡腳本等方式。現(xiàn)我從Industrial Ethernet、PROFIBUS、MPI、ProfiNet這幾種常見協(xié)議方式，與雙絞線、光纖、同軸纜線等傳輸介質(zhì)的選用角度，分析通訊質(zhì)量。當通訊方式和傳輸介質(zhì)確定后，在很大部分就決定了通訊質(zhì)量，此外也將影響通訊質(zhì)量。具體分析如下：

　　1。采用Industrial Ethernet協(xié)議和雙絞線介質(zhì)——這是目前WinCC通訊較流行和常見的方式，性價比高，兼容性也較好。它采用Internet使用的TCP/IP協(xié)議，應此還可連接上Internet網(wǎng)絡。但該方式通訊采用競爭發(fā)送、沖突檢測、載波偵聽機制，速率不確定，無法做到實時性。取決于網(wǎng)絡當前的通訊流量，由于采用雙絞線，帶寬有限、抗干擾能力差。因此，采用此方式通訊時，既不要與Internet網(wǎng)絡相連，又不要與工控無關的電腦相連，這既可降低網(wǎng)絡病毒攻擊，又可減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包流量。

　　在WinCC組態(tài)項目中，應盡量減少循環(huán)的動態(tài)連接（如畫面中的控件對象過多的與PLC中變量連接后，作動態(tài)位移運動，從而達到形象直觀的效果），以降低WinCC與PLC間通訊負擔。

　　但當WinCC在常態(tài)工作時，數(shù)據(jù)包流量都很大（即CP443-1模塊上TXD指示燈幾乎在任何時候都常亮不熄滅），這說明網(wǎng)絡內(nèi)有多臺WinCC的Server與一臺PLC通訊，或一臺PLC與另一臺、及多臺PLC通訊，且約定的通訊Byte數(shù)也較多。解決方法是1：可采用光纖介質(zhì)，改善網(wǎng)絡帶寬，提高傳輸?shù)目垢蓴_能力；2：增加一臺WinCC的Central Archive Server，從而減少WinCC的Server數(shù)量，這可大大降低PLC的通訊負擔。

　　2．采用PROFIBUS協(xié)議和PROFIBUS纜線——這是SIEMENS工控網(wǎng)絡的標準方式，大多數(shù)老一些的SIEMENS工控用戶均采用此方式。PROFIBUS協(xié)議分DP、FMS、PA三種，其中DP協(xié)議較為常見。采用此方式時，安裝有WinCC的OS站上必需一塊CP5611，或CP5613網(wǎng)卡。這時每臺WinCC監(jiān)控站開啟后都作為PLC的DP遠程從站進行通訊。但當WinCC監(jiān)控站電腦故障，或CP5611/CP5613網(wǎng)卡壞需關機更換或維護等情況時，極易造成其它的遠程DP站通訊中斷，而影響生產(chǎn)，所以采用此方式纜線應盡量連接成環(huán)網(wǎng)。

　　在生產(chǎn)要求高可靠性的地方，此時應采用FMS協(xié)議方式。但采用FMS協(xié)議需在PLC主站上增加一塊Profibus通訊模塊（如CP443－5或CP342－5）。這樣，每臺WinCC監(jiān)控站與PROFIBUS通訊模塊進行通訊聯(lián)系，在物理開了與遠程DP從站的聯(lián)系，這除了對生產(chǎn)的安全可靠性得到提高外，還降低了遠程DP從站的數(shù)量，從而降低了PLC的CPU處理DP從站的通訊負擔，與每臺WinCC監(jiān)控站的通訊由PROFIBUS通訊模塊完成。但此FMS協(xié)議方式需增加一塊Profibus通訊模塊（增加硬件成本）。

　　PA協(xié)議方式適用于現(xiàn)場智能設備（如一些智能變送器、智能傳感器與PLC的連接）?？傊捎赑rofibus主站間通訊采用Token Ring（令牌環(huán)）方式輪轉(zhuǎn)，WinCC通訊實時性較Industrial Ethernet好，通訊時間間隔相對穩(wěn)定，網(wǎng)絡遭病毒攻擊的可能性小，網(wǎng)絡安全性也較Industrial Ethernet高。

　　3．采用MPI協(xié)議——這是點對點的連接方式，通訊速率僅為187.5Kbps，類似于串口通訊。且WinCC只能與單臺PLC通訊，所以速率慢，通訊范圍窄，僅適用于單臺現(xiàn)場控制設備和局部范圍的通訊。

　　4．采用PROFINET協(xié)議——這是SIEMENS公司的一種基于PROFIBUS－DP和Industrial Ethernet之間的協(xié)議（即實時以太網(wǎng)）。它基于Industrial Ethernet，采用TCP/IP標準，所以可將現(xiàn)場級（I/O Field）設備連接到管理級，并且還能實時通訊（Real Time）能力，因此兼具兩種網(wǎng)絡的優(yōu)點。這也是SIEMENS公司目前向市場*的通訊方式。

　　但目前SIEMENS公司支持PROFINET通訊功能的模塊較Industrial Ethernet通訊功能的模塊價格貴，市場用量不大。因此如果管理層用戶在辦公室不需實時掌控現(xiàn)場級設備狀況，可不必采用該通訊方式?，F(xiàn)場級設備實時狀況應更多的由操作人員，和工程師門去掌控和處理，這樣更利于分級的管理和設備的運行安全。