目錄
一、plc簡介
1.1 概述
plc(programmable logic controller),中文稱為可編程邏輯控制器,是一種用于工業(yè)自動化控制的數(shù)字電子計算機。它采用程序控制方法,將一些離散的輸入信號進行邏輯處理,得到對應(yīng)的輸出信號控制設(shè)備運行,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。plc通常用于自動化生產(chǎn)線、工廠、機器人和工業(yè)設(shè)備的控制等領(lǐng)域。它具有可編程、高可靠性、擴展性強、抗干擾性好、成本低廉等特點,并且具有許多標(biāo)準(zhǔn)接口,易于連接各種設(shè)備和機器。
plc通常由中央處理器、輸入模塊、輸出模塊和電源模塊等多個部分組成。輸入模塊負責(zé)將感應(yīng)外部輸入信號,并通過中央處理器進行邏輯計算、處理和分析。輸出模塊則是控制執(zhí)行器(如電機、氣缸、閥門等)的接口,將處理后的信號輸出到設(shè)備鏈路中,控制設(shè)備的工作狀態(tài)。
1.2 基本組成
plc的基本組成模塊包括:
中央處理器(cpu):負責(zé)控制整個plc系統(tǒng)的運行,包括接收輸入信號、進行邏輯運算、控制輸出信號等操作。
輸入模塊:將外部感應(yīng)器(如開關(guān)、傳感器等)的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到中央處理器中,以便進行邏輯計算和處理。
輸出模塊:將中央處理器運算處理后的信號輸出到執(zhí)行器(如電機、氣缸、閥門等)控制其工作狀態(tài)。
電源模塊:提供整個plc系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電源,確保系統(tǒng)正常運行。
編程設(shè)備:用來編寫plc程序的設(shè)備,一般包括編程軟件和編程電纜。
通信模塊:用于與其他plc系統(tǒng)或計算機進行通信、數(shù)據(jù)傳輸和共享等。
以上是plc的基本組成模塊,不同型號和品牌的plc可能還包含其他組成模塊,如存儲卡、計時器、計數(shù)器等。
1.3 常見的plc品牌比較
以下是一些常見的plc品牌:
siemens(西門子):西門子是全球最大的自動化技術(shù)提供商之一,其plc產(chǎn)品系列包括simatic s7、simatic s7-1200和simatic s7-1500等。
allen-bradley(艾倫-布拉德利):艾倫-布拉德利是羅克韋爾自動化(rockwell automation)公司的plc品牌,其產(chǎn)品系列包括controllogix、compactlogix和micrologix等。
schneider electric(施耐德電氣):施耐德電氣是全球能源管理和自動化解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,其plc產(chǎn)品系列包括modicon m340、modicon m580和modicon m221等。
mitsubishi electric(三菱電機):三菱電機是一家日本知名的電氣設(shè)備制造商,其plc產(chǎn)品系列包括q系列和fx系列等。
abb:abb是瑞士的一家跨國工業(yè)技術(shù)公司,其plc產(chǎn)品系列包括ac500和ac800m等。
omron(歐姆龍):歐姆龍是日本一家專注于工業(yè)自動化控制事業(yè)的公司,其plc產(chǎn)品系列包括cj系列和cp系列等。
這只是一些常見的plc品牌,市場上還有許多其他廠商提供的plc產(chǎn)品。在選擇plc品牌時,可以考慮廠商的聲譽、產(chǎn)品功能、可靠性以及與應(yīng)用需求的匹配程度。
二、plc程序執(zhí)行原理
2.1 plc有操作系統(tǒng)嗎?
一般來說,plc(可編程邏輯控制器)并沒有像個人電腦或智能手機那樣的操作系統(tǒng)。相反,plc使用專門的實時操作系統(tǒng)(rtos),這些操作系統(tǒng)是為了實現(xiàn)對工控系統(tǒng)的實時性能和可靠性而設(shè)計的。
實時操作系統(tǒng)是一種專門針對實時任務(wù)處理而設(shè)計的操作系統(tǒng),它能夠確保在嚴格的時間要求下執(zhí)行任務(wù)。plc的實時操作系統(tǒng)通常會提供可靠的任務(wù)調(diào)度、響應(yīng)中斷和處理輸入輸出等功能,以確保對輸入信號的實時處理和對輸出信號的精確控制。
雖然plc沒有像常見的操作系統(tǒng)那樣具有圖形界面和通用功能,但它們提供了一種專門用于工業(yè)自動化控制的編程環(huán)境和運行環(huán)境,允許工程師編寫控制程序,并實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的可靠控制和監(jiān)測。因此,可以說plc擁有自己的專用操作環(huán)境,但不是通常意義上的操作系統(tǒng)。
2.2 plc程序執(zhí)行
plc(可編程邏輯控制器)的程序執(zhí)行原理通??梢苑譃橐韵聨讉€步驟:
掃描過程:plc以連續(xù)循環(huán)的方式進行工作,每個循環(huán)稱為一個掃描。在每個掃描中,plc會按照編程順序執(zhí)行一系列的指令。
輸入信號讀?。涸诿總€掃描開始時,plc會讀取與其連接的輸入模塊的狀態(tài)。輸入模塊會將外部傳感器或開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,plc通過讀取這些信號來獲取當(dāng)前輸入狀態(tài)。
程序執(zhí)行:plc會按照編程順序執(zhí)行存儲在其內(nèi)部的程序。程序可以由多個組織、條件、邏輯和數(shù)學(xué)運算等構(gòu)成。
邏輯計算和控制:plc會根據(jù)程序中的邏輯計算進行決策,并控制輸出模塊以改變相應(yīng)的輸出狀態(tài)。這些邏輯計算可以包括邏輯運算、比較運算、定時器/計數(shù)器操作等。
輸出信號更新:在程序執(zhí)行完畢后,plc會根據(jù)控制邏輯的結(jié)果更新輸出模塊的狀態(tài)。輸出模塊會將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出,控制執(zhí)行器(如電機、氣缸、閥門等)的工作狀態(tài)。
掃描結(jié)束:在掃描周期結(jié)束時,plc會等待下一個掃描周期的開始,然后再次從第二步開始讀取輸入信號,進行程序執(zhí)行。
這就是簡單的plc程序執(zhí)行原理,不同的plc可能有不同的細節(jié)和性能特點,但基本的執(zhí)行原理是相似的。通過編寫合適的程序,plc可以實現(xiàn)對工業(yè)自動化過程的控制和監(jiān)測。
2.3 plc編程語言
plc(可編程邏輯控制器)是一種專門用于工業(yè)自動化控制的設(shè)備。
在plc編程中,有多種編程語言可供選擇,其中常見的包括以下幾種:
指令清單(ladder diagram, ld): 指令清單是一種圖形化的編程語言,它借鑒了傳統(tǒng)的繼電器邏輯圖的形式和結(jié)構(gòu)。指令清單是最常用的plc編程語言之一,適合用于描述路徑與電氣開關(guān)、輸入輸出狀態(tài)、邏輯關(guān)系等。
結(jié)構(gòu)化文本(structured text, st): 結(jié)構(gòu)化文本是一種基于類似于pascal或c語言的結(jié)構(gòu)和語法的編程語言。它使用關(guān)鍵字、運算符和函數(shù)來編寫程序,適用于以算法和數(shù)學(xué)計算為主的控制任務(wù)。
功能塊圖(function block diagram, fbd):功能塊圖是一種圖形化的編程語言,類似于電路圖的形式。它使用功能塊和連接線來表示邏輯運算和控制功能,適用于復(fù)雜的邏輯關(guān)系和模塊化編程。
流程圖(sequential function chart, sfc):流程圖是一種用于控制流程描述的編程語言,它使用狀態(tài)和過渡來表示控制邏輯。流程圖適用于復(fù)雜的控制流程和狀態(tài)機編程。
不同的plc品牌和型號可能支持不同的編程語言,具體使用哪種語言取決于plc的特性和應(yīng)用需求。在plc編程中,通常會根據(jù)具體任務(wù)的需求選擇最適合的編程語言來進行程序的開發(fā)。
2.4 plc編程過程
plc編程的一般過程如下:
確定需求:首先,你需要明確自己要控制的設(shè)備或系統(tǒng)的功能需求。了解項目的控制目標(biāo)、輸入輸出需求以及其他相關(guān)的技術(shù)要求。
設(shè)計邏輯:在設(shè)計階段,你需要根據(jù)需求來確定邏輯控制的方案??紤]設(shè)備的工作流程,確定需要采用哪些傳感器和執(zhí)行器,并設(shè)計相應(yīng)的邏輯控制流程。
選擇編程語言:根據(jù)plc型號和廠商的支持,選擇適合的編程語言,如指令清單、結(jié)構(gòu)化文本、功能塊圖或流程圖。
編寫程序:根據(jù)設(shè)計好的邏輯,使用選定的編程語言編寫plc程序。在編程過程中,你需要定義輸入輸出、變量、變量賦值、邏輯運算、條件判斷等。
調(diào)試和測試:在完成編程后,將程序下載到plc設(shè)備上,并進行調(diào)試和測試。檢查程序的邏輯是否正確,確保輸入輸出與期望的狀態(tài)一致。
上線和運行:經(jīng)過調(diào)試和測試后,將plc連接到實際的設(shè)備或系統(tǒng)上,并進行實際運行。觀察系統(tǒng)的運行情況,進行必要的調(diào)整和優(yōu)化。
請注意,具體的plc編程過程可能會因plc型號、廠商和應(yīng)用需求的不同而有所差異。開發(fā)人員通常需要具備plc編程的相關(guān)知識和經(jīng)驗,以確保編寫出可靠和高效的控制程序。
三、plc編程工具
3.1 編程工具
在plc編程過程中,通常會使用一些專門的工具來進行程序的編寫、調(diào)試和下載。以下是常見的plc編程工具:
plc編程軟件:每個plc品牌和型號都有自己的編程軟件,通常由plc廠商提供。這些軟件提供了一個集成開發(fā)環(huán)境(ide),用于編寫、編輯和管理plc程序。它還提供了與plc通信、調(diào)試和在線監(jiān)視功能。
編程電纜/通信模塊:用于將plc編程軟件與plc設(shè)備進行連接和通信。通常使用專用的編程電纜或通信模塊,以便在編程軟件中與plc進行數(shù)據(jù)交換、程序下載和在線調(diào)試。
仿真工具:一些plc編程軟件提供了仿真功能,可以在沒有實際plc設(shè)備的情況下進行程序的仿真和測試。通過仿真工具,可以模擬輸入輸出信號、觀察程序運行狀態(tài),并進行調(diào)試和驗證。
監(jiān)視工具:監(jiān)視工具用于在plc運行時實時監(jiān)視和跟蹤程序的執(zhí)行情況。它可以顯示plc的輸入輸出狀態(tài)、變量值和程序執(zhí)行步驟,幫助進行故障排除和性能優(yōu)化。
數(shù)據(jù)管理工具:這些工具用于管理plc程序、配置文件和備份數(shù)據(jù)。它們提供了項目管理、版本控制、備份恢復(fù)等功能,以確保程序的安全和可追溯性。
需要注意的是,具體的plc編程工具會因plc廠商和型號的不同而有所差異。在進行plc編程之前,建議查閱plc廠商的文檔和支持資源,了解適用于你的plc設(shè)備的具體編程工具及其使用方法。
四、plc與工控機協(xié)同
4.1?plc需要配置工控機嗎?
在一般情況下,plc不一定需要配置工控機。plc是一種專用的控制器,它可以獨立運行,并且通常具有自己的操作系統(tǒng)和編程環(huán)境。plc可以直接與輸入、輸出設(shè)備(如傳感器、執(zhí)行器等)進行連接,并通過編寫plc程序來實現(xiàn)對這些設(shè)備的控制。
然而,在某些情況下,為了進一步擴展plc的功能或?qū)崿F(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成,可能會需要配置工控機。工控機是一種通用的計算機設(shè)備,它可以運行操作系統(tǒng)(如bbbbbbs或linux)和其他應(yīng)用軟件。
配置工控機可以提供以下優(yōu)勢:
可視化界面:通過在工控機上運行人機界面(hmi)軟件,可以實現(xiàn)更豐富的用戶界面和操作體驗。
數(shù)據(jù)處理和存儲:工控機通常具有更強大的計算和存儲能力,可以用于處理和存儲大量的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)分析和歷史記錄。
通信和網(wǎng)絡(luò)功能:工控機可以通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和通信,如與企業(yè)級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(如mes或erp)的集成。
擴展性和兼容性:通過配置工控機,可以實現(xiàn)與其他設(shè)備(如相機、掃描儀等)的連接和擴展,以滿足特定應(yīng)用需求。
需要注意的是,是否需要配置工控機取決于具體的應(yīng)用需求。對于一些簡單的控制任務(wù),僅使用plc可能已經(jīng)足夠。但對于更復(fù)雜的控制系統(tǒng),配置工控機可以提供更高級的功能和靈活性。在選擇是否配置工控機時,建議根據(jù)具體的應(yīng)用需求、plc品牌和型號以及預(yù)算進行綜合考慮。
4.2?plc在什么情況下需要額外配置工控機
plc在以下情況下可能需要額外配置工控機:
高級控制功能:如果應(yīng)用需要更復(fù)雜的控制算法、數(shù)據(jù)處理、運算或邏輯運算,plc本身的處理能力可能有限。配置工控機可以提供更強大的計算和存儲能力,從而實現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能。
大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲:如果應(yīng)用需要處理和存儲大量的數(shù)據(jù),如歷史記錄、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等,plc的內(nèi)存和存儲容量可能有限。配置工控機可以提供更大的存儲容量和處理能力,以便更好地管理和分析數(shù)據(jù)。
可視化界面需求:如果用戶需要通過直觀的界面監(jiān)視和操作控制系統(tǒng),plc本身的人機界面功能可能有限。配置工控機可以運行人機界面(hmi)軟件,實現(xiàn)更豐富的可視化界面和用戶交互。
與其他系統(tǒng)的集成:如果應(yīng)用需要與其他系統(tǒng)(如mes、erp、數(shù)據(jù)庫等)進行數(shù)據(jù)交換、集中監(jiān)控和集成,plc本身的通信能力可能有限。配置工控機可以提供更多的通信接口和協(xié)議,以便實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通。
高速數(shù)據(jù)采集和處理:如果應(yīng)用需要高速數(shù)據(jù)采集和實時處理,plc本身的采樣速率和處理速度可能不足以滿足要求。配置工控機可以提供更高的采樣速率和更快的數(shù)據(jù)處理能力。
需要注意的是,是否需要額外配置工控機取決于具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)規(guī)模。有些plc產(chǎn)品已經(jīng)集成了工控機的功能,可以滿足許多應(yīng)用需求。在選擇是否配置工控機時,需要綜合考慮控制要求、數(shù)據(jù)處理需求、通信要求以及預(yù)算等因素。
4.3 plc與工控機的比較
plc和工控機是兩種不同的控制器,各有優(yōu)劣。下面對它們進行比較:
功能特點:plc是一種專用控制器,具有可編程性、實時性、可靠性等特點,可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。而工控機是一種通用的計算機設(shè)備,可以運行各種軟件,具有更強的計算、通信和存儲能力,更適用于數(shù)據(jù)處理、分析和管理等領(lǐng)域。
編程環(huán)境:plc編程通常采用ladder圖或類似的圖形化編程語言,對控制邏輯的描述更加直觀。而工控機通常使用高級編程語言(如c/c++、python等),可以實現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法和數(shù)據(jù)處理邏輯。
實時性能:plc具有較高的實時性能和可靠性,能夠滿足對于實時性要求較高的控制任務(wù)。而工控機的實時性能相對較差,因此不能滿足所有需要高實時性能的控制任務(wù)。
通信和網(wǎng)絡(luò)功能:工控機通常具有更多的通信和網(wǎng)絡(luò)接口,可以方便地與其他設(shè)備或系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和集成。而plc通常具有固定的通信接口,需要進行額外的通信配置才能與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和集成。
成本和可擴展性:plc比較容易安裝、調(diào)試和維護,并具有較低的成本。而工控機需要更多的配置和安裝工作,成本相對較高,但具有較高的可擴展性和通用性。
需要注意的是,plc和工控機是根據(jù)應(yīng)用場景選擇的兩種不同的控制器,各有各的優(yōu)劣和特點。在選擇plc或工控機控制系統(tǒng)時,需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求、工程成本、控制要求等因素進行綜合考慮。
4.4 plc和工控機協(xié)同
plc和工控機可以通過以下方式實現(xiàn)協(xié)同控制:
數(shù)據(jù)交換:plc和工控機可以通過通信接口進行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和傳輸。工控機可以將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給plc進行控制決策,而plc也可以向工控機發(fā)送控制指令或狀態(tài)信息。
分工合作:plc和工控機可以分別承擔(dān)不同的控制任務(wù)。例如,plc負責(zé)實時的硬件控制邏輯,如io模塊的輸入輸出控制、傳感器的數(shù)據(jù)采集等;而工控機則負責(zé)更復(fù)雜的運算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理任務(wù)。
接口協(xié)議:plc和工控機之間可以通過接口協(xié)議進行通信和數(shù)據(jù)傳輸,如使用modbus、opc ua等通信協(xié)議。這樣可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和共享。
聯(lián)鎖機制:plc和工控機可以通過聯(lián)鎖機制實現(xiàn)互鎖保護,確保協(xié)同控制的安全性。例如,plc可以設(shè)置輸出鎖定信號,防止工控機控制的輸出與plc控制的輸出發(fā)生沖突。
故障恢復(fù):plc和工控機在發(fā)生故障時可以進行自動切換或冗余備份,保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如,當(dāng)工控機發(fā)生故障時,plc可以接管控制任務(wù),確保生產(chǎn)線的持續(xù)運行。
需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來確定plc和工控機的協(xié)同方式。通過合理的設(shè)計和配置,plc和工控機可以實現(xiàn)有效的協(xié)同控制,提高控制系統(tǒng)的性能和功能。
五、plc如何支持人機交互
5.1 plc通常可以通過以下方式支持顯示屏
plc通??梢酝ㄟ^以下方式支持顯示屏:
數(shù)字量輸出:plc可以通過數(shù)字量輸出接口連接到顯示屏控制器,將控制信號發(fā)送給顯示屏。這樣可以實現(xiàn)基本的狀態(tài)顯示和控制,例如開關(guān)狀態(tài)、告警信號等。
模擬量輸出:某些plc具有模擬量輸出接口,可以通過連接到顯示屏控制器的模擬量輸入接口,以實現(xiàn)更精細的顯示和控制。例如,plc可以向顯示屏發(fā)送溫度、壓力等模擬量輸入信號,以在顯示屏上顯示實時數(shù)值。
串口通信:plc通常具有串口通信接口,可以通過串口連接到顯示屏控制器。plc可以通過串口發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)給顯示屏,以控制顯示內(nèi)容、顯示格式等。
網(wǎng)絡(luò)通信:一些plc具有網(wǎng)絡(luò)通信功能,可以通過以太網(wǎng)接口與顯示屏進行通信。plc可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示屏,以實現(xiàn)更高級的顯示功能,如圖像、動畫等。
需要注意的是,具體的支持方式和設(shè)置可能會因plc品牌、型號和顯示屏類型而有所差異。在使用plc連接顯示屏之前,建議參考plc和顯示屏的相關(guān)文檔或咨詢供應(yīng)商以獲取正確的連接和設(shè)置方式。
5.2 plc如何支持人機界面(hmi)
plc可以通過以下方式支持人機界面(hmi):
hmi顯示屏連接:plc可以通過串口、以太網(wǎng)或?qū)S媒涌谂chmi顯示屏進行連接。這樣可以實現(xiàn)雙向通信,plc可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到hmi顯示屏上進行顯示,同時hmi顯示屏也可以接收操作命令和參數(shù)設(shè)置等信息。
數(shù)據(jù)交換:plc可以通過指定的通信協(xié)議與hmi進行數(shù)據(jù)交換。plc向hmi發(fā)送實時數(shù)據(jù),例如傳感器采集的數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等。hmi可以接收并顯示這些數(shù)據(jù),以便操作員監(jiān)視和控制系統(tǒng)。
報警和故障顯示:plc可以將報警和故障信息發(fā)送到hmi顯示屏上,以便操作員及時了解和處理問題。hmi可以顯示警報信息、提供警報歷史記錄和幫助操作員進行故障排除。
參數(shù)設(shè)置和調(diào)整:plc和hmi之間的雙向通信可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和調(diào)整。操作員可以通過hmi界面修改plc的工作參數(shù),例如設(shè)定值、時間延遲等,以便實現(xiàn)對系統(tǒng)的靈活控制。
圖形界面和操作:hmi顯示屏通常提供圖形化界面和操作功能。通過plc和hmi之間的數(shù)據(jù)交換,操作員可以使用hmi上的按鈕、滑動條、觸摸屏等交互元素來操縱和控制plc系統(tǒng)。
需要根據(jù)具體的plc和hmi設(shè)備進行設(shè)置和配置,以確保它們之間的兼容性和正確的通信協(xié)議。通常,plc供應(yīng)商會提供相應(yīng)的驅(qū)動程序、通信庫或配置工具,以便集成plc和hmi系統(tǒng)。在使用plc和hmi進行人機界面操作之前,建議參考相關(guān)文檔或咨詢供應(yīng)商以獲取正確的設(shè)置和連接方式。
5.3 plc如何與觸摸屏通信
觸摸屏hmi作為人機交互界面。通過對設(shè)備工藝參數(shù)(溫度,頻率,速度,壓力,液位等)、設(shè)備指令的下達來控制設(shè)備動作,并實時反饋設(shè)備運行狀態(tài),從而實現(xiàn)人和生產(chǎn)線的交流。
plc可以通過以下方式與觸摸屏進行通信:
串口通信:plc可以通過串口連接到觸摸屏,使用串口通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。其中一方作為主站發(fā)送指令,另一方作為從站接收命令和返回數(shù)據(jù)。
以太網(wǎng)通信:plc和觸摸屏可以通過以太網(wǎng)連接進行通信。其中一方作為服務(wù)器端,另一方作為客戶端,使用一定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。
專用接口通信:某些plc和觸摸屏具有專用的通信接口,例如modbus或profibus接口。使用這種接口可以更方便地實現(xiàn)通信,并且實現(xiàn)高效和可靠的數(shù)據(jù)交換。
在與觸摸屏通信之前,需要首先確定plc和觸摸屏之間通信的協(xié)議和通信方式,以確保它們之間的兼容性。另外,還需要進行相應(yīng)的硬件和軟件配置和設(shè)置,例如設(shè)置通信速率、設(shè)置數(shù)據(jù)格式和校驗方式等。這些設(shè)置通??梢酝ㄟ^菜單或者專用工具進行設(shè)置和修改。需要注意的是,不同的plc和觸摸屏之間可能存在一定的差異,建議參考設(shè)備的相關(guān)文檔或咨詢供應(yīng)商以獲取準(zhǔn)確的設(shè)置和配置方式。