1、PLC 与上位计算机通讯监控系统的研究与应用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（Programmable Logic Controller）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、CAD/CAM）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
2、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面，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计核心控制开发技术。关键词：PLC 及其网络，通信协议，PID 控制算法，PLC 监控
3、1.1 可编程序控制器及其网络概述1.1.1 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，而必须有一种新的工业控制装置，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，
4、称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（Programmable Logic Controller） ，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（Reduced instruct
5、ion set computer）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、联网通信功能的真正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工业控制装置，由 PLC 组成的多级分布式 PLC 网络成为 CIMS（computer-integrated manufacturing system）系统不可或缺的基本组成部分。人们高度评价 PLC
6、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一。1.1.2 PLC 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、CAD/CAM）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。逻辑控制用电控装置（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
7、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置，计算机成为三电一体的物质基础。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一级实现三电一体化，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（distrabuted control system）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 则沿着后一种思路发展三电一体
8、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
9、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，其纠正错误输出的能力是十分强的。1.2 PLC 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，
10、进行入出信息交换实现控制。1.2.1 PLC 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 1
11、.1 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。输入点暂存器I/O 刷新输出继电器输入继电器输出点锁存器输出电路输入电路 I/O 刷新用户程序运行1.2.2 PLC 的控制过程PLC 实现控制的过程一般是：输入刷新运行用户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 1.2 所示。1.2.3 PLC 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。
