西門子模塊6AV2124-0GC01-0AX0

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PCL 人機(jī)界面 編程設(shè)備 通信聯(lián)網(wǎng)

    在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。為了使各位初學(xué)者更方便地了解PLC，本文對(duì)PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識(shí)作一簡(jiǎn)介，以期對(duì)各位網(wǎng)友有所幫助。

一、PLC的發(fā)展歷程

    在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。

　　個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡(jiǎn)稱PC。

　　PLC的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。

　　上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。

　　PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。

二、PLC的構(gòu)成

　　從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

三、CPU的構(gòu)成

　　CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。

　　CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC的組成單元。

　　在使用者看來，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。

　　CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。

四、I/O模塊

　　PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。

　　開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：

　　開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。

　　模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

　　除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。

　　按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。

五、電源模塊

　　PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。

六、底板或機(jī)架

　　大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。

七、PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備

　　1、編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。

　　2、人機(jī)界面：的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。

　　3、輸入輸出設(shè)備：用于性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。

八、PLC的通信聯(lián)網(wǎng)

　　依靠*的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說法。

　　PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。

　　PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。

　　對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

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PROFIBUS DP 接口:

　　帶有 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU 314C-2 DP 可以用來建立高速、易用的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。 對(duì)用戶來說,分布式I/O單元可作為一個(gè)集中式單元來處理(相同的組態(tài)、編址和編程).

　　以太網(wǎng)接口；

　　CPU 314C-2 PN/DP 的第 2 個(gè)內(nèi)置接口是一個(gè)基于以太網(wǎng) TCP/IP 的 PROFINET 接口，帶有雙端*交換機(jī)。

　　它支持下列協(xié)議：S7通訊用于在SIMATIC控制器間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

　　用于通過 STEP 7 編程、調(diào)試和診斷的編程器/OP通訊

　　與HMI和SCADA連接的PG/OP通訊;

　　通過 PROFINET 進(jìn)行的開放式 TCP/IP、UDP 和 ISO-on-TCP (RFC1006) 通訊

　　SIMATIC NET OPC-Server用于與其它控制器以及CPU自帶的I/O設(shè)備進(jìn)行通訊

　　內(nèi)置輸入/輸出;

　　24路數(shù)字量輸入(所有輸入都可用作中斷處理)和16路數(shù)字量輸出，以及5個(gè)模擬量輸入和2個(gè)模擬量輸出，使得CPU 314C-2 DP是一款的控制器。

　　功能

　　口令保護(hù);

　　用戶程序使用密碼保護(hù)，可防止非法訪問。

　　塊加密

　　相關(guān)功能 (FC) 和 功能塊 (FB) 可以加密的方式存儲(chǔ)于 CPU 以保護(hù)專門知識(shí)應(yīng)用。

　　診斷緩沖;

　　500個(gè)故障和中斷事件保存在該緩沖區(qū)中，供診斷使用。 其中，保留 100 個(gè)條目

　　免維護(hù)的數(shù)據(jù)后備;

　　如果發(fā)生斷電，則可通過 CPU 將所有數(shù)據(jù)(最多達(dá) 64 KB)自動(dòng)寫入到 SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡（MMC 卡）上，且將在再次通電時(shí)保持不變。

采用 HARDNET-PB DP 訪問過程數(shù)據(jù)

HARDNET-PB DP 兼容于采用 DP-Lib 接口創(chuàng)建的老應(yīng)用程序。

DP-Base 和 HARDNET-PB DP 軟件的并行運(yùn)行是不允許的。

與 PC SIMATIC Microbox 連接的 PROFIBUS DP

編程器/OP通信軟件

該軟件保證 SIMATIC S5/S7（SIMATIC S5-95U 除外）控制器通過與 STEP5/STEP7 連接的 PROFIBUS 編程。安裝 CP 5603（DP-Base）后可以進(jìn)行基于 CP 5603 的編程器/OP 通訊。 無需另外的軟件包。

開放式通訊（發(fā)送/接收，基于 FDL 接口）

安裝好 CP 5603（DP-Base）之后就可以進(jìn)行發(fā)送/接收（FDL 接口），可提供數(shù)據(jù)傳輸、診斷和管理服務(wù)。無需另外的軟件包。

用于實(shí)現(xiàn) S7 通信的軟件（HARDNET-PB S7）

SIMATIC S7系統(tǒng)部件經(jīng)過S7通訊相互進(jìn)行通訊。 S7 編程接口使 PG/PC 應(yīng)用程序得以存取 SIMATIC S7 系統(tǒng)的部件的入口。 存取SIMATIC S7數(shù)據(jù)既方便又靈活。

S7通訊提供下列服務(wù)：

管理服

• 連接管理

• 小型數(shù)據(jù)庫

• 跟蹤

數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

• 讀/寫變量

• 發(fā)送/接收（每個(gè)任務(wù)zui大64K字節(jié)）

用于 PROFIBUS-FMS 接口軟件（FMS-5613）

通過 FMS 編程接口，具有 FMS 控制器的 PG/PC 機(jī)（例如 S5/S7）可以和其它制造商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交換數(shù)據(jù)。 采用FMS協(xié)議，保證開放式通訊。

FMS 接口提供下述服務(wù)：

• 管理服務(wù)

• CRL 管理服務(wù)

• FMS 連接管理服務(wù)

• 客戶和服務(wù)器用的對(duì)象詞典的管理服務(wù)

• 用于客戶和服務(wù)器的變量服務(wù)（讀、寫、信息報(bào)告）

• 服務(wù)器的功能度

• VFD（虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）用于客戶和服務(wù)器服務(wù)

• 總線存取信息服務(wù)（實(shí)時(shí)報(bào)表）

• 跟蹤和小型數(shù)據(jù)庫。通過 PROFIBUS 將 SIMATIC 連接至 S7 模塊化嵌入式控制器

用戶接口

OPC 接口

各自的軟件包中包含 OPC 服務(wù)器，可以用作 PROFIBUS DP、開放式通訊、S7 通訊和 PROFIBUS FMS 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)編程接口，從而將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用程序連接到 OPC Windows 應(yīng)用程序（Office、HMI 系統(tǒng)等）。

通過C語言庫的編程接口

現(xiàn)有應(yīng)用程序的編程接口以動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供。 您可在 SIMATIC NET CD 產(chǎn)品的 Readme 文件中找到已發(fā)布的編譯器

至于 Borland 編程接口（例如 DELPHI）， 可用 AIXO 對(duì)方的方案。

關(guān)于其它操作系統(tǒng)的解決方案見開發(fā)工具包 HARDNET-PB DP。

組態(tài)

• 西門子CP通訊網(wǎng)卡采用 STEP7 或 NCMPC，可以對(duì) S7 通信、開放通信和 DP-V0/DP-V1/DP-V2 協(xié)議進(jìn)行組態(tài)。

• 該 PROFIBUS 軟件包的供貨范圍包含一個(gè)組態(tài)工具。

故障診斷

用于模塊自身和 PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)方面的擴(kuò)展診斷工具（用于安裝，調(diào)試和運(yùn)行）。 這些工具可用于有 CP5603 的 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)的快速、方便的調(diào)試