中文譯文PLC 梯形圖、電路設(shè)計(jì)的研究一、PLC 概述可編程控制器是 60 年代末在美國首先出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用來取代繼電器。以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。提出 PLC 概念的是美國通用汽車公司。 PLC 的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi),使控制器和被控對象連接方便。70 年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時(shí)的 PLC 已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。國際電工委員會(huì)(IEC)頒布的可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中對可編程控制器作了如下的定義：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)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(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)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的設(shè)計(jì)?？删幊炭刂破鲗τ脩魜碚f，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)?？煽啃愿?，抗干擾能力強(qiáng)；編程直觀、簡單；適應(yīng)性好；功能完善，接口功能強(qiáng)二、PLC 的歷史1968 年，Richard E. Morley 創(chuàng)造出了新一代工業(yè)控制裝置可編程邏輯控制器(PLC),現(xiàn)在，PLC 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，包括機(jī)械制造也、運(yùn)輸系統(tǒng)、化學(xué)過程設(shè)備、等許多其他領(lǐng)域。初期可編程控制器只是用一種類似于語言的軟件邏輯于代替繼電器硬件邏輯，并且使開發(fā)時(shí)間由 6 個(gè)月縮短到 6 天。雖然計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生，但是 PLC 控制因?yàn)樗母咝阅?、成本低、并且對惡劣的環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力而在工業(yè)控制的廣泛應(yīng)用中保持優(yōu)勢。而且，盡管硬件的價(jià)格在逐漸下跌，據(jù)估計(jì)，根據(jù) Frost 和 Sullivan 對 PLC 市場的調(diào)查研究表明，每年銷售硬件的價(jià)格要比銷售 PLC 的價(jià)格（一千五百萬）至少多出八十億美元。 PLC 的創(chuàng)造者 Richard E. Morley 十分肯定的認(rèn)為目前 PLC 市場是一個(gè)價(jià)值五十億的工業(yè)雖然 PLC 廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，PLC 控制系統(tǒng)的程序依然和語法有關(guān)。和軟件過程一樣，PLC 的軟件設(shè)計(jì)也以同樣的方式會(huì)遇到軟件錯(cuò)誤或危機(jī)。Morley 在演講中著重強(qiáng)調(diào)了這個(gè)方面。如果房子建造的像軟件過程一樣，那么僅僅一只啄木鳥就可以摧毀文明。特別的，PLC 程序要解決的實(shí)際問題是消除軟件錯(cuò)誤和減少老式梯形邏輯語言的花費(fèi)。盡管 PLC 的硬件成本在繼續(xù)下降，但是在工業(yè)控制上減少梯形邏輯的掃描時(shí)間仍然是一個(gè)問題，以至于可以用到低耗時(shí)的 PLC。一般來說，和其他領(lǐng)域相比生產(chǎn) PLC 的周期要短很多。例如，在實(shí)踐中， VISI 設(shè)計(jì)是一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。PLC 不需要使用目前的以軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)軟件工程方法論，因?yàn)?PLC 程序要求對軟件和硬件搜都要考慮到。因此，軟件設(shè)計(jì)越來越成為花費(fèi)動(dòng)力。在許多的工業(yè)設(shè)計(jì)工程中，多數(shù)人力分配給了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝，并且他們被要求對 PLC進(jìn)行程序測試和錯(cuò)誤排除。再者，PLC 控制系統(tǒng)不適合設(shè)計(jì)對適應(yīng)性和重構(gòu)有越來越多要求的生產(chǎn)系統(tǒng)。一個(gè)更深入的問題是在大規(guī)模的工程中軟件越來越復(fù)雜，促使要有一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法論。主題的客觀性是為 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)建立一個(gè)系統(tǒng)化的軟件設(shè)計(jì)方法論。這個(gè)設(shè)計(jì)方法論包括以狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型為基礎(chǔ)的精確的描述，這個(gè)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)換模型是自動(dòng)控制系統(tǒng)的抽象系統(tǒng)。方法論還包括一個(gè)逐步的設(shè)計(jì)過程，并且要設(shè)置一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則，這樣才能為一個(gè)成功的設(shè)計(jì)提供導(dǎo)向和方法。這項(xiàng)研究的真正目的是找到一個(gè)減少控制軟件發(fā)展過程的不穩(wěn)定性的方法，也就是說，減少程序和調(diào)試時(shí)間以及他們的變化，以增強(qiáng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性，并且通過調(diào)整軟件使得軟件可以再度使用。這樣的目的是為了克服目前程序策略的不足之處，而目前的程序策略是以個(gè)人軟件開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。三、現(xiàn)今的 PLC從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和模塊式兩種。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。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(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。中央處理器(CPU)是 PLC 控制器的大腦。通常 CPU 本身就是一個(gè)微控制器。起先是 8位微控制器例如 8051,現(xiàn)在發(fā)展為 16 位和 32 位微控制器。你會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分由日本制造商制造的 PLC 中是日立和 Fujicu 的微控制器,西門子的微控制器多應(yīng)用在歐洲的 PLC 中,摩托羅拉生產(chǎn)的微控制器則獨(dú)占美國市場。CPU 同樣關(guān)注通信, PLC 控制器,操作程序的執(zhí)行,監(jiān)督記憶設(shè)置的輸入和輸出等部分的關(guān)聯(lián)性。PLC 使用系統(tǒng)存儲器（現(xiàn)在大部分采用閃存技術(shù)了）用于過程控制系統(tǒng)。除了這個(gè)操作系統(tǒng)之外，它還包括一個(gè)由梯形圖翻譯成而進(jìn)制形式的用戶程序。快擦型存儲器（FLASH memory）的內(nèi)容只有在改變用戶程序的時(shí)候可以被改變。PLC 控制器比快擦型存儲器使用得更早，EPROM 存儲器比快擦型存儲器也更早，快擦型存儲器必須用紫外線（UV，Ultra-Violet Ray）燈擦除，并在編程器上進(jìn)行編程。由于快擦型存儲器技術(shù)的應(yīng)用，使得這個(gè)過程大大縮短了。在應(yīng)用程序開發(fā)中，通過一個(gè)串行電纜可以對程序存儲器進(jìn)行重新編程。用戶存儲器被分成具有特殊功能的塊。一部分存儲器用來存儲輸入和輸出狀態(tài)。一個(gè)輸入的實(shí)際狀態(tài)存儲狀態(tài)存儲在專用存儲器位上，為“1”或者“0” 。每一個(gè)輸入和輸出在存儲器中都有一個(gè)相應(yīng)的位。另外一部分存儲器用來存儲用戶程序中的變量的內(nèi)容。例如，定時(shí)器值，或者記數(shù)器值存放在存儲器的這個(gè)部分。PLC 控制器可以通過計(jì)算機(jī)（通常方式）重新編程，但是也可以通過人工編程器 9控制臺）編程。實(shí)際上，這意味著，如果你有編程所需要的軟件，早期 PLC 控制器可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。今天的傳輸計(jì)算機(jī)是工廠自己對 PLC 控制器進(jìn)行重新編程的理想設(shè)備。這對于工業(yè)企業(yè)來說是非常重要的。一旦系統(tǒng)修改結(jié)束，將正確的程序重新讀入 PLC 控制器也是非常重要的。定期檢查 PLC 中的程序是否改變是非常好的事情。這有助于避免車間發(fā)生危險(xiǎn)情況（一些汽車制造商已經(jīng)建立了通信網(wǎng)絡(luò)，可以定期檢查 PLC 中的程序，以保證運(yùn)行的程序都是正確的） 。幾乎所有用于為 PLC 控制器編程的程序都擁有各種不同的選項(xiàng)，例如系統(tǒng)輸入 /輸出（I/O 線）的強(qiáng)制開關(guān)，程序?qū)崟r(shí)跟蹤以及圖表驗(yàn)證。圖表驗(yàn)證對于理解、定義失敗和故障非常必要。程序員可以添加標(biāo)記，書日和輸出設(shè)備名稱，以及對于查找錯(cuò)誤或者對于系統(tǒng)維護(hù)很有用的注釋。添加注釋和標(biāo)記可以使技術(shù)人員（不僅僅是開發(fā)人員）很快理解梯形圖。注釋和標(biāo)記甚至還可以準(zhǔn)確地引用零件號，如果需要更換零件的話。這將加快由于損壞零件而引起的任何問題的修理速度。響應(yīng)的舊方法是這樣的，開發(fā)系統(tǒng)的人必須保護(hù)這個(gè)程序，他旁邊再?zèng)]有人知道系統(tǒng)是怎樣完成的。正確的、備有證明文件的梯形圖使任何技術(shù)人員都能徹底理解系統(tǒng)的功能。電源是為中央處理單元提供電源的。大部分 PLC 控制器的工作電壓為 24VDC 或者220VAC。在有些 PLC 控制器上，你可以看見作為獨(dú)立模塊的電源。用戶必須確定從 I/O模塊取出多大電流來保證電源提供適當(dāng)?shù)碾娏?。不同的模塊使用不同的電流量。該電源一般不用于啟動(dòng)外部輸入或輸出。用戶必須提供獨(dú)立的電源來啟動(dòng) PLC 控制器的輸入和輸出，因?yàn)檫@樣可以保證 PLC 控制器的所謂“純電源 ”。使用純電源意味著工業(yè)環(huán)境中的電源不會(huì)嚴(yán)重影響它。有些較小的 PLC 控制器從與 PLC 控制器集成在一起的小電源為它們的輸入提供電壓源。四、PLC 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì) PLC 程序的方法可以克服傳統(tǒng)程序生產(chǎn)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，并且在一些工業(yè)應(yīng)用總有很大的不同。自動(dòng)控制系統(tǒng)是狀態(tài)模型用公式語言或等價(jià)的語言描述的。公式描述對被控制的系統(tǒng)的行為提供一個(gè)精確的描述?？梢酝ㄟ^分析估計(jì)看狀態(tài)模型是否達(dá)到想要的目標(biāo)。第二，為狀態(tài)模型的描述提供結(jié)構(gòu)描述，這個(gè)結(jié)構(gòu)描述可以說明邏輯要求和如細(xì)節(jié)安全規(guī)則的限制。第三，好的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對自動(dòng)控制代碼生成有益的一種能夠產(chǎn)生可執(zhí)行的控制軟件的能力，不同的邏輯控制器可以減少程序掃描時(shí)間和執(zhí)行那個(gè)時(shí)間。特別的，這個(gè)主題與隨后的部分的是有關(guān)的。在現(xiàn)代制造業(yè)中，系統(tǒng)是用過程和結(jié)果的革新來描述的，變得 Customer-Driven，并且因此不得不改變系統(tǒng)性能以快速做出反應(yīng)。因此，一個(gè)大的挑戰(zhàn)是提供技術(shù)以限制自動(dòng)控制系統(tǒng)對變化需要和新機(jī)會(huì)的反應(yīng)，所以，設(shè)計(jì)和操作知識可以實(shí)時(shí)的被再次利用，在工業(yè)實(shí)踐中提供了一個(gè)重要的競爭面。研究表明，在自動(dòng)化系統(tǒng)中，程序?qū)崿F(xiàn)的方法已經(jīng)與計(jì)算機(jī)資源應(yīng)用的急速增長不能匹配。例如，可編程邏輯控制器（）程序仍然依靠一種方便的有邏輯梯形圖的程序?qū)崿F(xiàn)模式。結(jié)果，程序上的延遲和資源成了生產(chǎn)工業(yè)過程的主要絆腳石。在可編程邏輯控制器程序設(shè)計(jì)過程中，測試和調(diào)試可能會(huì)占用超過百分之五十的人力。在發(fā)展和傳播“”已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999，但是，基本上這些標(biāo)準(zhǔn)都不能參與有效的程序和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面知識的革新。系統(tǒng)的方法通過使用原有的軟件模塊，有助于增加設(shè)計(jì)自動(dòng)化的水平，同時(shí)也將提供一種可管理的大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。同樣的，它也將改善軟件的質(zhì)量的可靠性，以及關(guān)系到系統(tǒng)的較高安全標(biāo)準(zhǔn)，尤其是這些對環(huán)境有危害影響的，比如：機(jī)場控制、公共鐵路運(yùn)輸。軟件工業(yè)被認(rèn)為是系統(tǒng)性能的破壞者和系統(tǒng)復(fù)雜性的產(chǎn)生者。逐漸下降的硬件價(jià)格，破壞了對通過優(yōu)化程序獲得的軟件性能的需要。其結(jié)果是，一方面造成了大量而低效率的程序代碼，另一方面并沒有獲得高的硬件性能。其次，軟件變得難以掌握其程度的復(fù)雜；在現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)和保持系統(tǒng)本質(zhì)幾乎變得不可能。尤其是，可編程邏輯控制器（）程序設(shè)計(jì)從二十五年前的兩條主線，發(fā)展到現(xiàn)在的成千上萬條?，F(xiàn)在安全性增加了，例如，關(guān)于防火的新措施，以及現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的柔韌性增加了程序設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性。因此，軟件的使用周期花費(fèi)是總共花費(fèi)的一個(gè)固定不變的增長部分。百分之八十到九十的花費(fèi)用于軟件維護(hù)、調(diào)試、優(yōu)化（改進(jìn)） 、和擴(kuò)展以滿足不斷變換的需求。目前，大部分設(shè)計(jì)研究的主要焦點(diǎn)都集中在機(jī)械和電子產(chǎn)品上。這種有目的性的研究產(chǎn)生了一個(gè)副產(chǎn)品，就是通過推廣這中研究到系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，從而加固了我們對設(shè)計(jì)理論和技巧的基本理解。針對大規(guī)模和復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論并沒有成熟。尤其是，對如何簡化一個(gè)繁冗而復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)這一問題，仍然沒有被科學(xué)的處理。而且，正在設(shè)計(jì)理論和代表計(jì)算機(jī)科學(xué)及運(yùn)籌學(xué)研究的認(rèn)識論結(jié)果之間構(gòu)建一條橋梁，這樣的具體應(yīng)該是邏輯硬件電路設(shè)計(jì)。從邏輯學(xué)的角度來看，可編程邏輯控制器（PLC）的軟件設(shè)計(jì)類似與集成電路的硬件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)（Very Large Scale Integration-VLSI）是及其復(fù)雜的，一個(gè)集成電路一般有幾百萬個(gè)晶體管，而且產(chǎn)品開發(fā)周期大都三年左右。設(shè)計(jì)過程一般都分成局部功能塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。在局部功能塊設(shè)計(jì)階段，單個(gè)功能將被設(shè)計(jì)出來，并予以驗(yàn)證。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，所有功能塊都將被整合起來，整個(gè)系統(tǒng)行為特性和功能將會(huì)通過仿真形式加以測試。一般來說，所有部分都完全的驗(yàn)證是不可能的。因此，統(tǒng)計(jì)學(xué)可以作為可編程邏輯控制器（PLC）設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，并有可能影響邏輯硬件設(shè)計(jì)。五、AK 1703 ACPAK 1703 ACP 憑借著一貫創(chuàng)新的精神與穩(wěn)定的技術(shù)，在以穩(wěn)定為基礎(chǔ)的產(chǎn)品平臺中，擁有高級的功能性和適應(yīng)性。ACP（自動(dòng)化，控制和保護(hù)）系統(tǒng)概念保證了 AK 1703 ACP 功能的實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)定的功能性使得自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程控制和通信協(xié)議三者完美結(jié)合。可升級的性能與多種冗余結(jié)構(gòu)，使得 AK1703 ACP 可以完美處理各種功能要求。AK 1703 ACP 擁有適合現(xiàn)代化自動(dòng)控制的綜合的遠(yuǎn)程控制技術(shù)： 水電站遠(yuǎn)程控制與中控設(shè)備 擁有自治功能的自動(dòng)控制單元 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn), 設(shè)備控制站, 尖端科技 擁有現(xiàn)場或遠(yuǎn)程外圍設(shè)備 為后面板安裝而設(shè)計(jì)的 19 英寸設(shè)備 專為多種現(xiàn)場應(yīng)用和高產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)的中間產(chǎn)品 多種通信手段 簡潔的編程 唯一的設(shè)備插座 開放型系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 可升級的冗余 智能終端- TM 1703AK 1703 ACP 基本外部設(shè)備原件擁有兩個(gè)基本系統(tǒng)原件 CP-2010/CPC25（主控原件）和 CP-2012/PCCE25（處理和通信原件） ，一個(gè)總線最多可以連接 16 個(gè)外圍設(shè)備原件。CP-2010/CPC25 特征與功能系統(tǒng)功能： 核心元件，協(xié)調(diào)所有系統(tǒng)功能連接所有基本功能原件的中心站點(diǎn) 時(shí)間管理自動(dòng)控制單元的中控時(shí)鐘設(shè)定并保持自身時(shí)鐘的時(shí)間，分辨率為 10ms通過互聯(lián)網(wǎng)或當(dāng)?shù)氐姆?wù)通信進(jìn)行同步 冗余在處理與通信中為自動(dòng)控制單元選擇并轉(zhuǎn)變?nèi)哂鄦卧ㄟ^ SCA-RS 外部冗余開關(guān)支持選擇與轉(zhuǎn)變功能通過外接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選擇與支持,例如控制系統(tǒng) 與 SAT TOLLBOX|連接在閃存卡里存儲固件和參數(shù)通信： 通過相應(yīng)的協(xié)議原件與高級或附屬自動(dòng)控制單元進(jìn)行通信 為數(shù)據(jù)流自動(dòng)選擇路徑 優(yōu)先基本數(shù)據(jù)的傳輸(優(yōu)先級控制 ) 為每個(gè)聯(lián)檢站設(shè)立自己的循環(huán)緩沖器和處理信息(數(shù)據(jù)保持) 為冗余通信提供路徑與對方站的冗余進(jìn)行通信 通過撥號上網(wǎng)方式對特殊應(yīng)用實(shí)施特殊功能為可進(jìn)行冗余的站點(diǎn)進(jìn)行測試具有處理功能的外圍設(shè)備： 通過 Ax 1703 外圍設(shè)備串口總線自發(fā)地將信息傳輸?shù)酵鈬O(shè)備單元自動(dòng)控制功能： 通過 CAEX+按照 IEC 61131-3 協(xié)議創(chuàng)建的可自由定義的擁有開閉環(huán)控制功能的用戶程序512KB 的用戶程序空間大約 50000 個(gè)可變信號源，2000 個(gè)常用信號源 10ms 的循環(huán)時(shí)間網(wǎng)上測試可隨時(shí)下載 冗余的開閉環(huán)功能控制通過冗余線路進(jìn)行同步通過 Ax 1703 外圍設(shè)備串口總線在開閉環(huán)控制功能與外圍接口單元之間不斷傳輸處理信息。