黃晚青

摘要：可編程邏輯控制器簡稱PLC，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。文章介紹了PLC的基本構成，提出了未來PLC技術的發(fā)展方向，同時以自來水現(xiàn)場工業(yè)控制為例，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的PLC自動化控制。

關鍵詞：可編程邏輯控制器；PLC技術；邏輯控制；自來水系統(tǒng)；工控現(xiàn)場

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)14-0055-03

可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入／輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計的?？傊?，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機，在自動控制領域有著極其廣泛的應用。

一、PLC構成及其發(fā)展

(一)PLC的構成

用可編程控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，而輸入輸出變換實際上就是信息處理。物理實現(xiàn)要求PLC的輸入應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，而輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求FO系統(tǒng)電路專門設計。根據(jù)PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算機結構，主要是CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路等組成，如圖1所示：

因為PLC是工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機，它和一般計算機一樣由中央處理器、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路等組成。

(二)PLc的發(fā)展

雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通迅技術的不斷進步。PLC也迅速發(fā)展。其發(fā)展過程大致可分為三個階段：

1.早期的PLC(60年代末～70年代中期)。早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時的PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置。其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中PLC特有的編程語言——梯形圖一直沿用至今。

2.中期的PLC(70年代中期～80年代中、后期)。在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大變化。美國、日本、德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。這樣，使PLC的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程FO模塊、各種特殊功能模塊，使PLC的應用范圍得以擴大。

3.近期的PLC(80年代中、后期至今)。進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。

PLC是一門綜合技術，其發(fā)展與微電子技術和計算機技術密切相關。隨著可編程序控制器應用領域的不斷擴大，它本身也在不斷發(fā)展。目前PLC主要朝兩個方向發(fā)展：

(1)小型化方向。目前的小型PLC大都局限在開關量的輸入輸出，而且CPU和FO部件組裝在一個箱體內(nèi)，今后的小型PLC也將增加模擬量的處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其它機型連用。小型PLC的基本特點是價格低廉、經(jīng)濟可靠，適用于回路或設備的單機控制，便于“機電儀”一體化。但免不了要犧牲一些用戶使用的方便性。既要簡單經(jīng)濟，又要不斷增強功能和使用的方便性是小型PLC的發(fā)展方向。

(2)大型化方向。主要包含以下幾個方面：1)功能不斷加強：不僅具有邏輯運算、計數(shù)、定時等基本功能，還具數(shù)值運算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計算機接口、通訊等功能；2)網(wǎng)絡功能是PLC發(fā)展的一個重要特征。各種個人計算機，圖形工作站、小型機等都可以作為PLC的監(jiān)控主機或工作站，這些裝置的結合能夠提供屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的PLC聯(lián)網(wǎng)及不同廠家生產(chǎn)的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能輕易地實現(xiàn)；3)應用范圍不斷擴大：不僅能進行一般的邏輯控制，還能進行中斷控制、智能控制、過程控制為、遠程控制等；4)用于過程控制的PLC往往對存貯器容量及速度要求較高，為此，開發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專用獨立的PID控制器，多路轉換器等，使得數(shù)字技術和模擬量技術在可編程序控制器中得到統(tǒng)一；5)編程軟件的多樣化和高級化：采用多種編程語言，有面向順序語言和面向過程控制系統(tǒng)的流程圖語言；還有與計算機兼容的高級語言，如BASIC、C及匯編語一言；另外還有專用的高級語言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語句變?yōu)樘菪螆D程序；也有采用布爾邏輯語言的。PLc也將具有數(shù)據(jù)庫，并可實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫共享。還將不斷發(fā)展自適應控制和專家系統(tǒng)；6)構成形式的分散化和集散化：PLC與I/O口分散，PLC本身也可分散，分散的PLC可以連用，這樣可將集中控制存在的“危險集中”化為“危險分散”。分散的PLC與上位機結合構成集散系統(tǒng)，分散地進行控制，這就便于構成多層分布式控制，以實現(xiàn)整個工廠或企業(yè)的自動化控制和管理。

三、PLC在自來水工控現(xiàn)場的應用實例

(一)控制需求分析

自動供水系統(tǒng)結構組成示意圖，如圖2所示。該系統(tǒng)通過2臺抽水泵(另外2臺備用)分別將#1和2#兩口水井中的井水抽到清水池中，加藥處理后由2臺(另外1臺備用)和1臺(另外1臺備用)加壓泵分別向左岸和右岸水塔自動供水，以保證左、右兩岸居民的用水需求。

自動控制供水系統(tǒng)主要是控制4臺抽水泵和5臺加壓泵的啟停，保證用戶供水。控制系統(tǒng)設“手動”和“自動”兩種工作方式。手動方式是一種備用方式，它是在自動方式不能正常運行的情況下啟用。自動方式可以實現(xiàn)無人值班，無需人為干預，正常情況下自動供水，保證用戶有水可用。

自動供水系統(tǒng)控制要求：

1.1#或2#冰井液位低于最低水位時，自動停止相應的抽水泵，在操作臺顯示液位值，并向上位機發(fā)出報警信號。

2.清水池水位低于下限水位時，1#和2#兩口水井中的各自

一臺水泵向清水池送水，同時根據(jù)設定值自動啟動加藥泵進行加藥處理；當高于上限水位時，兩臺水泵和加藥泵同時停止。要求各臺備用水泵在相應水泵出現(xiàn)故障時，自動投入運行。

3.左岸或右岸水塔水位低于下限水位時，如果清水池中的水位不低于下限水位，各主加壓泵同時向水塔送水；當水塔水位高于上限水位時，主加壓泵停止送水。要求各臺備用加壓泵在相應加壓泵出現(xiàn)故障時。自動投入運行。

4.通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和報警，并實時顯示水井、清水池、水塔的液位。

5.本系統(tǒng)要求運行安全可靠，手動操作、自動操作轉換方便、可行。

(二)PLC控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用德國西門子公司57 200系列中的57-226控制器及其STEP7/WNI軟件作為系統(tǒng)的軟硬件設備。該型號的PLC有良好性價比，同時提供了良好的開發(fā)平臺以及大量的相關參考資料，在小型PLC控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，并在WNIDOWS2000完成了系統(tǒng)軟件的編制和調(diào)試。上位機采用北京杰控Fameview5.5實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控，上下位機間通信采用MODBUS通信。

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，PLC控制器主要是對兩個取水泵站的四臺水泵和兩個液位傳感器、加藥站的加藥泵、加壓站的五臺加壓泵進行控制及向上位監(jiān)控機傳送各種信息。由此，自來水工程PLC控制系統(tǒng)的流程圖，如圖3所示：

由自來水工程PLC自動控制系統(tǒng)原理框圖工藝組成可得：電氣控制系統(tǒng)要求5個液位傳感器分別檢測兩個水井液位、清水池液位、右岸生活水池液位和左岸生活水池液位；5個出水輔助電接點壓力表來控制五臺加壓泵電動閥門的開啟和檢測五臺加壓泵電機運行是否正常，除此之外，電氣控制系統(tǒng)還要求一些水泵電機運行指示燈和按鈕等元器件，由控制系統(tǒng)參數(shù)以及對PLC輸入輸出點數(shù)、性質的要求，對控制系統(tǒng)的關鍵元器件：PLC、液位變送器和變送器傳送屏蔽電纜線，進行必要的選型。

考慮到PLC控制系統(tǒng)的可靠性問題，電源是控制系統(tǒng)引入干擾的主要途徑之一，特別是對于系統(tǒng)中存在大接觸器、大電機等的場合，更易引入干擾信號。在系統(tǒng)設計過程中，采用了隔離變壓器對PLC供電，并在一次側采用380VAC供電。對系統(tǒng)中，要求有常用和備用、手動和自動兩種運行狀態(tài)不容許同時運行，由連鎖可靠性要求，除了在PLC內(nèi)部進行軟件連鎖外，同時還利用接觸器的輔助觸點進行了必要的電氣連鎖，以提高系統(tǒng)的可靠性。

從系統(tǒng)要求出發(fā)，系統(tǒng)要求在PLC不能正常工作時，能夠利用手動按扭，進行正常供水控制，故在系統(tǒng)設計時，對手動控制沒有采用PLC控制，而是采用繼電器觸點控制。系統(tǒng)電動閥控制器，由電動閥生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)，在此只對其進行改裝，以實現(xiàn)遠程控制。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測各個點水位變化的實時狀況、各個電機的運行情況、各條管路的狀況、查詢歷史水位的變化和歷史報警信息以及電機歷史運行狀況。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)程序采用了Modbus通信協(xié)議的方式完成數(shù)據(jù)采集。采集的內(nèi)容包括模擬輸入AIU、數(shù)字輸入DI口以及保存信息的內(nèi)部字節(jié)信息。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)需要，選定系統(tǒng)參數(shù)，在第一循環(huán)掃描中初始化Modbus從站協(xié)議，得到初始化梯形圖。

組態(tài)軟件的實現(xiàn)采用FameView5.5軟件，它提供了許多通訊驅動程序與各種控制設備進行數(shù)據(jù)交換，要使用某個驅動程序，必須要進行安裝，才能被工程使用，可以同時安裝多種驅動程序；每種驅動程序都有一個獨立的、與眾不同名稱來標識自己。驅動程序被安裝后，并且選擇驅動程序，并在系統(tǒng)啟動過程中，啟動驅動程序。運行數(shù)據(jù)庫提供了A1/AO/ARIDI/DO/DR六種外部變量，與設備數(shù)據(jù)表進行各種方式的數(shù)據(jù)交換，運行數(shù)據(jù)庫還提供了三種內(nèi)部中間變量VMVD/VT，可以不加限制的使用。本系統(tǒng)使用了8個AR(模擬輸入，出變量)，用來讀取和修改設備數(shù)據(jù)表中的#1井水位儀，2#水位儀，左岸水位儀，右岸水位儀，右岸流量儀，水池水位儀的數(shù)據(jù)。Fame View系統(tǒng)提供了一個被稱為設備數(shù)據(jù)表的存儲緩沖區(qū)，把與外部控制設備通訊的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理存放在其中，通過設備通訊驅動程序，設備數(shù)據(jù)表的內(nèi)容根據(jù)要求進行更新和輸出，運行數(shù)據(jù)庫所需要的過程數(shù)據(jù)都從數(shù)據(jù)表中取得。

四、結論

在工業(yè)自動化領域中，隨著自動控制理論、計算機技術和PLC技術的發(fā)展，PLC以其高性價比、高可靠性、廣泛的適用性和組成控制系統(tǒng)的簡潔性等諸多優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用。本論文在論述PLC結構及其發(fā)展的基礎上，以自來水工業(yè)控制系統(tǒng)為例提出了一套PLC在工業(yè)現(xiàn)場控制中的設計步驟和方法，達到了設計要求，取得了理想的效果。