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智能制造大环境下PLC的发展趋势和路径

  PLC硬件如何适应智能制造的要求


  尽管人们较普遍的认识是PLC硬件技术进步是渐进的,但也不能否认,PLC的硬件技术一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求积累经验。


  特别是微电子技术的飞跃进展,使得SoC芯片在主钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小;多核SoC的发展,又促进了在PLC的逻辑和顺序控制处理的同时,可以进行高速的运动控制处理、视觉算法的处理等;而通信技术的进展使得分布式I/O运用越来越多,泛在的I/O运用也有了起步。


  为迎接工业4.0的挑战,PLC硬件设计应该在以下方面有一定的改善空间:


  1、极大改善能耗和减小空间。PCB板85%的空间被模拟芯片和离散元器件所占,需要采取将离散元器件的功能集中于单个芯片中,采用新型的流线模拟电路等措施。


  2、增加I/O模块的密度。


  3、进行良好的散热设计,降低热耗散。


  4、突破信息安全的瓶颈(如何防范黑客攻击、恶意软件和病毒)。


  概括起来说,PLC的硬件必须具备综合的性能,即更小的体积,更高的I/O密度,更多的功能。


  举例来说,选用新型的器件收效显著:为了减小I/O模块的体积,减少元器件的数量,采用多通道的并行/串行信号转换芯片(serializer),可以对传感器24V的输出信号进行转换、调理和滤波,并以5V的CMOS兼容电平输入PLC的MCU。这样可把必要的光电隔离器件减少至3个,来自多通道的并行/串行信号转换芯片(serializer)的信号,可共享相同的光电隔离资源。


  Maxim公司的模拟器件集成设计,简化了信号链,使10V的双极性输入可以多通道采样、放大、滤波和模/数变换,而且只需单路的5V电源。这种设计取消了15V的电源,减少了元器件的数量和系统成本,降低了功耗,缩小了元器件所占用的面积。


  PLC软件如何适应智能制造的要求


  可编程控制器作为一类重要的工业控制器装置,之所以能够在长达数十年的工控市场上长盛不衰,本质上的原因必须从其内部去发掘。其中,软件与硬件发展的相辅相成、相得益彰应该是重要原因。


  IEC61131-3推动PLC在软件方面的进步,体现在:


  (1)编程的标准化,促进了工控编程从语言到工具性平台的开放,同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。


  (2)为控制系统创立统一的工程应用软环境打下坚实基础。从应用工程程序设计的管理,到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动、人机界面等统一的设计平台,以至于将调试、投运和投产后的维护等,统统纳入统一的工程平台。


  (3)应用程序的自动生成工具和仿真工具。


  (4)为适应工业4 . 0 和智能制造的软件需求, I E C61131-3的第3版将面向用户的编程OOP纳入标准。


  之前已开发了许多为PLC控制系统工程设计、编程和运行,以及管理的工具性软件。其中包括控制电路设计软件包、接线设计软件、PLC编程软件包、人机界面和SCADA软件包、程序调试仿真软件以及自动化维护软件等等。尽管这些软件都是为具体的工程服务的,但即使在对同一对象进行控制设计和监控,它们却都互不关联。不同的控制需求(如逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制等)要用不同的开发软件,在不同的工作阶段(如编程组态、仿真调试、维护管理等)又要用不同的软件。而且往往在使用不同的软件时必需自行定义标签变量(Tags),而定义变量的规则又往往各取其便,导致对同一物理对象的相同控制变量不能做到统一的、一致的命名。


  缺乏公用的数据库和统一的变量命名规则,造成在使用不同软件时不得不进行繁琐的变量转换,重复劳动导致人力资源成本高、效率低下

下图所示为梯形图视图, 其特征可 用以下名词描述:
    ①光标:一个显示在梯级里面的表示当前位置的蓝色方形块。
    ②梯级 ( 条 ) :梯形图程序的一个逻辑单元。一个梯级能够包含多个行和列,且所有的梯级都具有编号。
    ③梯级总线 ( 母线 ) :左母线是指梯形图的起始母线,每一个逻辑行必须从左母线画起。梯级右边的是结束母线即右母线,右母线是否显示可以设定。
    ④功能图:在用梯形图编程时,可以利用该栏中的触点、线圈、指令、线段等按钮以图形方式输入程序。
    ⑤选中元素:单击梯级的一个元素,按住鼠标左键,拖过梯级中的其他元素使它们呈现高亮度状态,这样就能够同时选中多个元素,可以把这些元素当作一个整体来移动。

图 梯形图视图

在梯形图视图中可进行程序的生成、编辑、监视等。
1 .输入编程元件
    梯形图的编程元件主要有线圈、触点、指令、标号及连接线。输入方法如下:
    ( 1 )顺序输入
    ( 2 )任意添加输入
    梯形图编程元件的输入常使用“工具”菜单中的“触点”、“线圈”、“功能”和“连线”等命令,也可使用上图中浮动的功能图标框输入编程元件,其中各符号的功能如下图所示。

图 功能图各符号的功能

    首先将光标(深蓝色矩形)放在编辑窗口中欲放置元件的位置,然后在功能图中选择元件类型,例如要输入定时器指令或计数器指令,需用鼠标点击上图中的“ ”,将弹出“输入元件”对话框,在文本框中可以直接从键盘输入元件号,定时器和计数器的元件号和设定值要用空格键隔开。

图 输入元件对话框

图 元件说明对话框

    若需放置方括号表示的应用指令或 RST 等输出指令时,可以直接点击“ ”,将弹出 “输入元件”对话框,在文本框中可以直接从键盘输入应用指令的指令助记符和指令中的参数,助记符和参数之间、参数和参数之间用空格分隔开,例如输入应用指令“ MOV K10 D0 ”。
    需在梯形图中放置横线时,点击图中的“ ”;需在梯形图中放置垂直线时,点击图中的“ ”,垂直线从矩形光标左侧中点开始往下画;删除垂直线时点击图中的“ ”并且要删除的垂直线的上端应在矩形光标左侧中点。
2 .插入和删除
    梯形图编程时,经常用到插入和删除一行、一列、一逻辑行等命令。
    ( 1 )插入:将光标定位在要插入的位置,然后选择“编辑( Edit )”菜单,执行此菜单中的“行插入”命令,就可以输入编程元件,从而实现逻辑行的输入。
    ( 2 )删除:首先通过鼠标选择要删除的逻辑行,然后利用“编辑( Edit )”菜单中的“行删除”命令就可以实现逻辑行的删除。
3. 注释
    以下图中电动机正反转程序的注释为例来说明如何给元件进行注释。

图 注释画面

     ( 1 )设置元件名
使用“编辑”→“元件名”命令,可设置光标选中的元件的元件名称,例如“ SB1 ”,如上图所示。
     ( 2 )设置元件注释
使用“编辑”→“元件注释”命令,可给光标选中的元件加上注释,注释可使用多行汉字,例如“正转按钮”,如上图所示。
     ( 3 )添加程序块注释
使用菜单命令“工具→转换”后,用“编辑→程序块注释”菜单命令,可在光标指定的程序块的上面加上程序块的注释,如上图中“电动机正转程序”。
     ( 4 )梯形图注释方式的设置
使用“视图”→“显示注释”命令,将弹出“梯形图注释设置”对话框,如下图所示,可选择是否显示元件名称、元件注释、线圈注释和程序块注释以及元件注释和线圈注释每行的字符数和所占的行数,注释可放在元件的上面或下面。

图 梯形图注释设置对话框

4. 程序的转换和清除
     使用“工具”→“转换”命令,可检查程序是否有语法错误。 工具”→“全部清除”命令可清除编程软件中所有的当前用户程序。
5. 程序的检查
     执行“选项”→“程序检查”命令,可以检查程序的语法错误和双线圈错误。
6. 查找功能
     使用“查找”菜单中的“到顶”和“到底”命令,可将光标移动到梯形图的开始处或结束处。使用“元件名查找”、“元件查找”、“指令查找”和“触点 / 线圈查找”命令,可查找到指令所在的电路块。
7. 视图命令
     可以在“视图”菜单中选择显示梯形图或指令表视图。
8.指令表的生成与编辑
     使用“视图”菜单中的“指令表”命令,可进入指令表编辑状态,此时可以逐行输入指


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