PLC应用讲座

(4) 日本三菱的小Q系列和Q4AR双机 热备PLC
PLC 的新近发展趋势
关于PLC的发展,从上个世纪最后十年以来一 直都在讨论。主要的意见有： * PLC已穷途末路，无发展可言。 * PLC的功能将长期存在，但其形态会 有很大变化。其代表性的趋向是PC为 基础的控制系统将取代PLC。 * 仅在欧洲就有十多万有关PLC的从业 人员。这支力量不容小视，它是推动 PLC向前发展的重要源泉。 * PLC正在硬件，软件和通信等方面全 方位提升其开放性,实现高性能。
RS 232C应用极广，但存在以下不足： * 传输速率和传输距离有限 * 每根信号线只有一根导线，公用一根信号 地线 * 接口采用不平衡单端收发器，易产生信号 间干扰 改善RS 232C的传输质量可采取以下措施： * 采用隔离器，变压器隔离效果好 * 每根信号线选用双绞线，每米20-40绞 * 选用高质量电缆，分布电容越小越好 * 采用可靠的隔离接口：提供噪声滤波，提 供隔离，安装可靠，接线牢靠，易于维护
物理设备
பைடு நூலகம்
人员
OPC提供工业标准的连接和可互操作性
制 造 企 业
OPC-XML-INTERNET
先进 控制 HMI
MES
OPC
SCADA
批量 控制
PC控制
OPC
PLC
DCS
工业 网络
数控 设备
PLC应用讲座
上海工业自动化仪表研究所 彭瑜 2002年4月
(1) PLC 的新近发展趋势
(2) PLC在通信技术方面的进展 2.1 PLC与上位计算机的通信技术 2.2 PLC联网通信技术 2.3 PLC与DCS的联网通信技术 2.4 现场总线在PLC通信中的重要 作用 (3) PLC编程语言的进展
应用层 表示层 会话层 传输层
OSI7层参考模型
网络层 数据链路层
物理层
可以说没有一种网络技术能够脱离OSI 7层模 型而得以清晰有效的描述。所以，OSI 7层模 型是一个很好的参照物。
PLC与上位计算机的通信技术
在PLC的系统结构上没有类似DCS的显示操作站。 为了向用户提供画面显示，PLC必须充分利用PC 机的通信能力。 PLC与PC机的通信途径主要有以下3种： * 异步通信口 RS 232C/RS 422/RS 485（物理层） * 以太网 IEEE802.3（物理层，数据链路层） * MODBUS 专用串行协议，事实上的工业标准 （物理层，应用层）
经过改进,RS-232C实际的传输速率已有
所提高,从最高19.2Kbps提高至28.8K,
38.4K,57.6K,到115.2Kbps。
应注意的是传输速率与所用的电缆特性
有关，容许的最大的电缆电容为2500pF。
要使用高的传输速率，必须选用其电容
尽可能低的电缆。
为了克服RS232C的不足，在1977年EIA制定了 新的标准。用得最多的是RS 422及它的变型 RS 485。
MODBUS和MODBUS PLUS
MODBUS 和MODBUS PLUS都是美国MODICON公司 开发的专用串行通信协议，并已注册为其专有的商标。 它们广泛用于美国，欧洲，用来支持计算机和各种控制 （包括PLC），仪表装臵之间通信。它已成为事实上的 工业标准。
PLC联网通信技术 (1) PLC与PLC之间的专有网络 (2) 开放型网络
RS 485系统使用中继器后具有以下优点: * 可使用混合树型拓扑结构,消除了对分支长度最短不 应少于5米的限制。 * 每个总线网段都是电隔离的。每个中继器可使网段 的长度加倍，若再将中继器加以串接，可使通信距离 增加更多。 * 整个总线网络的可靠性得到改善。一旦某个网段短 路并不会影响其它设备，仅有部分总线不能工作。 * 加一个中继器允许挂更多的节点，用n个中继器可挂 n*32个节点。每个中继器实际上即是一个RS 485系统。 * 可取得更高的数据传输速率。由于数据传输速率与传 输距离有关。用了中继器后，长距离的网络再不是传 输速率慢的网络，甚至可工作于己于1.5Mbps。
0.8
PC机与PLC通过串行接口通信的条件: (1) PC机和PLC两侧均装有RS 232C或RS 485的通信 接口。若两侧的通信端口不一致，则必须用适配器 将串口进行转换。 （2）通过两侧串口的初始化，保证通信速率，数据 位（7或8位），停止位（1或2位）以及奇偶校验均一 致。 （3） 查阅PLC运用串口通信的专用协议，按此协议 为PC机编写通信程序（或称驱动程序）。或者从PLC 厂商（或第三方）购买通信用驱动程序。
下表给出RS 485系统中传输速率，总线长度和串接中继 器之间的关系： 传输速率（Kbp） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500
网段长度 (米)
最多可串接网段
1200 1200 1200 1200 1200 1200
9 9 9 5 5 3
最长总线距离 (公里)
12
12
12
6
2.4
* PLC在开放性方面也有了实质性的突破。前 十多年PLC被攻击的一个重要方面就是它的专 有性，现在有了极大的改观。PLC采用了各种 工业标准，如IEC 61131，IEEE802.3以太网， TCP/IP,UDP/IP等，各种事实上的工业标准， 如Windows NT,OPC等。 * PLC在硬件上也有长足进步。微电子技术的 进展全都运用到PLC中，元器件的集成度越来 越高，促使PLC成本下降和可靠性提高。专为 PLC的CPU设计的PLC-on-a-chip芯片业已问世 多年。 * PLC的高端产品在体系结构和操作系统上都 有了质的变化,性能大幅提高。一个机架上可装 多个CPU模块。
RS 422 动作形式 差动方式 工作方式 全双工 接口电路 两对平衡差 分信号线 可挂节点 一个驱动可挂 10点接收 驱动器负载阻抗 100 欧姆 传输距离 1200米 最大传输速率12米 10Mbps 120米 1Mbps 1200米 100Kbps RS 485 差动方式 半双工 壹对平衡差 分信号线 一个驱动可挂 32点接收 54 欧姆 1200米 10Mbps 1Mbps 100Kbps
DCS仍然牢牢把握大规模连续流程工业（I/O 达数千点）过程控制的应用。 PLC已经拥入批量控制市场，在其传统的离散 制造工业仍然占据绝对主导地位。 PC控制采用时间非确定性的软件极大地限制了 它在直接实时过程和机械控制中的应用。采用 工控PC机和硬实时OS,可实现PLC功能和运动 控制。它首先应用于工厂自动化中通信，数据 采集和人机界面操作员接口。直至今日，PC控 制在可靠性，安全性等方面还未取得广泛认可。
PLC与PC控制相比，具有以下优点：
* 维修和服务系统健全，有经验的维护人员队 伍庞大。 * 电源故障不会产生大的影响。 * 对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优 势。 * 可靠性无可比拟，故障停机最少。 * 加固型结构，适合工业环境应用。 * 与PC机发展太快相比，PLC产品可长期供货， 长期提供技术支持。 (据美国Venture Development Corp.报告)
实际的情况又是怎样呢？ 面对PC控制的挑战，PLC一直在前进，前进， 前进。 2000年全世界共销售DCS系统，PLC系统和PC 控制系统达220亿美元。其中 DCS 40.5% PLC 46.3% PC控制 13.2%
这三种控制系统所用的分散型/远程I/O的市场销 售额也为220亿美元。年增长率为6.6%。到2005 年估计达300亿美元。 (据美国Venture Development Corp.报告)
事实雄辩地证明： PLC的功能很好地满足了近90%的 工业控制的需要； PLC的硬件和软件的形态，随着微 电子技术和IT的发展而不断改进； PLC的通信引入以太网和因特网技 术，又从远程I/O为起点发展了多种现场 总线，可挂在现场总线上的设备从测量 仪表，显示仪表到执行器，应有尽有。 结论： PLC将继续发展，大量应用。
PLC在工厂自动化中的地位之所以如此稳 固，原因在于：
* PLC的技术具有长期的稳定性，软硬件均 应用方便，即插即用，价格适中，堪称工业控制 的适用技术。 * 可以说当今工业控制所要求的性能，PLC 可满足85%至90%。其不足部分可用其它办法补 充。 * 近几年来PLC也在不断提高其技术内涵， 融合了IT技术（包括以太网，因特网，无线网技 术，现场总线技术，以及运用软件工程方法提升 PLC的编程语言，开发全新的编程系统，等等）。
PLC在通信技术方面的进展
建立OSI的必要性
在数字通信发展的几十年中，出现了数以百计的通信 协议。这些协议的功能不同，实现通信的方式各异。人 们常为应该选择什么协议合适的问题而困惑。 国际标准化组织（ISO）在80年初期制定了OSI参考模 型。其目的就是希望把几百种通信协议按照其功能分类， 确定它们之间的相互关系，从而为使各个层面上所使用 的协议走向全球标准化，打下良好的基础。 事实表明，OSI参考模型为推动数字通信发挥了重要 作用。
在工业环境中，一般希望用最少的信号 线完成通信任务。所以在PLC网络中应 用串行总线RS 485 比较普遍。有些现场 总线也是建立在RS 485的基础上的。 RS 485支持在其总线上挂32个节点。每 个节点有其自身的地址。RS 485同样也 有传输速率和距离的限制，这与分支的 长度有关。通过使用中继器（repeater)， 可使物理层的拓扑结构不受单一电缆段 上的节点数和传输距离的一般限制。
差错检测校正
数据通信的基本任务是高效而无差错地传送数据。实际 上，无论是远程通信线路还是局域，都难以避免各种干 扰的影响，使发送端发出的信息与接收端所接收到的信 息之间产生差错。可以用误码率Pc 来表示通信线路的准 确程度： 错误接收的数码位数 Pc= 接收的数码总位数 一般用平均误码率来表达。 目前的电话线路,在传输速率为此300-2400bps时,平均误 码率1/10000至1/100000；当传输速率达4800-9600bps时， 平均误码率高达1/100至1/1000。工业通信用户要求尽可 能将平均误码率降低到可以忽略的程度。