基于PLC的自动药柜控制

第一章概述
1·1 PLC 的概术
1 PLC的发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。

与个人计算机的PC 相区别，用PLC表示。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

2 可编程控制器基本应用
最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。

如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。

PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。

用于开关量控制
PLC控制开关量的能力是很强的。

所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。

由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。

所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。

PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。

必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。

它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。

用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。

目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

用于模拟量控制
模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。

工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。

作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。

为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。

目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。

PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。

它也是I/O单元，不过是特殊的 I/O单元。

A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入 PLC。

D/A单元，是把 PLC 的数字量转换成模拟量，再送给外电路。

作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。

可读写）交换信息等等特点。

这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。

D/A中的A，多为电压，或电流。

电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。

有的还可处理正负值的。

这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。

A/D、D/A有单路，也有多路。

多路占的输入输出继电器多。

有了 A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的 PLC并不难。

中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。

有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。

计算机能算的它几乎都能算。

这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。

控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。

PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用 PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。

用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。

这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。

当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。

这也是应当看到的。

用于数字量控制
实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。

如机床部件的位移，常以数字量表示。

字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。

这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。

当今已很普及，并也很完善。

目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。

PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。

故它也完全可以用于数字量控制。

PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。

可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。

有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。

有了这两种功能，加上PLC 有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。

高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。

运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。

所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。

新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。

1·2 PLC的结构和基本配置以及控制要点
1·2·1 PLC的结构
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的基本结构框图如
下：
图1.1
1．CPU的构成
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。

一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障
显示等。

箱体式PLC的主箱体也有这些显示。

它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。

CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。

2、I/O模块：
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

3、电源模块：
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V 的工作电源。

电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

4、底板或机架：
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

5、PLC 的外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
1）编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2）监控设备：有数据监视器和图形监视器。

直接监视数据或通过画面监视数据。

3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

4）输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

6、PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。

首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC 之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。

1·2·2 可编程控制器实现控制的要点
1、入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。

PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。

系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。

PLC的I/O电路，
都是专门设计的。

输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。

而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。

输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。

输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。

I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。

PLC有多I/O 用点，一般也就有多少个I/O用电路。

但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。

输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。

每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。

输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。

输出锁存器与输出点也是一一对应的
这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。

它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。

把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。

PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。

这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。

这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。

由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。

输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。

一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。

靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。

这个映射也称输出刷新。

输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。

这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。

这是一个数据及逻辑处理问题。

由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。

图片：
图1.2
2．可编程控制器实现控制的过程
简单地说，PLC实现控制的过程一般是：
(如图1-1-1 PLC 典型开机流程 )
输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。

图1－1－1所示的流程图反映的就是上述过程。

它也反映了信息的时间关系。

有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。

因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。

又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。

只是响应的时间上，略有滞后。

当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。

为此，PLC的工作速度要快。

速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。

事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。

而且这个速度还在不断提高中。

图1－1－1所示的过程是简化的过程，实际的 PLC工作过程还要复杂些。

除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。

公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。

监控循环时间的目的是避免"死循环"，避免程序不能反复不断地重复执行。

办法是用"看门狗"（Watching dog）。

只要循环超时，它可报警，或作相应处理. 外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.
通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。

这也是增强PLC控制能力的需要。

也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理--I/O刷新--运行用户程序--再公共处理--……反复不停地重复着。

3、可编程控制器实现控制的方式
用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。

是用计算机进行实时控制的一种方式。

此外，计算机用于控制还有中断方式。

在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。

待处理完中断，又返回运行原来程序。

哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。

哪个不需处理，将不被理睬。

显然，中断方式与扫描方式是不同的。

在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。

但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可
能会出现照顾不到之处。

所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。

但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。

即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。

这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。

PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。

有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现--信息处理、I/O电路--空间、时间关系--扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。

至于更深入的问题，在进一步学习中，将再作具体介绍。

4、可编程控制器基本特点
从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。

它的入出相关，不是靠物理过程，不是用线路；而是靠信息过程，用软逻辑联系。

它的工作基础是用好信息。

信息不同于物质与能量，有自身的规律。

信息便于处理，便于传递，便于存储；信息还可重用，等等。

正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。

下面介绍PLC的四个特点：
功能丰富
PLC的功能非常丰富。

这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。

它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。

凡普通计算机能做到的，它也都可作到。

它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。

I/O继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。

这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。

它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。

内存中一个位就可作为一个中间继电器，怎么不多！
它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。

小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。

这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。

而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。

以满足不同的使用要求。

这些也是继电器件所难以做到的。

它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。

PLC还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。

可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。

而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。

数据读出后，可转储，可打印。

数据送入可键入，可以读卡入，等等。

PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。

自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。

PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。

其结果可自动记录。

这为它的维修增加了透明度，提供了方便。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。

像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

使用方便
用PLC实现对系统的控制是非常方便的。

这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序, 用程序代替硬件接线。

编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！
其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。

而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。

种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。

所以，硬件系统配置与建造也非常方便。

正因如此，用可编程序控制器才有这个"可"字。

对软件讲，它的程序可编，也不难编。

对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。

具体地讲，PLC有五个方面的方便：
（1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的 PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。

（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。

外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。