工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用與安全防護(hù)技術(shù)（微課版）課件 第2章 工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)

工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用與安全防護(hù)技術(shù)第2章工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)2.1PLC系統(tǒng)可編程控制器是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，其種類繁多，不同廠家的產(chǎn)品有各自的特點(diǎn)，但作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可編程控制器又有一定的共性。2.1.1PLC概述20世紀(jì)80年代，國際電工委員會（IEC）在PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對可編程控制器PLC做出如下定義：“可編程控制器是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(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)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都按照易于工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體以及易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)”。PLC的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：1.編程簡單2.配置靈活3.功能強(qiáng)，可擴(kuò)展性好4.可靠性高5.體積小、能耗低6.可維護(hù)性好2.1.2PLC的組成一般PLC內(nèi)部主要由CPU、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信接口和擴(kuò)展接口、電源等組成。1.CPUCPU又稱中央處理器，它是PLC的控制中心，通過不同總線（包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）與存儲器和各種接口連接，控制各部件協(xié)調(diào)工作。CPU的性能極大地影響到PLC的工作速度和效率，因此大型PLC通常選擇高性能的CPU。2.存儲器存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體集成電路，用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序由生產(chǎn)廠家編寫，主要用來完成控制和實(shí)現(xiàn)PLC多種功能。用戶程序由用戶編寫，主要根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝要求進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)。PLC中常用的存儲器包括只讀存儲器、隨機(jī)存儲器和EPROM。3.輸入/輸出單元（I/O單元）實(shí)際生產(chǎn)過程中的信號電平多種多樣，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的電平也不完全相同，而PLC的CPU所處理的信號只能是標(biāo)準(zhǔn)電平。正是通過輸入/輸出單元實(shí)現(xiàn)了這些信號電平的轉(zhuǎn)換。I/O單元實(shí)際上是PLC與被控對象間傳遞輸入/輸出信號的接口部件。I/O單元一般可以分為輸入接口單元和輸出接口單元。4.通信接口通信接口的作用是實(shí)現(xiàn)PLC與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。利用通信接口，PLC不但可與編程器、人機(jī)界面、顯示器等連接，而且也可與上級計(jì)算機(jī)、其他PLC或遠(yuǎn)程I/O單元連接，從而構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。5.擴(kuò)展接口為了提升PLC的性能，增強(qiáng)PLC控制功能，可以通過擴(kuò)展接口給PLC增加一些專用功能模塊，如高速計(jì)數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動控制模塊、中斷控制模塊等。6.電源電源單元的作用是把外部電源（通常是220V的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。2.1.3PLC的工作原理PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編寫好控制程序后，用編程器將程序輸入到PLC（或用計(jì)算機(jī)下載到PLC）的用戶程序存儲器中保存。PLC的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。PLC運(yùn)行程序的方式與微型計(jì)算機(jī)相比較為不同，微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，一旦執(zhí)行到END指令，程序運(yùn)行結(jié)束。而PLC從0號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到END指令結(jié)束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運(yùn)行（RUN）切換到停止（STOP）工作狀態(tài)。PLC這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期。另外，PLC對輸入、輸出信號的處理與微型計(jì)算機(jī)不同。微型計(jì)算機(jī)對輸入、輸出信號實(shí)時(shí)處理，而PLC對輸入、輸出信號是集中批處理。PLC掃描工作過程主要分為三個(gè)階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。2.1.4PLC的功能和分類1.PLC的功能2.PLC的分類1）按組成結(jié)構(gòu)分類一般可以將PLC分為兩類：一類是整體式PLC（或稱單元式），其特點(diǎn)是電源、中央處理單元和I/O接口都集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)；另一類是標(biāo)準(zhǔn)模板式結(jié)構(gòu)化的PLC（或稱組合式），其特點(diǎn)是電源模板、中央處理單元模板和I/O模板等在結(jié)構(gòu)上是相互獨(dú)立的，可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇合適的模塊，安裝在固定的機(jī)架或?qū)к壣?，?gòu)成一個(gè)完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。2）按控制規(guī)模分類PLC的控制規(guī)模主要是指PLC能夠處理的開關(guān)量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)及模擬量的輸入/輸出的路數(shù)，它們?yōu)榱诉m應(yīng)不同生產(chǎn)過程的應(yīng)用要求而有所不同，但主要是以開關(guān)量的點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)。模擬量的路數(shù)可以折算成開關(guān)量的點(diǎn)數(shù)。進(jìn)行分類主要包括小型PLC、中型PLC和大型PLC三類。（1）小型PLC。輸入/輸出點(diǎn)數(shù)在128點(diǎn)以下的PLC稱之為小型PLC，它可以連接開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊以及各種特殊功能模塊，能夠執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理和傳送、通信聯(lián)網(wǎng)等各種指令，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。（2）中型PLC。輸入/輸出點(diǎn)數(shù)在128~1024之間的PLC稱之為中型PLC，它除了具有小型機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的功能外，還具有更強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能、更加豐富的指令系統(tǒng)、更大的存儲容量和更快的掃描速度等。（3）大型PLC。輸入/輸出點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上的PLC稱之為大型PLC。它具有極強(qiáng)的硬件和軟件功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能、自診斷功能，它可以構(gòu)成三級通信網(wǎng)絡(luò)，方便實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。3.PLC控制、繼電器控制和單片機(jī)控制的比較PLC控制與繼電器控制相比，只需改變程序就能變換控制功能，但在簡單控制時(shí)成本較高，另外利用單片機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)控制。2.1.5PLC編程語言1.梯形圖梯形圖（LadderDiagram，簡稱LAD）采用類似傳統(tǒng)繼電器控制電路的符號來編程，

用梯形圖編制的程序具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)，因此這種編程語言成為電氣工程人員廣泛應(yīng)用的PLC編程語言。觸點(diǎn)、線圈、連線是組成梯形圖程序的三要素。（1）觸點(diǎn)。開關(guān)量輸入/輸出、內(nèi)部繼電器等的二進(jìn)制狀態(tài)在梯形圖程序里可用觸點(diǎn)進(jìn)行表示。但是梯形圖中的觸點(diǎn)本質(zhì)上是用來表示PLC內(nèi)部存儲器二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的狀態(tài)，程序中的常開觸點(diǎn)表示直接以該二進(jìn)制位的狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算；常閉觸點(diǎn)表示使用該二進(jìn)制位的“邏輯非”狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算。（2）線圈。采用梯形圖編程時(shí)，邏輯運(yùn)算結(jié)果可用內(nèi)部繼電器、輸出繼電器等編程元件的線圈表示。但是，梯形圖程序中的線圈并非實(shí)際的物理繼電器，它只是對PLC內(nèi)部某一存儲器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位進(jìn)行的賦值操作，線圈接通表示將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)位置1；線圈斷開表示將二進(jìn)制數(shù)據(jù)位置0。（3）連線。梯形圖程序中的邏輯處理順序用“連線”表示，但它不像繼電器觸點(diǎn)控制電路那樣有實(shí)際電流流過，因此，梯形圖程序中的每一輸出線圈都應(yīng)有明確的邏輯關(guān)系，而不能使用類似繼電器接點(diǎn)控制電路中的“橋接”方式，試圖利用后面的執(zhí)行條件來改變前面的線圈輸出狀態(tài)。

采用梯形圖編程時(shí)，邏輯運(yùn)算式、處理對象、結(jié)果輸出等均可以用觸點(diǎn)、線圈、連線等基本符號表示。觸點(diǎn)、線圈等邏輯梯形圖的符號在不同PLC上基本類似。2.指令表指令表（InstructionList，IL）也叫助記符。有的稱布爾助記符（BooleanMemonic），也叫列表，西門子稱之為STL語言。其是基于字母符號的一種低級文本編程語言，是所謂面向累加器（Accu）的語言，即每條指令使用或改變當(dāng)前Accu內(nèi)容。IEC61131-3將這一Accu標(biāo)記為“結(jié)果”。通常，指令總是以操作數(shù)LD（“裝入Accu命令”）作為開始。3.邏輯功能塊圖功能塊圖（FBD）語言是一種對應(yīng)于邏輯電路的圖形語言，與電子線路圖中的信號流圖非常相似。在程序中，它可看作兩個(gè)過程元素之間的信息流。FBD廣泛地用于過程控制。該編程語言中的方框左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號從左往右流動。功能塊圖語言是以功能模塊為單位來描述控制功能。這種語言的邏輯關(guān)系清晰、便于理解。其在控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，表達(dá)將更為方便。4.結(jié)構(gòu)化文本語言（StructuredText，ST）結(jié)構(gòu)化文本語言是基于文本的高級編程語言。它與C語言等高級語言相類似。只是為了PLC應(yīng)用方便，在語句的表達(dá)及語句的種類等方面都做了簡化。ST語言沒有單一的指令，它是由一組指令構(gòu)成的含義完整的各種語句。具體語句有賦值語句、條件語句、選擇語句、循環(huán)語句及其它語句。2.1.6典型梯形圖程序

不同條件下PLC的控制要求各不相同，但可以通過基本邏輯功能的組合實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的動作，通過掌握基本梯形圖程序的編寫方法，有助于提高編程效率與程序可靠性。以下舉例說明一些PLC典型的梯形圖程序。1.信號恒為0或1

在進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常需要使用狀態(tài)保持為0或1不變的信號，以便對輸出等進(jìn)行直接賦值。PLC程序中使內(nèi)部繼電器和輸出線圈等固定為0及1的狀態(tài)值可通過圖2-9所示的梯形圖程序段實(shí)現(xiàn)。2.信號狀態(tài)保持通過梯形圖程序的自鎖電路、復(fù)位/置位指令、RS觸發(fā)器等方式可以實(shí)現(xiàn)線圈的狀態(tài)保持功能。它有兩種控制方式分別是斷開優(yōu)先和啟動優(yōu)先。當(dāng)啟動、斷開信號同時(shí)生效時(shí)，兩者的輸出狀態(tài)將有所不同。斷開優(yōu)先的梯形圖程序如圖2-10所示，圖中的I0.0為啟動信號，I0.1為斷開信號。啟動優(yōu)先的梯形圖程序如下圖所示3.生成邊沿信號

梯形圖中除了使用專門的上升/下降沿檢測指令以外，還可以通過程序生成上升沿脈沖。4.二分頻程序在PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用中，有時(shí)會對一個(gè)按鈕反復(fù)操作，以此實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行元件通/斷的交替控制，實(shí)現(xiàn)這一控制的程序段稱為交替通斷程序。這一程序如果用于脈沖控制，其輸出脈沖頻率將成為輸入信號頻率的二分之一，因此又稱為“二分頻”控制。5.采樣程序所謂“采樣”是利用第一個(gè)信號來檢測第二個(gè)信號的狀態(tài)，并將第二個(gè)信號的狀態(tài)保持到下次采樣。這里第一個(gè)信號是采樣信號，第二個(gè)信號是被測信號。6.“異或”/“同或”程序“異或”、“同或”是兩種邏輯運(yùn)算。所謂“異或”就是在2個(gè)信號狀態(tài)不同時(shí)，輸出信號為1，其他情況則為0；所謂“同或”就是在2個(gè)信號狀態(tài)相同時(shí)，輸出信號為1，其他情況則為0。2.1.7順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC在進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)正確選擇能夠反映生產(chǎn)過程變化的參數(shù)作為控制參量進(jìn)行控制；應(yīng)當(dāng)正確處理各執(zhí)行電器、各編程元件之間互相制約、互相配合的關(guān)系，即聯(lián)鎖關(guān)系。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法包括經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和順序功能圖法等。1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法某些簡單的開關(guān)量控制系統(tǒng)根據(jù)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法就可以設(shè)計(jì)梯形圖程序，即在某些典型電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖。但一般需要多次反復(fù)地進(jìn)行調(diào)試和修改梯形圖，不斷增加中間編程元件和輔助觸點(diǎn)，最后才能得到一個(gè)較為滿意的結(jié)果。這種方法沒有普適規(guī)律，具有較大的隨機(jī)性，最后的結(jié)果并不唯一，設(shè)計(jì)用時(shí)和設(shè)計(jì)質(zhì)量與編程者的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，所以這種設(shè)計(jì)方法被稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，主要用來完成邏輯關(guān)系較簡單的梯形圖程序設(shè)計(jì)。利用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC程序主要包括以下幾個(gè)方面：分析控制要求、選擇控制原則；設(shè)計(jì)主令元件和檢測元件，確定輸入／輸出設(shè)備；設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序；檢查修改和完善程序。2.順序控制設(shè)計(jì)法與順序功能圖如果一個(gè)控制系統(tǒng)可以分解成幾個(gè)獨(dú)立的控制動作，而且這些動作必須嚴(yán)格按照一定的順序先后執(zhí)行才能保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，那么這樣的控制系統(tǒng)被稱為順序控制系統(tǒng)，也稱為步進(jìn)控制，其控制總是一步步按照順序執(zhí)行的。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，順序控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用，尤其在機(jī)械行業(yè)，幾乎都是通過順序控制來實(shí)現(xiàn)加工的自動循環(huán)。所謂順序控制設(shè)計(jì)法，就是一種專門針對順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。使用順序控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程畫出順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖完成梯形圖程序設(shè)計(jì)。有的PLC為用戶提供了順序功能圖語言，在編程軟件中生成順序功能圖后便完成了編程工作。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也會提高設(shè)計(jì)的效率，程序的閱讀、調(diào)試和修改也比較方便。1）順序功能圖的組成要素順序功能圖（SequenceFunctionChart，SFC）是IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言。程序功能圖是一種通用的技術(shù)語言，可供進(jìn)一步設(shè)計(jì)以及和不同專業(yè)的人員之間進(jìn)行技術(shù)交流使用。這種語言可以全面描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性，而不涉及系統(tǒng)所采用的具體技術(shù)。順序功能圖以功能為主線，表達(dá)準(zhǔn)確、清晰簡潔，是設(shè)計(jì)PLC順序控制程序的重要工具。順序功能圖主要由步、動作、有向連線、轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件組成。（1）步的基本概念。順序控制設(shè)計(jì)法基本思想是將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)順序相連的階段，這些階段稱為“步”，并用位存儲器M和順序控制繼電器S等編程元件來表示各步。步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來劃分的，在任何一步之內(nèi)，各輸出量的位值狀態(tài)不變，但是相鄰兩步輸出量總的狀態(tài)是不同的。步分為初始步、活動步、不活動步三種。初始步是與系統(tǒng)初始狀態(tài)對應(yīng)的步，初始狀態(tài)一般是系統(tǒng)等待起動命令的相對靜止的狀態(tài)。初始步用雙線方框表示，每一個(gè)功能圖至少應(yīng)該有一個(gè)初始步；活動步表示正處于工作階段；不活動步表示處于等待或已完成工作的階段。一個(gè)步是否為活動步，即是否處于激活狀態(tài)，由上一步及與其相應(yīng)的轉(zhuǎn)移來決定。（2）與步對應(yīng)的動作。控制系統(tǒng)中的每一步都有要完成的某些“動作”，當(dāng)該步處于活動狀態(tài)時(shí)，該步內(nèi)相應(yīng)的動作將被執(zhí)行；反之，不被執(zhí)行。動作是步的組成部分，一個(gè)步含有一個(gè)或多個(gè)動作，與步相關(guān)的動作用矩形框表示，框內(nèi)的文字或符號表示動作的內(nèi)容，該矩形框應(yīng)與相應(yīng)步的矩形框相連。在順序功能圖中，動作可分為“非存儲型”和“存儲型”兩種。當(dāng)相應(yīng)步活動時(shí)，動作即被執(zhí)行。當(dāng)相應(yīng)步不活動時(shí)，“非存儲型”的動作返回到該步活動前的狀態(tài)；“存儲型”的動作繼續(xù)保持它的狀態(tài)。當(dāng)“存儲型”的動作被后續(xù)的步失勵(lì)復(fù)位時(shí)，僅能返回到它的原始狀態(tài)。順序功能圖中表達(dá)動作的語句需要表明該動作是“存儲型”還是“非存儲型”的。例如，“起動電動機(jī)M1”與“起動電動機(jī)M1并保持”兩條命令語句，前者是“非存儲型”命令，而后者是“存儲型”命令。（3）有向連線。在順序功能圖中，會發(fā)生步的活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。步的活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，采用有向連線表示，它將步連接到“轉(zhuǎn)換”并將“轉(zhuǎn)換”連接到步。步的活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換按有向連線規(guī)定的路線進(jìn)行，有向連線是垂直的或水平的，按照從上到下、從左到右的步間連線。也可用加箭頭做非上下、左右的步間連線。（4）轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件。在順序功能圖中，步的活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換條件的實(shí)現(xiàn)來完成的，并與控制過程的發(fā)展相對應(yīng)。轉(zhuǎn)換的符號用在有向連線上的垂直短線來表示。與轉(zhuǎn)移相關(guān)的邏輯條件，用文字、布爾代數(shù)表達(dá)式、圖形符號標(biāo)注在轉(zhuǎn)移短線旁。步間轉(zhuǎn)換的規(guī)則是：步間的轉(zhuǎn)換邏輯條件為真；被轉(zhuǎn)移步的前一步是活動的。同時(shí)滿足這兩個(gè)條件才可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了啟動順序功能流程圖程序的執(zhí)行，需要指定一個(gè)初始步，其標(biāo)志為S0，是程序運(yùn)行開始時(shí)被激活的那個(gè)步。有了這個(gè)初始步，則隨著滿足相應(yīng)轉(zhuǎn)換邏輯條件，流程圖中步的激活狀態(tài)將逐步轉(zhuǎn)換，直到最后一步被激活，或根據(jù)有向線指定路線不停地循環(huán)轉(zhuǎn)換。依據(jù)步之間的進(jìn)展形式，順序功能圖有以下三種基本結(jié)構(gòu)。2.1.8PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是在最大限度地滿足被控對象控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠；并考慮到今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC機(jī)型時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有擴(kuò)展空間。

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面，根據(jù)具體控制對象，可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。（1）分析控制對象、明確設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。（2）選擇PLC的型號及配套所需的輸入／輸出模塊，配置控制系統(tǒng)硬件。（3）編寫PLC的輸入／輸出分配表和繪制輸入／輸出端子接線圖。（4）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求編寫軟件規(guī)格需求說明書，然后利用梯形圖等編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。（5）設(shè)計(jì)操作臺和電氣柜，選擇所需的電氣元器件。（6）編寫設(shè)計(jì)說明書和操作使用說明書等文檔。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般分為系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試以及技術(shù)文件編制五個(gè)階段。2.1.8PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段如下。1）系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，內(nèi)容包括確定控制系統(tǒng)方案與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)兩部分。為了合理制定控制系統(tǒng)方案，需要對被控對象（如生產(chǎn)線或生產(chǎn)過程等）工藝流程的特點(diǎn)和要求做詳細(xì)了解、具體分析和深入研究，明確控制的任務(wù)、范圍和要求，根據(jù)工業(yè)指標(biāo)，合理地制定和選取控制參數(shù)，使PLC控制系統(tǒng)能夠最大限度地滿足被控對象的工藝要求。2）硬件設(shè)計(jì)3）軟件設(shè)計(jì)4）系統(tǒng)調(diào)試5）技術(shù)文件編制2.2分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)思想是控制操作分散和管理集中，使用的結(jié)構(gòu)形式是將多層進(jìn)行分級管理，集中的進(jìn)行管理和分散的控制是其主要的特征。它可以充分利用網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)資源，如利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中云數(shù)據(jù)的精確計(jì)算，使系統(tǒng)做到成本較低而可靠性較高。當(dāng)前，在冶金、電力、石化等各行業(yè)領(lǐng)域，分布式控制系統(tǒng)都獲得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。2.2.1DCS概念分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）是對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作管理和分散控制的一種常用的控制系統(tǒng)，又稱集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)以通訊技術(shù)為紐帶，融合了控制與顯示技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微處理器的集散控制系統(tǒng)采用了儀表控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以控制功能分散、顯示操作集中和綜合協(xié)調(diào)為設(shè)計(jì)原則?？刂剖沟肅PU不集中在一處而是分散分布在各處即為分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，但這些分散的控制點(diǎn)又通過通信線路將數(shù)據(jù)集中到在一起進(jìn)行分析處理。分布式控制系統(tǒng)與安全集中的控制系統(tǒng)相對應(yīng)，集中在一處的CPU直接將執(zhí)行元件和各種分布的傳感器相連接。分布式控制系統(tǒng)通常包括三個(gè)部分，分別是分散控制監(jiān)測、管理和通訊。其中，分散控制監(jiān)測部分即現(xiàn)場控制單元，其按照機(jī)組整體的設(shè)計(jì)架構(gòu)集中安裝在控制室或者分散于現(xiàn)場，通?？梢詫?個(gè)或者多個(gè)回路進(jìn)行控制，具備幾十種至上百種運(yùn)算功能。集散型控制系統(tǒng)軟件組成通常包括組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)通信軟件、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用軟件等軟件?？梢园从脩粢髮⑵浣M態(tài)軟件工具、畫面軟件和邏輯編輯軟件生成實(shí)用系統(tǒng)。2.2.2DCS特點(diǎn)目前所應(yīng)用的第四代DCS系統(tǒng)具有操作方便、功能強(qiáng)大、自動化水平高和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。1.DCS系統(tǒng)的操作簡單靈活DCS系統(tǒng)的操作界面簡單且清晰，對操作人員進(jìn)行短時(shí)間培訓(xùn)后即可掌握相應(yīng)的操作使用方法，滿足大多數(shù)企業(yè)的現(xiàn)場生產(chǎn)管理工作需求。DCS系統(tǒng)是基于TDC系統(tǒng)改進(jìn)而來的，適用于大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理。2.功能強(qiáng)大，結(jié)合集中和分散功能從DCS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能分析分析，DCS系統(tǒng)具有系統(tǒng)化管理和分散控制功能。系統(tǒng)化管理是指能夠?qū)⑾到y(tǒng)中收集的各數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理、實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)管理過程的統(tǒng)一監(jiān)督和監(jiān)測。DCS系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)分散控制功能，各組成部分在不同區(qū)域進(jìn)行各自操作，共同實(shí)現(xiàn)對整個(gè)DCS系統(tǒng)的控制。3.DCS系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性高DCS系統(tǒng)利用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，繼承了計(jì)算機(jī)“4C技術(shù)”的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，并對不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，形成了優(yōu)勢明顯的DCS系統(tǒng)，其對現(xiàn)場控制的功能更加強(qiáng)大，通過采用先進(jìn)的冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的安全可靠性。2.2.2DCS特點(diǎn)4.層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)DCS系統(tǒng)是類似于三角形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中不同功能部位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用與之相匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議，然后再結(jié)合在一起形成不同形狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，這種形式的結(jié)構(gòu)能夠快速的收集數(shù)據(jù)信息并用于傳輸交換。5.模塊化設(shè)計(jì)DCS系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過集成各種控制器、IO卡件等單元以組成整個(gè)DCS系統(tǒng)，這樣既有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)DCS系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理，同時(shí)也有利于對各組成模塊進(jìn)行獨(dú)立的維修保護(hù)和升級優(yōu)化。6.高速通訊網(wǎng)絡(luò)DCS系統(tǒng)運(yùn)行過程中對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并傳遞給相應(yīng)控制平臺，采用網(wǎng)絡(luò)化通訊手段，一方面有利于信息的快速傳遞和交換，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的傳遞效率，另一方面有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)管理過程的高可靠性和高效性。2.2.3DCS層次結(jié)構(gòu)與功能DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三部分組成，從上到下依次為管理網(wǎng)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）、控制網(wǎng)（CNET）。其中系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)都是冗余配置，管理網(wǎng)為可選網(wǎng)絡(luò)。2.2.4DCS與PLC的區(qū)別從技術(shù)角度來看，DCS最開始以工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)為發(fā)展原型，后來逐漸發(fā)展為建立在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上的集散系統(tǒng)，此系統(tǒng)在處理模擬量的過程中以及調(diào)節(jié)回路的過程中擁有比較大的優(yōu)勢，在開始主要是進(jìn)行持續(xù)的過程控制，控制重點(diǎn)為調(diào)節(jié)回路。PLC開始時(shí)替代的是繼電器邏輯系統(tǒng)，經(jīng)過不斷發(fā)展，在應(yīng)用上主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：離散制造與工序控制，其主要作用就是開關(guān)量順序控制。DCS控制系統(tǒng)很多都是使用冗余設(shè)備來進(jìn)行制作，DCS控制器所存在的冗余配置簡單有效，費(fèi)用比較低。而PLC控制器如果要完成冗余控制要求，需要安裝定制電源，費(fèi)用非常大，所以PLC基本上不會使用冗余設(shè)備。2.2.5DCS的發(fā)展趨勢分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。從分布式控制系統(tǒng)出現(xiàn)至今，四代分布式控制系統(tǒng)的升級使系統(tǒng)本身不斷完善且提高。分布式控制系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.系統(tǒng)功能向開放式方向發(fā)展2.標(biāo)準(zhǔn)化、通用化技術(shù)3.工控軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展4.儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展5.系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)一步向FCS方向發(fā)展2.3SCADA系統(tǒng)SCADA是SupervisoryControlAndDataAcquisitionSystem（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）的縮寫，SCADA系統(tǒng)是對生產(chǎn)單位分散、分布距離遠(yuǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能。SCADA系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、化工、石油等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等行業(yè)部門。2.3.1SCADA系統(tǒng)的概念系統(tǒng)中幾乎所有的控制動作都是由可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程終端單元自動執(zhí)行的。對主機(jī)控制功能的限制是監(jiān)督級干預(yù)或基本覆蓋。例如，在工業(yè)過程中PLC控制冷卻水的流動，SCADA系統(tǒng)允許記錄與報(bào)警所有條件和流量設(shè)定點(diǎn)（如高溫、流量損失等）發(fā)生的任何變化，并能夠顯示。數(shù)據(jù)采集從PLC或RTU級開始，包括報(bào)告設(shè)備狀態(tài)和儀表讀數(shù)。然后控制室的操作員可以利用格式化的數(shù)據(jù)通過使用HMI使監(jiān)督?jīng)Q定調(diào)整或覆蓋正常的PLC（RTU）控制。SCADA系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)稱為標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫的分布式數(shù)據(jù)庫，其中包含稱為點(diǎn)或標(biāo)簽的數(shù)據(jù)元素。點(diǎn)是由系統(tǒng)控制或監(jiān)視的單個(gè)輸入或輸出值。點(diǎn)是軟點(diǎn)或硬點(diǎn)。系統(tǒng)的實(shí)際輸入或輸出由硬點(diǎn)表示，而軟點(diǎn)是用于表示其他點(diǎn)的不同數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的結(jié)果。這些點(diǎn)通常存儲為時(shí)間戳值對。時(shí)間戳值對的系列給出了特定點(diǎn)的歷史。使用標(biāo)簽存儲額外的元數(shù)據(jù)是常見的，這些附加數(shù)據(jù)可以包括對設(shè)計(jì)時(shí)間的注釋、報(bào)警信息、現(xiàn)場設(shè)備或PLC寄存器的路徑。2.3.2SCADA系統(tǒng)的組成典型的SCADA系統(tǒng)分為管理端和場站端。管理端一般包括前置采集、SCADA應(yīng)用。場站端主要是由三部分組成，分別是下位機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)。2.3.3SCADA系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)SCADA系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括集中式SCADA系統(tǒng)、分布式SCADA系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)。1.集中式SCADA系統(tǒng)集中式SCADA系統(tǒng)將所有監(jiān)控功能集中到一臺主機(jī)，采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單，功能弱且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護(hù)、升級以及與其它設(shè)備聯(lián)網(wǎng)困難比較大。2.分布式SCADA系統(tǒng)分布式SCADA系統(tǒng)使用多臺計(jì)算機(jī)和工作站作為上位機(jī)，通過局域網(wǎng)相互連接實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，每個(gè)站點(diǎn)只需要完成特定的工作，有的站點(diǎn)可作為操作站，為操作人員提供操作界面，有的站點(diǎn)作為計(jì)算處理器或數(shù)據(jù)服務(wù)器使用。此種方式相當(dāng)于將SCADA系統(tǒng)功能分散到多個(gè)站點(diǎn)中，與單個(gè)處理器比有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。多臺站之間的信息通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)共享，處理分布在各個(gè)站之間。雖然使用了專有的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，但依然導(dǎo)致了SCADA系統(tǒng)的許多安全問題。3.網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)階段以各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，具備統(tǒng)一開放的系統(tǒng)架構(gòu)、可集成多種第三方軟件、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式的混合控制系統(tǒng)。相對于集中式和分布式SCADA系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上更加開放，有更好的兼容性，可以方便集成到綜合自動化信息化系統(tǒng)中。2.3.4SCADA系統(tǒng)與DCS的區(qū)別SCADA系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)DCS的共同點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：（1）兩者具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，兩者都屬于分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，普遍釆用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，具有控制分散、管理集中的