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1、PLC的基本概念

　　可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC

　　2、PLC的基本结构

　　PLC实质是一种于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

　　a. 中央处理单元(CPU)

　　中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

　　为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

　　b、存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

　　C、电源

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

　　3、PLC的工作原理

　　一. 扫描技术

　　当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

　　(一) 输入采样阶段

　　在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

　　(二) 用户程序执行阶段

　　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

　　即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

　　(三) 输出刷新阶段

　　当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

　　比较下二个程序的异同：

　　程序1：

　　程序2：

　　这两段程序执行的结果*一样，但在PLC中执行的过程却不一样。

　　※ 程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新；

　　※ 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。

　　这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

　　一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

　　二. PLC的I/O响应时间

　　为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

　　为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。

　　以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

　　所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其短的I/O响应时间与长的I/O响应时间如图所示：

　　第(n-1)个

　　扫描周期

　　短I/O响应时间：

　　长I/O响应时间

SIEMENS PLC在中国的产品，根据规模和性能的大小，主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三种，下面就简单介绍一下该三种产品的一些特性。

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关于影响WinCC通讯质量大家都不约而同谈到了如何优化WinCC组态项目的各种方法。如WinCC对过程变量的归档数量，和存取速度、精简脚本等方式。现我从Industrial Ethernet、PROFIBUS、MPI、ProfiNet这几种常见协议方式，与双绞线、光纤、同轴缆线等传输介质的选用角度，分析通讯质量。当通讯方式和传输介质确定后，在很大部分就决定了通讯质量，此外也将影响通讯质量。具体分析如下：

　　1。采用Industrial Ethernet协议和双绞线介质——这是目前WinCC通讯较流行和常见的方式，性价比高，兼容性也较好。它采用Internet使用的TCP/IP协议，应此还可连接上Internet网络。但该方式通讯采用竞争发送、冲突检测、载波侦听机制，速率不确定，无法做到实时性。取决于网络当前的通讯流量，由于采用双绞线，带宽有限、抗干扰能力差。因此，采用此方式通讯时，既不要与Internet网络相连，又不要与工控无关的电脑相连，这既可降低网络病毒攻击，又可减少网络数据包流量。

　　在WinCC组态项目中，应尽量减少循环的动态连接（如画面中的控件对象过多的与PLC中变量连接后，作动态位移运动，从而达到形象直观的效果），以降低WinCC与PLC间通讯负担。

　　但当WinCC在常态工作时，数据包流量都很大（即CP443-1模块上TXD指示灯几乎在任何时候都常亮不熄灭），这说明网络内有多台WinCC的Server与一台PLC通讯，或一台PLC与另一台、及多台PLC通讯，且约定的通讯Byte数也较多。解决方法是1：可采用光纤介质，改善网络带宽，提高传输的抗干扰能力；2：增加一台WinCC的Central Archive Server，从而减少WinCC的Server数量，这可大大降低PLC的通讯负担。

　　2．采用PROFIBUS协议和PROFIBUS缆线——这是SIEMENS工控网络的标准方式，大多数老一些的SIEMENS工控用户均采用此方式。PROFIBUS协议分DP、FMS、PA三种，其中DP协议较为常见。采用此方式时，安装有WinCC的OS站上必需一块CP5611，或CP5613网卡。这时每台WinCC监控站开启后都作为PLC的DP远程从站进行通讯。但当WinCC监控站电脑故障，或CP5611/CP5613网卡坏需关机更换或维护等情况时，极易造成其它的远程DP站通讯中断，而影响生产，所以采用此方式缆线应尽量连接成环网。

　　在生产要求高可靠性的地方，此时应采用FMS协议方式。但采用FMS协议需在PLC主站上增加一块Profibus通讯模块（如CP443－5或CP342－5）。这样，每台WinCC监控站与PROFIBUS通讯模块进行通讯联系，在物理开了与远程DP从站的联系，这除了对生产的安全可靠性得到提高外，还降低了远程DP从站的数量，从而降低了PLC的CPU处理DP从站的通讯负担，与每台WinCC监控站的通讯由PROFIBUS通讯模块完成。但此FMS协议方式需增加一块Profibus通讯模块（增加硬件成本）。

　　PA协议方式适用于现场智能设备（如一些智能变送器、智能传感器与PLC的连接）。总之，由于Profibus主站间通讯采用Token Ring（令牌环）方式轮转，WinCC通讯实时性较Industrial Ethernet好，通讯时间间隔相对稳定，网络遭病毒攻击的可能性小，网络安全性也较Industrial Ethernet高。

　　3．采用MPI协议——这是点对点的连接方式，通讯速率仅为187.5Kbps，类似于串口通讯。且WinCC只能与单台PLC通讯，所以速率慢，通讯范围窄，仅适用于单台现场控制设备和局部范围的通讯。

　　4．采用PROFINET协议——这是SIEMENS公司的一种基于PROFIBUS－DP和Industrial Ethernet之间的协议（即实时以太网）。它基于Industrial Ethernet，采用TCP/IP标准，所以可将现场级（I/O Field）设备连接到管理级，并且还能实时通讯（Real Time）能力，因此兼具两种网络的优点。这也是SIEMENS公司目前向市场*的通讯方式。

　　但目前SIEMENS公司支持PROFINET通讯功能的模块较Industrial Ethernet通讯功能的模块价格贵，市场用量不大。因此如果管理层用户在办公室不需实时掌控现场级设备状况，可不必采用该通讯方式。现场级设备实时状况应更多的由操作人员，和工程师门去掌控和处理，这样更利于分级的管理和设备的运行安全。