labview實(shí)現(xiàn)plc指令 - 全文

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PLC即可編程邏輯控制器?？删幊踢壿嬁刂破魇欠N專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

　　一、PLC基本結(jié)構(gòu)

　　可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：

　　1、電源電源用于將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電j目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。

　　2、中央處理單元（CPU）中央處理器是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能。中央處理器由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集中在一塊芯片上，通過地址總線、控制總線與存儲(chǔ)器的輸入/輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運(yùn)行用戶程序，進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，控制整個(gè)系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。

　　3、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實(shí)現(xiàn)各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀存儲(chǔ)器（ROM）中，用戶不能訪問。

　　4、輸入單元輸入單元是PLC與被控設(shè)備相連的輸入接口，是信號(hào)進(jìn)入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測(cè)元件傳來的信號(hào)。輸入的類型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。

　　5、輸出單元輸出單元也是PLC與被控設(shè)備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號(hào)傳送給被控設(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門輸出。

　　PLC除上述幾部分外，根據(jù)機(jī)型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通信。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機(jī)、盒式磁帶錄音機(jī)、計(jì)算機(jī)等。

　　二、PLC工作原理

　　1、輸入采樣階段

　　在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

　　2、用戶程序執(zhí)行階段

　　在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。

　　即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。

　　在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。

　　3、輸出刷新階段

　　當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。

　　三、PLC功能特點(diǎn)

　?。?）可靠性高。由于PLC大都采用單片微型計(jì)算機(jī)，因而集成度高，再加上相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　?。?）編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語(yǔ)句，其數(shù)量比微型機(jī)指令要少得多，除中、高檔PLC外，一般的小型PLC只有16條左右。由于梯形圖形象而簡(jiǎn)單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，就可進(jìn)行編程。

　?。?）組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶只需要簡(jiǎn)單地組合，便可靈活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，因此，可適用于任何控制系統(tǒng)。

　?。?）輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（如直流或交流、開關(guān)量、數(shù)字量或模擬量、電壓或電流等），均有相應(yīng)的模板可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件（如按鈕、開關(guān)、傳感電流變送器、電機(jī)啟動(dòng)器或控制閥等）直接連接，并通過總線與CPU主板連接。

　?。?）安裝方便。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC的安裝既不需要專用機(jī)房，也不需要嚴(yán)格的屏蔽措施。使用時(shí)只需把檢測(cè)器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的I/O接口端子正確連接，便可正常工作。

　?。?）運(yùn)行速度快。由于PLC的控制是由程序控制執(zhí)行的，因而不論其可靠性還是運(yùn)行速度，都是繼電器邏輯控制無法相比的。近年來，微處理器的使用，特別是隨著單片機(jī)大量采用，大大增強(qiáng)了PLC的能力，并且使PLC與微型機(jī)控制系統(tǒng)之間的差別越來越小，特別是高檔PLC更是如此。

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　　四、利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)下一代PLC的編程

　　十九世紀(jì)六十年代，工程師們利用多排機(jī)械中繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。這些系統(tǒng)過于復(fù)雜，難以修改，并容易產(chǎn)生故障。在十九世紀(jì)六十年代后期，Bedford聯(lián)合會(huì)提出了一個(gè)稱為模塊化數(shù)字控制器（MODICON）的新型系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CPU執(zhí)行數(shù)字邏輯并與數(shù)字輸入和輸出接口。該系統(tǒng)被視為工業(yè)應(yīng)用的第一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)。MODICON 084是第一個(gè)PLC。該新型PLC有效執(zhí)行數(shù)字操作與數(shù)字控制，并在十九世紀(jì)七十年代中期得到廣泛應(yīng)用。早期的PLC采用基于位片的CPU，如AMD 2901，僅限于數(shù)字控制。為了更為可靠并易于編程，PLC采用嚴(yán)格的控制架構(gòu)與簡(jiǎn)單的指令集。工程師們?cè)诰幊虒?shí)現(xiàn)大多數(shù)PLC時(shí)采用了梯形邏輯——一種專為模擬十九世紀(jì)六十年代的初始中繼框圖而創(chuàng)建的語(yǔ)言。

　　滿足應(yīng)用需求的“80-20”規(guī)則

　　在接下來的三十年中，PLC逐步演進(jìn)，吸納了模擬I/O、跨網(wǎng)絡(luò)通信和新型的編程標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61131-3。然而，工程師們利用數(shù)字I/O、一些模擬I/O點(diǎn)和簡(jiǎn)單的編程技術(shù)，創(chuàng)建了80%的工業(yè)應(yīng)用。來自ARC、VDC和PLCS.net的專家估算：

　　80%的PLC應(yīng)用在小規(guī)模應(yīng)用（1~128個(gè)I/O）中

　　78%的PLC I/O是數(shù)字I/O

　　包含20個(gè)梯形邏輯指令的指令集滿足了80%的PLC應(yīng)用挑戰(zhàn)。

　　這就是一些PLC仍在使用最初的AMD 2901 CPU和Keyence等公司僅提供梯形邏輯編程的原因所在。

　　因此，如果80%的應(yīng)用吸納了簡(jiǎn)單的數(shù)字與模擬控制，那么創(chuàng)建其他20%應(yīng)用的工程師們必須推進(jìn)PLC的疆界。在19世紀(jì)80年代和90年代，正是這些“20%工程師們”考慮將PC應(yīng)用于工業(yè)控制，實(shí)現(xiàn)了前所未有的靈活性、高生產(chǎn)率軟件和先進(jìn)的硬件。然而，基于PC的工業(yè)控制存在如下不足：

　　穩(wěn)定性——通用操作系統(tǒng)時(shí)常不夠穩(wěn)定，這就迫使安排人員處理系統(tǒng)宕機(jī)和意料之外的重新啟動(dòng)。

　　可靠性——由于采用了旋轉(zhuǎn)磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器和電源供應(yīng)等非工業(yè)化加固的組件，PC更加容易產(chǎn)生故障。

　　陌生的編程環(huán)境——車間操作人員需要在系統(tǒng)不能正常工作時(shí)重新編寫該系統(tǒng)。利用梯形邏輯，他們知道如何手動(dòng)使一個(gè)線圈和一段補(bǔ)丁程序快速覆蓋一個(gè)系統(tǒng)。但對(duì)于PC系統(tǒng)，操作人員需要掌握新的工具。

　　構(gòu)建更好的控制器

　　在沒有清晰的PC或PLC解決方案的情況下，處理復(fù)雜應(yīng)用的工程師們時(shí)常通過與控制廠商緊密合作開發(fā)新型產(chǎn)品。這些先驅(qū)用戶要求實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能特性與可靠性的組合，這幫助引導(dǎo)了洛克威爾、西門子、GEFanuc、Beckhoff和NI等PLC和PC控制廠商的產(chǎn)品開發(fā)。隨之而來，出現(xiàn)了專為這“20%”的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型控制器，這些控制器實(shí)現(xiàn)了最佳PLC特性與最佳PC特性的組合。業(yè)界分析專家ARC將這些設(shè)備命名為可編程自動(dòng)控制器，或PAC。ARC在其“可編程邏輯控制器全球展望”研究中，界定了PAC五大主要特征：

　　多領(lǐng)域功能特性，在單個(gè)平臺(tái)上至少包括邏輯、運(yùn)動(dòng)、PID控制、驅(qū)動(dòng)和處理中的兩個(gè)功能特性。

　　單個(gè)綜合型開發(fā)平臺(tái)，包含共用標(biāo)簽和用于訪問所有參數(shù)與函數(shù)的單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)

　　支持跨多臺(tái)機(jī)器或處理單元的處理流設(shè)計(jì)的軟件工具，以及IEC 61131-3、用戶指南和數(shù)據(jù)管理

　　開放的模塊化架構(gòu)，將來自工廠內(nèi)機(jī)器布局的工業(yè)應(yīng)用映射至處理車間內(nèi)的單元操作

　　采用網(wǎng)絡(luò)接口、語(yǔ)言及其他方面的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，如TCP/IP、OPC與XML和SQL查詢

　　NI PAC

　　NI PAC硬件目標(biāo)平臺(tái)基于NI LabVIEW技術(shù)，包括Lab-VIEW實(shí)時(shí)模塊與LabVIEW FPGA。利用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊與LabVIEW FPGA，工程師們可以利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)定制的測(cè)量與控制系統(tǒng)，并將其布置在運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可靠嵌入式目標(biāo)平臺(tái)或嵌入式硅片之上。PAC硬件目標(biāo)平臺(tái)專為有如下需求的應(yīng)用而設(shè)計(jì)：

　　圖形學(xué)——由于LabVIEW編程用戶可以直觀地構(gòu)建一個(gè)用戶界面，您可以方便地將圖形學(xué)和HMI（人機(jī)接口）并入控制系統(tǒng)。

　　測(cè)量（高速數(shù)據(jù)采集、視覺與運(yùn)動(dòng)）——NI歷來擅長(zhǎng)于包括視覺采集的高速I/O，因此您可以將振動(dòng)或機(jī)器視覺包納在您的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中。

　　處理能力——在某些應(yīng)用中，您需要專用的控制算法、高級(jí)信號(hào)處理或數(shù)據(jù)錄入。利用LabVIEW，您可以吸納利用NI或第三方工具構(gòu)建的定制的控制代碼，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻聯(lián)合分析等信號(hào)處理功能，或者實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)錄入。

　　平臺(tái)——利用LabVIEW，您可以創(chuàng)建運(yùn)行于如PC、嵌入式控制器、FPGA芯片或手持PDA等多種平臺(tái)之上的代碼。

　　通信——LabVIEW使您方便地利用OPC與SQL等類似工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)至企業(yè)的傳輸NI提供了四種PAC硬件目標(biāo)平臺(tái)：

　　PXI對(duì)工業(yè)PC的改進(jìn)包括實(shí)時(shí)OS、冷卻標(biāo)準(zhǔn)、可選的非旋轉(zhuǎn)固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器和模塊間同步。PXI標(biāo)準(zhǔn)要求所有底板為每個(gè)模塊插槽提供用于25 W冷卻的空氣流，這確保了即使在采用高功率中繼或高速PXI、CompactPCI板卡時(shí)，操作也不會(huì)導(dǎo)致過熱或縮短使用壽命。PXI還提供了不同模塊間的緊密同步，因此，工程師們可以設(shè)計(jì)面向高速控制應(yīng)用（如封裝或半導(dǎo)體處理中所發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用）的運(yùn)動(dòng)、視覺和I/O系統(tǒng)。

　　Compact FieldPoint利用業(yè)界評(píng)定的部件，實(shí)現(xiàn)高沖擊與振動(dòng)等級(jí)，處理從-40~70 °C的寬范圍溫度，并達(dá)到1類2分類和Lloyd認(rèn)證。它還使用傳導(dǎo)冷卻而不是風(fēng)扇，以去除移動(dòng)部件提高可靠性。通過一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)OS的浮點(diǎn)處理器、用于數(shù)據(jù)錄入的CompactFlash驅(qū)動(dòng)器和用于通信的以太網(wǎng)端口，緊湊FieldPoint系統(tǒng)吸納了PC的功能特性。

　　Compact視覺系統(tǒng)是一種專為機(jī)器視覺應(yīng)用設(shè)計(jì)的堅(jiān)固的控制器。它利用IEEE 1394可以在一項(xiàng)視覺應(yīng)用中與高達(dá)16個(gè)攝像頭通信，并運(yùn)行高速Intel處理器進(jìn)行快速圖像分析。緊湊視覺系統(tǒng)還可以使用非移動(dòng)式部件和傳導(dǎo)冷卻，因此，您可以將該系統(tǒng)緊固在機(jī)器上。它提供29個(gè)內(nèi)置的數(shù)字I/O線路，您可以從LabVIEW實(shí)時(shí)模塊或者利用LabVIEW FPGA直接從一個(gè)嵌入式FPGA對(duì)其進(jìn)行控制。

　　CompactRIO是一種基于LabVIEW FPGA和LabVIEW實(shí)時(shí)技術(shù)的可重新配置的嵌入式系統(tǒng)。CompactRIO系統(tǒng)利用高達(dá)三百萬門的FPGA芯片控制模塊化數(shù)字與模擬I/O。FPGA芯片可以在硅片上運(yùn)行嵌入式代碼，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 MHz的數(shù)字控制循環(huán)和高達(dá)150 kHz的模擬循環(huán)。FPGA可以將信息回送至運(yùn)行LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的浮點(diǎn)處理器，以實(shí)現(xiàn)高級(jí)計(jì)算、數(shù)據(jù)錄入和通信。憑借金屬封裝和傳導(dǎo)冷卻，該控制器非常適合于在惡劣環(huán)境下使用。

　　需要?jiǎng)?chuàng)建那些“20%”應(yīng)用的業(yè)界工程師們正在拓展控制器技術(shù)的疆界，而PAC制造商們則通過提供各種綜合了PC的最佳功能特性與PLC的可靠性的硬件目標(biāo)平臺(tái)，對(duì)此作出積極的響應(yīng)。使得編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)OS、FPGA和DSP的工具，如LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，必將為業(yè)界工程師們提供更為寬泛的新選擇。