西门子模块6GK7243-1GX00-0XE0支持验货

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本文介绍了在控制系统中选择PLC的一般方法，详细说明了在PLC机型的多样性，以及在PLC的输入输出点数功能等方面作如何选择。
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。
1机型的选择
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择较可靠、维护使用较方便以及性能价格比的较优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则较好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了PLC的几种功能选择。
表1PLC的功能及应用场合

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。
2输入/输出的选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
2.1确定I/O点数
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。
表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

plc的工作原理及编程语言介绍
    
plc的工作原理
plc是一种工业计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，cpu采用分时操作方式来处理各项任务，即每一时刻只能处理一件事情，程序的执行是按照顺序依次执行。这种分时操作过程称为plc对程序的扫描，扫描一次所用的时间称为扫描周期。运行时，逐条地解释用户程序，并加以执行。程序中的数据并不直接来自输入或输出模块的接口，而是来自数据寄存器区，该区域中的数据在输入采样和输出锁存时周期性地不断刷新。
plc的扫描工作过程大致可以分为3个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段，如下图所示。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。
1）输入采样阶段
在输入采样阶段，plc首先扫描所有输入端子，再依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入寄存器中。此时，输入寄存器被刷新。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，输入寄存器中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。
2）用户程序执行阶段
输入采样阶段的输入信号被刷新后，送入程序执行阶段。组成程序的每条指令都有顺序号，指令按顺序号依次存入存储单元。在程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行，并对输入和输出状态进行处理，即按程序进行逻辑、算术运算，在将存入输出状态寄存器中。
3）输出刷新阶段
当用户程序执行完毕后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照输入/输出状态寄存器内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，再经输出电路驱动相应的外设。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。
plc的编程语言
编程语言是plc的重要组成部分，plc为用户提供了完整的编程语言，以适应用户编制程序的需要。iec61131-3为plc制定了5种plc的标准编程语言，其中有3种图形语言即梯形图（lad）、功能块图（fbd）、顺序功能图（sfc）；两种文本语言，即指令表（stl)和结构化文本（st)。
梯形图是plc较早使用的一种编程语言，也是plc较普遍采用的编程语言。梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，继承了继电器控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的表达方法，梯形图语言与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定的区别。
功能块图采用类似于数字逻辑门电路的图形符号，逻辑直观，使用方便，它没有梯形图语言中的触点和线圈，但拥有与之等价的指令。
顺序功能图亦称功能图。sfc编程方法是法国人开发的，是一种真正的图形化编程方法。sfc专用于描述工业顺序控制程序，使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，特别适合在复杂的顺序控制系统中使用。
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是plc较基础的编程语言，所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表plc的某种操作功能，按照一定的语法和句法编写出一行一行的程序，来实现所要求的控制任务的逻辑关系或运算。
结构化文本是一种高级的文本语言，是一种较新的编程语言。结构化文本语言表面上与pascal语言很相似，但它是一个专门为工业控制应用开发的编程语言，具有很强的编程能力，与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

计算机辅助工艺设计(CAPP :Computer-aided process planning) 是指在人和计算机组成的系统中,根据约束条件和资源条件,将零件的设计信息转换为制造零件所需的一系列加工操作,并人机交互或自动地生成零件的加工工艺规程. 也即是将产品设计信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程. 迄今为止,CAPP的研究已经历了40 余年,取得了许多重大的研究成果,获得了一定的经济效益. 特别是将专家系统、神经网络和模糊逻辑等人工智能技术应用于CAPP之后,工艺知识获取、表达和运用的有效性和灵活性有了很大改观,CAPP系统的实用化和工程化水平得到了很大提高.尽管如此,CAPP 仍然有许多尚未解决的重要问题,其应用的实际效果与企业的工程需求还相差甚远,已经成为实现/CAPP/CAM集成的瓶颈.

    正当CAPP 技术(包括人工智能技术) 的研究陷入困境而停滞不前时,国内外专家学者提出了人机智能系统的构想,这为CAPP 系统的研究与发展开辟了一条充满光明前景的崭新途径. 早在1990 年,*科学家钱学森就提出了“综合集成工程”(bbbbsynthetic engineering) 的思想,指出“我们要研究的是人与机器相结合的智能系统,不能把人排除在外,是一个人机智能系统”. 1991 年,美国斯坦福大学的里南(Lenat) 和费根鲍姆( Feigenbaum) 提出“人机合作预测”(Man-machine synergy prediction) 是知识系统的“*二纪元”,并指出“系统将使智能计算机与智能人之间成为一种同事关系,人与计算机各自执行自己较擅长的任务,系统的智能就是为这种合作的产物”;1994 年,法国克洛德·贝纳尔—里昂**大学的Francois Chevener 认为:问题求解常常不能自动进行,因为对于一些子问题,计算机找不到相应的解决策略或知识,只能靠人来解决,所以人必须能够干涉自动的问题求解过程. 1994～1995 年,路甬祥等又提出“人机一体化系统”(Humachine system) 的技术立论、科学体系和关键技术. 1999 年,在*49 届CIRP 年会上,瑞典的乔柏( Kjellberg) 所作的主题报告“面向人的生产系统的设计”得到了各国与会代表的认同,并认为21 世纪的制造系统应当从面向技术转向面向人.

    由此可见,CAPP 系统今后的发展方向应采取以人为中心、人机一体的技术路线,研究基于知识的人机智能化CAPP 系统的体系结构和关键技术,建立一种新型的面向人的CAPP 系统, 从而真正提高CAPP 的应用水平.

    1 　CAPP 系统的发展历程

    计算机辅助工艺设计的研究在国际上始于20世纪60年代后期,其早期意图就是建立包括工艺卡片生成、工艺内容存储及工艺规程检索在内的计算机辅助系统. 它只是将计算机当作存储、整理、计算和提取信息的工具,以帮助减少工员所做的事务性工作,从而节省工艺设计的时间. 这样的系统没有工艺决策能力和排序功能,因而不具有通用性. 而真正具有通用意义的CAPP系统是1969年以挪威开发的AUTOPROS系统为开端,其后很多的CAPP系统都受到这个系统的影响. 将计算机辅助工艺设计正式命名为CAPP 则是在计算机辅助工艺设计发展史上具有的美国计算机辅助制造国际组织CAM-I (Computer aided manufacturing-international )于1976 年所推出的CAM-I’S automated process planning 系统. 1985 年1 月CIRP **举行了CAPP 专题研讨会,11 月美国 冬季年会的主题定为“计算机辅助/ 智能工艺过程设计”,1987 年6 月CIRP 又举行了CAPP 的专题学术研讨会,从而使CAPP 系统的研究进入了一个崭新的时代.

    我国在20世纪80年代初期开始了CAPP的理论研究和系统开发工作. 1982年,同济大学的TOJ ICAP系统研制成功并进入国内市场. 西北工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、南京航空航天大学等单位也研制成功了适用于特定类型零件的CAPP系统. 1986 年3月,我国制定并启动863 计划,并在后续的863/CIMS主题计划中设立了多项与CAPP 相关的关键技术攻关项目或子项目、目标产品发展项目以及软件重大专项,同时大力推广应用示范工程. 1988 年5 月,在南京航空航天大学召开了国内次CAPP 的专题研讨会,受到广大科研院所和制造企业的普遍关注,引发了国内的CAPP 研究热潮. 1989 年,国家863/ CIMS 工艺设计自动化工程实验室在上海交通大学正式建立,主要从事异地分布式CAPP 系统体系结构及实现技术等方面的研究与开发工作,取得了许多的研究成果.

    2 　CAPP 系统的智能技术

    在CAPP 系统中,由于有相当多的问题求解是较其复杂的,常常没有算法可遵循,或者即使有计算方法,也是NP(Nondeterministic polynomial-bounded) 问题. 因此人们就用人工的方法和技术来模拟人类求解复杂问题的思维方式和过程,实现某些“机器思维”,从而解决需要人类专家才能处理的工艺问题,这样就导致了人工智能的产生并在CAPP 系统中获得广泛应用.

    2. 1 　人类智能及其特征

    我们知道,人类被誉为万物之灵,灵就灵在人类具有一个“智慧”的大脑. 然而,人类对客观世界的认识越来越清楚的同时,却对自己的大脑产生智能的机理仍然迷雾茫茫,知之甚少. 如此看来,智能作为科学技术的三大起源难题(宇宙起源、生命起源和智能起源) 之一,只能有待于21 世纪解决了. 智能一词来源于拉丁语“Legere”,意思是收集、汇集. 到目前为止,对于智能,还没有一个统一的看法. 一般认为:智能是运用信息和知识采取理智行动的能力. 通俗地说,智能可以理解为能获取知识并运用知识解决问题的能力.

    考察和分析人类智能活动的全过程,不难发现,思维是整个智能活动中较核心、较本质和较复杂的部分. 没有思维就没有人类的智能,也就不可能使人类远远**出其它动物而成为万物之灵. 1984 年,钱学森教授倡导开展思维科学的研究,并将人类思维划分为“抽象(逻辑) 思维、形象(直觉) 思维和灵感(顿悟) 思维”,同时指出虽然划分为三种思维,但实际上人的每个思维活动过程都不会是单纯的一种思维在起作用,往往是两种,甚至是三种思维交错混合在一起共同起作用. 三种思维的基本特点 人类智能的上述特点也正好说明了尽管冯·诺依曼(Von Neumann) 计算机处理速度较快、存储容量较大、符号推理能力较强,但还是远不如人类聪明的根本原因. 当然,人类智能毕竟是数十万年的大脑进化、数百万年的人类进化和数亿万年的生物进化的结晶,是高度的时间复杂性和巨大的空间复杂织而成的,有着无限奥秘和无穷智慧的脑神经系统的产物,远非采用若干硅片在数十年内就能完全模拟成功的.

    就工艺设计过程而言,人脑的思维活动就明显地表现出了几种思维形式的综合特点. 它既是逻辑性和跳跃性的统一,又是顺序性和并发性的统一;既可能“循序渐进,逐步推理”,又可能“灵机一动,计上心来”,还可能“突发奇想,另辟蹊径”. 人脑在思维时能够根据以往经验分析大量的外界信息,对许多复杂问题做出判断,然后再在此基础上进行概括和总结,以达到条理化和逻辑化,最后得到解决问题的满意方案. 同时,人类思维还能够根据直觉做出决策.譬如在对一个零件进行工艺设计时,一个经验丰富的工艺专家可在看到零件图纸的短暂时间内,就能形成该零件的加工方法、装夹方案和初步的加工路线,并能注意到可能存在的某些关键问题和重要工序,然后再按一定的工艺理论逐步分解和细化,以形成符合制造环境的工艺规程. 在这一过程中,人类思维始终能够前后一致、全面细致地进行协调. 但是,冯·诺依曼计算机在解决问题时,则不具备直觉性和并发性,既不能“突如其来,一气呵成”,也不能在同一个时间内形成多个问题的解决办法并相互协调(尽管运算速度可以无限的快) ,即计算机总是有顺序、有条理地按一定程序解决问题