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产品描述
西门子6ES322-1CF00-0AA0
从结构，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
1、CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经**的作用，每套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。
CPU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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。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。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。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速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2、I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其较大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受较大的底板或机架槽数限制。
3、电源模块
PLC电源用于为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。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
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。 PLC的易操作性表现在下列三个方面：
1） 操作方便 对PLC的操作包括程序的输入和程序更改的操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。
2） 编程方面 PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此，很容易理解和掌握。采用语句表语言编程时，由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有一一对应的关系，所有有利于编程人员的编程操作。功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法的应用尚未普及，但由于它们具有功能清晰，易于理解等优点，而且与DCS组态语言的统一，正受到广大技术人员的重视。
3） 维修方便 PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅除故障和修复节省了时间，降低了MTTR。
为便于维修工作的开展，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备，提供故障维修树等维修用资料；有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。此外，PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性。例如，对需要维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的位置，接线端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩短了维修时间。PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：
1） 编程的灵活性 PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。由于PLC内部采用软连接，因此，在生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使PLC成为工业控制领域的重要控制设备，在柔制造系统FMS，计算机集成制造系统（CIMS）和计算机流程工业系统（CIPS）中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。
2） 扩展的灵活性 PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可以与其它的控制系统如DCS或其它上位机的通信来扩展其功能，并与外部的设备进行数据交换。这种扩展的灵活性大大方便了用户。
3） 操作的灵活性 指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化等各个行业，这里面经常会用到PLC与变频器的结合使用，当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，例如我厂二催化的自动吹灰系统。PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即*处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。
1.开关指令信号的输入
变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC）相连，得到运行状态指令，如图1所示。
在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保系统的可靠性。
在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。图2与图3给出了正确与错误的接线例子。
当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。如图4所示。
2.数值信号的输入
输入信号防干扰的接法
变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20ｍＡ的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。图5为PLC与变频器之间的信号连接图。
当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为0～10V而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不**过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。
通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为0～10V/5V及0/4～20ｍＡ电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不**过电路的允许值，以保系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。
另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。
因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点：
（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。
（2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。
（3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。
（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。
3 结束语
PLC和变频器连接应用时，由于二者涉及到用弱电控制强电，因此，应该注意连接时出现的干扰，避免由于干扰造成变频器的误动作，或者由于连接不当导致PLC或变频器的损坏。
1.1.1 FX2NPLC的通信设定
本节中我们具体介绍FX2NPLC的通信设定，其中有FX2NPLC的通信设定的方法、步骤和上位机与下位机的验证通信。
1.1.1.1 通信设定的方法一般的PLC通信设定的方法有两种，一种是，参数*的方法；另一种是，顺控程序设定的方法[32]。
1. 参数*的方法进行PLC的通信设定，即使用顺控程序编程软件，在计算机画面上进行通信设定，然后作为参数登录后，传送至可编程控制器中；FX2C、FX2、FX0N的PLC不能采用此种方法进行通信的设定。
2. 顺控程序设定的方法进行PLC的通信设定，即在顺控程序中，对通信格式、站号设定，**时判定时间设定数值，编写这样的程序后，传送至可编程控制器中。
本次设计采用顺控程序设定的方法进行PLC的通信设定。设定过程是用顺控程序中的设定，将设定值传送到D8120（通信格式），D8121（站号的设定），D8129（**时判定时间）后上电。
设计中，FX2N的PLC在与组态王进行通信时，波特率设置为9600，数据位长度为7，停止位长度为1，奇偶校验位为偶校验。
D8120寄存器的内容如图2.11所示：
图2.11 D8120寄存器具体内容
1.1.1.2 通信设定的步骤FX2N PLC通信设定的步骤包括以下步骤：
1. 首先，进行PLC的通信格式、站号及**时判定时间数值的设定。采用编程软件按照下面梯形图的控制要求进行编程，并写出相应的语句表。梯形图如图2.12所示：
图2.12 PLC通信设定梯形图
控制语句程序如下所示：
LD M8000
OUT M8120
MOV H0886 D8120 //通信参数设置
MOV H0 D8121 //PLC站号
MOV K200 D8129 //**时时间为2000m
2. 将顺控程序写入可编程控制器中。
3. 运行可编程控制器。
4. 将可编程控制器的电源断开后重新上电，使通信设定有效。该语句表输入PLC运行后，PLC就能和组态王软件很好的通信了。
1.2 虚拟单向交通灯控制系统的通信调试本节通过建立一个简单的单向交通灯控制系统来调试PLC与组态王的通信，并验证上位机与下位机的相互控制。首先，建立虚拟单向交通灯控制系统的组态界面，并编制PLC控制程序；然后，分别进行组态王和PLC的通信设置，再建立组态系统的动画连接；最后，运行系统观察运行时的动画动作过程，并以此检测通信连接是否成功。通过控制上位机的输入，来控制下位机的输出；相反，通过控制下位机的输入，来控制上位机的输出，以达到双向控制的目的。
1.2.1 单向交通灯控制系统设计我们设计一个简单的单向交通灯控制系统，在实验中以交通灯控制系统作为测试对象。其控制要求为当一个输入信号（x000按下）时，对应一个输出（y010），即当x000导通时，y010上电，绿灯亮，小车行；而当另一个输入信号（x002按下）时，对应一个输出（y011），即当x002导通时，y011上电，红灯亮，小车停；再当输入信号（x001按下）时，y010 、y011失电，红、绿灯灭，同时小车运动也停止，控制系统处于停止状态。
PLC控制程序语句为：
LD X000 //绿灯控制按钮
OR M10
ANI X001 //停止控制按钮
ANI X002 //红、绿灯互锁控制
OUT M10
LD M10
OUT Y010 //绿灯控制输出
LD X002 //红灯控制按钮
OR M11
ANI X001 //停止控制按钮
ANI X000 //红、绿灯互锁控制
OUT M11
LD M11
OUT Y011 //红灯控制输出
END //程序控制结束
根据上述的控制要求，编写的交通灯控制程序如图2.13所示。
图2.13 交通灯灯控制程序
1.2.2 控制程序的输入本次程序的输入有两种方法：
1. 手持编程器将程序输入PLC
具体操作过程，先使手持编程器处于写（W）工作方式，将光标移动到*的步序位置，然后按（FNC）键，接着按该应用指令代码对应的数字键，然后按（SP）键，再按相应的操作数键。如果操作数不止一个，每次键入操作数之前，先按一下（SP）键，键入所有的操作数后，再按（GO）键，该指令就被写入PLC的存储器内。如果操作数为双数，（FNC）键后，再按（D）键；如果仅当其控制电路由断开到闭合（上升沿）时才执行该应用程序指令的操作（脉冲执行），在键入其编程代码的数字键后，接着再<P>键，这样就能把程序输入PLC。这种方法操作步骤多，工作量大，效率低，且易产生误差。
2. 利用编程功能将程序输入PLC
利用顺控编程通信功能，将计算机与PLC链接，通过计算机环境中的编程软件编制好所需要的控制程序，在通过PLC编程通信的功能将程序直接输入到PLC内。我们利用的编程软件是GX Developer，在软件中把PLC系统的控制程序完成，再通过串行端口线将控制程序传送到PLC内。这样的方法简便、易行、操作量小、效，而且其较大的优点是方便在计算机环境下对PLC程序的检查和监控。所以在本次课题的设计中主要采用利用编程功能将程序输入PLC，来进行课题的设计。
1.2.3 组态工程的通信和调试在组态王软件环境中，建立一个完整的虚拟单向交通灯控制系统的组态工程后，我们对这一组态工程进行通信设置，并在通信完成后进行控制系统的调试，以达到测试系统是否达到要求的目的。
1.2.3.1 组态王与PLC的通信设置组态王软件与PLC系统靠串行端口线连接，下面我们就组态王软件与PLC系统通信设置过程做详细的阐述。首先，在组态王软件环境下，对PLC串行通信的端口进行设置，本次课题中使用的是COM3端口，打开COM3端口进行数据设置，如图2.14所示。
设置的串口数据为：波特率设为9600、数据位为7、停止位为1、通信**时为2000毫秒、通信方式为RS232。使用的通信方式RS232要和PLC的设置相对应。
然后，对设备里的PLC进行设置。在“设备配置向导”中，选择“PLC”中的“三菱”，再选择“FX2”的“编程口”，选择完成后进行下一步，如图2.15所示。
图2.14 通信参数的设置 图2.15 PLC的选择
编辑设备的“逻辑名称”为“PLC”，如图2.16所示，再进行下一步；进行串口号的选择，本次设计选用COM3作为串口，如图2.17所示，然后进行下一步。
图2.16 逻辑名称设置图 图2.17 串口号的选择
最后，进行设备地址设置与通信参数设置，来完成组态王软件与PLC的通信设置。设备地址的设置与通信参数的设置均采用默认值，设备地址设置为“0”；通信参
图2.18 通信参数设置 图2.19 通信设置信息总结
数设置为尝试恢复间隔为30秒和较长恢复时间为24小时，如图2.18所示。进行下一步，组态王软件与PLC通信设置的信息总结，如图2.19所示；然后，点击完成，整个组态王软件与PLC通信设置完成。
PCC（Programmable Computer Controller，即可编程计算机控制器）是一种融合了传统的PLC和IPC的优点，具有*特理念的模块化控制装置。本文着重从以下几个方面来阐述PCC的特点及优势：分时多任务操作系统；强大的系统能力；软件的集成开发环境；高可靠性；由PCC的CPU和X20 I/O构成的全开放分布式系统。PCC正逐渐被业内人士认识和接受，并因其**的性能而在多种工业领域中获得越来越广泛的应用。
0 引言
可编程控制器PLC和工业计算机IPC已先后推出多年，它们在各自不同的应用场合已获得了十分广泛的应用。在多年的应用实践中，PLC运算/ 处理能力不强、实时性、开放性较差和IPC可靠性及可扩展性较差的缺点已逐渐暴露出来，寻求一种性能更为优良的控制器已成为各类工业用户的迫切需求，由奥地利贝加莱公司 （B&R）于1994年首先推出的PCC就顺应了这一趋势，它融合了传统的PLC和IPC的优点，既具有PLC的高可靠性和易扩展性，又有着IPC的强大运算/处理能力和较高的实时性及开放性。
PCC的硬件结构和外貌与PLC十分酷似，但前者具有更强大的处理能力和更高的实时性；在软件功能方面，它又与某些PC-Based类似，不过其可靠性和环境适应能力却大大优于后者。
经过十多年的发展和应用，PCC已成为当前工业控制器发展的新方向之一，以PCC作为控制系统核心的方案正逐渐成为工业自动化系统配置的一种新格局。
1 PCC的特点及优势
1.1 PCC在硬件方面的特点
在硬件结构方面，PCC的特点是很明显的，它兼具了PC机采用高性能 CPU及大容量存储单元和PLC采用模块式结构的优点。
（1）模块式的插装结构，可带电插拔
PCC具有全模块式的插装结构，在工业现场可以安全、方便地带电插拔；PCC的CPU和I/O模块结构紧凑，体积小巧，接线端子密集，而且在模块供电及工作状态显示等诸多方面有着完善、精巧的设计。
（2）其CPU采用了多处理器结构并配备了大容量存储单元
PCC除了其高性能的主CPU以外，通常还配置了另外两个处理器，即一个PCC的CPU模块上有三个处理器，这就较大限度地提高了系统的处理能力。
在其核心的运算模块内部，PCC为其CPU配备了数倍于常规 PLC的大容量存储单元（100K-64MB），这无疑为功能强大的系统软件和应用软件提供了有效的硬件支持。
PCC采用可插卡式的CF卡作为存储介质，较大存储容量可达8GB。
（3）配备了多种信号和通信接口
PCC为工业现场的各种信号和应用提供了许多**模块和功能模块，如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生器信号、增量式脉冲编码信号、称重信号和超声波信号、电力测量与并网同步、PWM输出等。它们将各种形式的现场信号十分方便地接入以PCC为核心的数字控制系统中，用户可按需要对应用系统的I/O通道进行数十点、数百点乃至数千点的扩展与联网。PCC的所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离，模拟量输入端也都经过了RC滤波处理，因此它具有很好的抗电磁干扰能力。
在PCC模块内部，CPU的数据总线与I/O总线分离，并配置有独立的I/O处理器。主CPU内含有一个独立的时间处理单元 TPU （Time Processing Unit ），在不增加CPU负荷的前提下高速处理简单或复杂的定时任务，其基准计时频率可高达 6.29MHz，因此目前被广泛应用于频率、相位测量及PWM（脉宽调制）等要求较高精度的时间处理场合中。
此外，CPU的主板集成了多种通信接口，PCC还是一款开放性较高的产品，配置了多种通信模块。
（4）以**模块的方式对高精度运动控制功能和智能温度控制功能进行集成
运动控制功能：高速编码计数、速度和位置补偿、电子齿轮传动、凸轮形、多轴插补、CNC技术、飞锯等；
温度控制模块：传感器直接接入，每50ms处理一个PID调节回路，带自校正PID调节和参数整定功能。
1.2 分时多任务操作系统理念和多样化的应用软件设计手段
常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序（某些高档的PLC，如西门子的S7-300/400系列、罗克韦尔的 ControlLogix系列等除外），来处理程序本身的逻辑运算指令及对外部I/O通道的状态采集与刷新，整个应用程序被包含在一个循环周期内（如图1 所示）。但在一个控制系统中，虽然有一些工艺量对实时性的要求很高，但同时却有更多的工艺量对实时性没有特殊的要求，如果采用同样的刷新速度来处理它们其实是对系统资源的浪费，而且循环扫描的运行机制也导致了系统的处理周期主要取决于应用程序的大小，如程序复杂庞大，扫描周期就必然加长，这无疑是与I/O 通道对高实时性的要求相违背的。在图1和图2中， A和B为压力控制（回路控制）任务，它们的扫描时间分别为1ms和2ms；而C和D为逻辑控制任务，它们的扫描时间分别为5ms和2ms。看来这是一个逻辑控制任务程序量较大的PLC/PCC应用程序。图1表示常规PLC的运行模式，在该图上部的任务组合方式中，整个任务（A+B+C+D）被包含在一个扫描时间为10 ms的循环周期内，在该图下部的任务组合方式中，整个任务（A+B+C）被包含在一个扫描时间为8 ms的循环周期内。可以看出，总的应用程序处理周期为各任务的程序扫描时间的和，程序周而复始地循环执行。
而贝加莱PCC系统的设计方案则**地解决了这一问题，与常规PLC相比较，PCC较大的特点就在于其引入了几类大型计算机的Runtime 定性分时多任务操作系统理念，并辅之以多样化的应用软件设计手段。由于实行分时多任务的运行机制，应用程序可以按照工艺功能和**级的不同分别设置成不同的任务和不同的任务级别，并可根据要求自行设定任务的循环时间，使得应用任务的循环周期与程序长短无关，从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，而且它可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际需求而做相应调整（如图2所示）。图2表示PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式，按照逻辑控制和压力控制任务分类组合（即图3中的系统模块）控制。在该图上部的逻辑控制任务组合中，逻辑控制任务C、D被**地分布在间隔为5 ms的5个时间段中按**级顺序先后执行，逻辑控制任务C、D执行时恰好压力控制任务A、B不执行，逻辑任务的处理周期为20 ms；在该图下部的压力控制任务组合中，压力控制任务A、B在每一个5 ms的时间间隔中均按顺序先后执行，压力控制任务A、B执行时恰好逻辑控制任务C、D不执行，压力任务的处理周期为5 ms。可以看出，各个任务是按照分时的运行模式执行的，各分类任务组合则按照自己的处理周期（如逻辑任务的20 ms和压力任务的5 ms）周而复始地循环执行，但压力任务的**级明显**逻辑任务的。
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