6ES7314-6BH04-0AB0安装调试

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   在现代社会中，无论在任何行业，从工厂的生产，到能源的输送，到与人民生活息息相关的**工程，甚至人们的工作和休息的楼宇，到处都可以看到自动化系统的身影。自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成部分，而且是经济发展水平的重要标志。
    自动化系统由三部分组成：仪器仪表与传感器、控制系统、执行机构。如果把自动化系统比做人体的话，仪器仪表部分就是人的五官，执行机构则是人的四肢，而控制系统，则是人的大脑。由于现在机器、设备和生产装置越来越依靠自动化系统来运作，所以，控制系统不仅是自动化系统的大脑，甚至是整个设备甚至整个生产线的大脑。
    控制系统其实从20世纪四十年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为*三代控制系统。这一代系统以PLC和DCS为代表，从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。其中PLC，即可编程控制器，主要是从顺序控制发展而来的，但从九十年代开始，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC的性能扩展的越来越广，PLC的应用也逐渐向连续流程工业拓展。，同时，DCS也开始向小型化的方向拓展。之后，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。
    本章将主要介绍PLC的发展，之后介绍各种常见的控制系统在开放性方面的演进，从中可以看出控制系统的演进过程和方向，最后导入开放式PLC的产品的诞生。
1. PLC简介

1.1. PLC的发展历史    
    可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。可以被看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。
    1968年，通用汽车公司的液压部门为了既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了**个可编程控制器的招标指标。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。该控制系统将大大减少机器的停机时间，并为未来提供了可扩展性。较初为PLC所定的招标指标中，包含如下内容：
    * 新系统与继电器系统相比，体积要小，而且必须具有价格竞争力。
    * 系统必须能够在工业环境中独立而持续运行。
    * 输入输出界面必须能够方便地替代。
    * 控制器必须是模块化的结构，以便维修或更换时能够方便地取出；
    * 系统要具备将数据传送到*系统的能力；
    * 系统可以重复使用；
    * 控制器的编程方法必须简单，容易为工厂人员所了解。
    **次招标是DEC公司中标，1969年研制除了**台可编程控制器PDP-14，应用于GM的汽车流水线并取得成功。其后，美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。这些早期的控制器满足了较初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。
    **个PLC当时成为可编程控制器，英文是PROGRAMMABLE CONTROLLER，缩写为PC。当了80年代末期，由于IBM的个人计算机获得了**发展，在社会上，PC作为个人计算机的缩写家喻户晓，为了避免混淆，PLC改为PLC，现在PLC已经成为了一个新的工业的单词，很少有人去说可编程逻辑控制器了。
    与DCS的发展一样，PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等的发展息息相关，正是这些的发展推动了可编程控制器的发展。
从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：
1) 初级阶段  从**台PLC问世到20世纪70年代中期。由于**代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。主要产品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。**阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。
2) 扩展阶段  从20世纪70年代中期到70年代末期。这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列产品。
3) 通信阶段  20世纪70年代末期到80年代中期，这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间，PLC已经从汽车行业就迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。哪次，产品功能也得到很大的发展。同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATIC S6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO 和TI公司的TI530等。
4) 开放阶段  从20世纪80年代中期开始。 由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7和S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500等。

1.2 PLC的定义以及硬件和软件进展
    PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。在诞生初期，PLC与继电器控制、模拟表以及其它早期的固态逻辑控制相比可以说是控制系统的新丁；**个PLC还多少有些象是继电器的替代品，其主要功能是原来由继电器所执行的顺序操作。这些操作包括机器的开/关控制，以及需要重复操作的过程。不久，可编程控制器就增加了内存和I/O的映像，后来又增加了计数器和定时器，使得PLC可以做许多复杂的预先*的工作。后来，PLC又增加了*内存或电池后备的内存，以及EEPROM的存储器，这样，即使掉电，用户的程序和数据也可以被保存。随后又发展了功能块等复杂功能。总之，这些可编程控制器的功能却在继电器的基础上大大地提高了，它们不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。
    尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，早就不可同日而语了，但PLC的一直保持了其较初设计的原则----那就是简单至上，无论是使用，还是维护。
    PLC的**个正式定义是1980年美国电气制造协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）作出的：可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
    1982年，国际电工**IEC(International Electrical Committee)颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了*二版，1987年的*三版对可编程控制器作了如下的定义：
    可编程控制器是一种能够直接应用于专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
    可见，PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而发展的。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。这些改变，包括硬件和软件的。
以下列出了PLC的硬件进展：
  * 采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；
  * 小型的、的ＰＬＣ，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力。
  * 高密度的Ｉ／Ｏ系统，以提供了节省空间的接口；
  * 基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块（如BASIC，PASCAL）等。
  * 包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。
  * 特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；
  * 外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。

    以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从较小的只有十个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。
    与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能：
  * PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工**的IEC61131-3的标准形成了多种语言；
  * 小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；
  * 高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性；
  * 梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；
  * 诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断；
  * 浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算；
  * 数据处理指令得到简化和改进，可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。
    可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。尽快PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与三十年**样那么容易操作。
PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造（CIM）系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。
    新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。
    软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。
    用户对于柔制造系统的需求将决定未来的控制哲学。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，**级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。

1.3 PLC的特点
    PLC发展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系统，包括DCS和通用计算机在内，所不及的一些特点。下面对这些特点做一个介绍：
1.3.1 可靠性
    可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
    a) 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。
    b) 可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。
    c) 可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境而设计的硬件使可靠性大大提高。
    d)可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的饿保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。
    一份用户选用PLC原因的调查指出，在各种选用PLC的原因中，**位的原因是由于可靠性高的，占93%，其次，才是性能和维修方面的原因。
1.3.2 易操作性
    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。采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业，使维修用备品备件简化等，也使维修工作变得方便。
1.3.3 灵活性
    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。
1.3.4 机电一体化
    为了使工业生产的过程的控制更平稳，更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化------仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件**地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，/CAM）之一。

    步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为"步距角")，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为**)的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用较为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数：
电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角'，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数'将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩（HOLDING TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
DETENT TORQUE：
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。
步进电机的一些特点：
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的较高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的较高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚**达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若**一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
步进电动机以其显着的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。   步进电机驱动器细分与不细分的不同 : 细分驱动精度高.细分是驱动器将上级装置发出的每个脉冲按驱动器设定的细分系数分成系数个脉冲输出.比喻步进电机每转一圈为200个脉冲,如果步进电机驱动器细分为32,那么步进电机驱动器需要输出6400个脉冲步进电机才转一圈.
在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的 电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，望广大用户一定要分清两者的本质不同：
1．“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。
2．电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。