可编程控制器原理与应用

    为贯彻落实教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》和《教育部关
于以就业为导向深化高等职业教育改革的若干意见》的精神，加强教材建设，确保教材质
量，中国电力教育协会组织制订了普通高等教育“十一五”教材规划。该规划强调适应不同
层次、不同类型院校，满足学科发展和人才培养的需求，坚持专业基础课教材与教学急需的
专业教材并重、新编与修订相结合。本书为新编教材。
    可编程控制器(简称PLC)是20世纪60年代以来发展极为迅速的一种新型工业控制装
置。现代PLC是一种很有特色和发展前途的、以计算机为核心的新型通用工业控制装置。
它不仅可以取代由大量继电器、接触器等组成的传统的继电一接触器控制系统，还可以构成
复杂的工业过程控制网络，目前在各行各业中得到广泛的应用。PLC的应用深度和广度已
成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
    本书是以OMRON公司2006年*新问世的CPiH系列XA型PLC为主要对象来组织
各章节的内容。CPlH系列PLC为小型机，该机凝聚了多种功能：内藏模拟量输入输出功
能(4CH输入、2CH输出)、4轴高速计数器功能、4轴高速脉冲输出功能、串行通信功能
(RS232C和RS485两个端口可自由选择)，具有很高的性能价格比，目前工业控制领域已经
大面积使用，并在很多方面正在取代原来的机型。本书在编写过程中，注意理论联系实际。
在介绍PLC硬件原理和软件编程知识的基础上，注意语言通俗，分析问题透彻，以使对计
算机不很熟悉的读者也能读懂。
    全书共7章。第1章为可编程控制器基础，主要介绍PLC的基本概念和基本原理，由屈
虹编写；第2章为CPIH系列PLC，主要阐述了CPlH系列PLC的硬件原理与配置、各单元
功能以及应用，由戚卫峰编写；第3章为CPIH系列PLC的指令系统，主要介绍了CPIH系
列PLC的基本指令、数据操作指令、常用控制等指令，并通过实例介绍了常用指令的应用，
由屈虹、王崇韫编写；第4章为PLC控制系统的设计，该章介绍了几种常用的设计方法，根
据控制实例介绍如何应用PLC对系统进行设计，介绍了PLC设计的基本原则、步骤等基本知
识，由蒋文平编写；第5章为编程工具及其使用，较详细介绍了OMRON公司的编程软件CX-
One的编程操作，由易生虎编写；第6章为OMRON PLC通信网络技术，由易生虎编写；第7
章为OMRON触摸式可编程终端，介绍了OMRON公司*新的可编程终端一NS的基本知识
和使用方法，由易生虎编写。本书由河北建筑工程学院的范永胜审稿。
    本书在编写过程中得到了OMRON公司技术人员王崇韫、戚卫峰、易生虎的热心指导
和参与编写，正是由于他们的热情支持，才使本书的编写和出版得以顺利完成，在此向他们
表示崇高的敬意和衷心的感谢。
    由于本书编者水平所限，加上编写时间紧迫，书中难免存在着一些疏漏和错误，恳请读
者批评指正。
    编者
        2007年11月
 第6章  oMRoN PLC通信网络技术
    企业在一定的深度和广度上利用计算机技术、网络技术和数据库技术，集成化控制和管
  理企业的生产、经营、管理等各个领域的所有信息称之为企业信息化。企业信息化不仅要渗
  透到企业的每个角落，而且还要将这些“信息孤岛”连成一个有机整体，形成多方面、多层
  次的信息系统，同时建立或改造企业的信息组织机构，使企业的信息资源得到有序、规范的
  利用和流通，易于存取和共享，为企业的生产、经营、产品开发及领导决策服务。而作为企
  业信息化的前沿——工厂自动化(Factory Automation，FA)是摆在工业自动化领域工程技
  术人员面前的一项时代的课题。
    本章将以OMRON PLC为例，介绍可编程控制器的通信技术、OMRON串行通信方式
  以及三层网络及其互连技术。
    工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产
过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确
保安全等目的综合性高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。无论高速大批量
制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。近年来，随着
  控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟
  通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各
  个层次。从功能结构上来看(见图6—1)，工业自动化可以划
  分为企业管理决策系统层(ERP)、生产执行系统层(MES)、
  过程控制系统层(PCS)三层结构和计算机支撑系统(企业网
  络、数据库)，并实现系统集成，从而实现企业的物流、资金
流、信息流的集成，提高企业竞争力。下面着重讨论与工厂
  自动化紧密相关的过程控制系统层。
    过程控制系统是控管一体化的工厂自动化网络，主要实现设备管理、过程控制、业务管
  理和执行三个方面的功能。
    1．设备管理
    设备管理能力是指对运行的现场设备进行在线的监测和诊断。现场设备不仅包括变送
  器、阀门、分析仪器和其他现场仪表，还包括一些旋转设备，如泵和电机。经过管理软件的
  处理，能够对设备进行组态和标定、自动存档、及时诊断和预测潜在的故障。所有这些任务
  都不需到环境恶劣或危险的现场进行，只需在控制室、维护车间或网络的任意节点上即可轻
  松完成。
    2．过程控制    ．
    过程控制系统不仅能有效和可靠地完成各种控制任务，覆盖常规DCS／PLC的所有功
 能，还能实现“任意地点的控制”，即用户能够把控制功能安装到现场设备或系统中
执行。
    3．业务管理和执行   
    对一个企业而言，仅仅具备过程控制和设备管理是不够的，还必须对企业的各个环
节，从定单处到生产计划及财务审查进行全方位的管理。这些都是业务管理的内容。在
过程管理和业务管理的信息集成方面，通过遍及企业内部的工业标准数字通信网络及
OPC服务器，其网络结构涵盖了从设备层到工厂和业务系统的各个层次，包括过程的优
化、维护管理、资源分配和其他企业管理任务。将过程控制系统独立出来就构成了工业
自动化领域的前沿——工厂自动化，它是指利用自动装置或系统控制来管理生产设备及生
产过程。
    随着计算机技术特别是计算机网络技术和通信理论的发展
和广泛应用，工厂自动化技术朝着有通信功能的局部网络
(Factory LAN)的方向发展，形成了工厂自动化网络——FA。
按照工业自动化结构的划分模式，根据FA的特点也将其划分
为三层网络结构，自下而上分别为：处于设备监控管理的设备
层网络——现场总线、处于过程控制管理的控制层网络和处于
信息管理层的以太网，如图6—2所示。
    1_现场总线的概念
    现场设备层的主要功能：一，连接现场设备(现场设备包括分布式I／0、传感器、驱动
器、执行机构和开关设备等)；二，完成现场设备的控制、设备问的联锁控制、对设备的监
视和维护以及信息的实时采集等。应用到设备层网络的技术就是目前普遍流行的现场总线
技术。
    现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场
自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术，也被称为开放式、数
字化、多点通信的底层控制网络。基于这项技术的自动化系统称为FCS(Fieldbus Control
 System)。
    2．现场总线的特点
    相对于集散控制系统(DCS)和传统的PLC一对一或者一对多的通信模式，FCS具有
如下特点：
    (1)系统具有开放性、互操作性和互换性。由于现场总线主导协议公开，不同厂家产品
只要是使用同一总线标准，就具有良好的互换性，通信协议遵从相同的标准，设备之问可以
实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统(如即使对
于损坏的设备，也可以用具有相同标准现场总线但不是同一厂家的设备进行更换)，给企业
的设备维护和工程改造优化带来了前所未有的便利性。
    (2)系统具有高度的智能自治性。应用现场总线技术，要求现场设备是带有通信接口的
智能化(可编程或可参数化)设备。系统可将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功
能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的
 运行状况。然后通过总线传送到远程的主站设备进行利用、分析和协调处理。
    (3)系统可靠性高、可维护性好。现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化
了系统结构，特别对于大规模I／O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，提高了
可靠性。并且由于现场总线是数字化通信网络，减少了干扰的可能性；同时，系统具有现场
级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化
工作，增强了系统的可维护性。
    (4)可节省成本。由于现场总线结构简化，不再需要DCS系统的信号调理、转换隔离
等功能单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。
对于大范围、大规模I／O的分布式系统而言，省去了大量的电缆、I／O模块及电缆敷设工程
费用，降低了系统及工程成本。
6．1．2控制层网络
    控制层网络处于工业自动化三层网络的中间层，主要提供处于基于底层设备之上的中间
控制器之间的连接和数据的传输与交换，并提供对底层设备网的接口和对上层信息网的
连接。
    目前比较流行的工厂自动化控制层网络主要有Rockwell公司的Control Net和OMRON
公司的Controller Link。下面着重介绍OMRON公司的Controller Link网络。
    Controller Link网络是OMRON公司提供的FA领域用于在PLC与PLC之间、计算
机和PLC问进行大容量数据共享交换的网络，它可用于OMRON各种型号(譬如
CPlH、CJl／CJlM、CSl系列)PLC间以及和计算机之间简单灵活地进行数据传递。
Controller Link支持数据链接、数据共享和信息通信。该网络采用屏蔽双绞线电缆或光
纤连接，*大传输距离随波特率而变，在采用两层中继器的情况下，波特率在
500Kbit／s时，传输距离可达3km，如果采用光纤作为传输介质，则*远可达30km，
*大支持62个节点。
    Controller Link网络是一种使用令牌总线或令牌环方式通信的网络，网络的连接可以是
总线结构和环形结构。其中总线型拓扑结构具有*大的灵活性，易于扩充和维护，满足系统
可扩展性的需求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller Link网络不会因某个站
点故障而崩溃，提高了系统的稳定性。
6．1．3信息管理层网络
    信息管理层网络处于FA三层网络的*上层，管理层网络作为工厂主网的一个子
网，通过交换机、路由器等网络通信设备连接到工厂主网，并且将车间等现场的各种
实时数据传输给管理层的服务器，以便进行汇总、分析并根据现场实时情况产生相应
的决策。
    信息管理层网络通常采用符合IEC802．3标准的以太网，它适应对时间要求不太苛刻，
且数据量大、传输速度快的通信场合。
    OMRON公司的CSl、CJl以及CPI系列PLC具有强大的以太网通信功能，*新一代
Ethernet通信模块支持TCP／IP、FINS(Factory Information Network System)协议、
UDP／IP的Socket服务、Email服务以及SNTP和FTP服务等，主要采用CSMA／CD介质
访问方法。一个典型的三层网络拓扑结构如图6—3所示。