《电气控制与PLC技术》课件第8章

第8章PLC系统设计与应用8.1PLC应用系统设计调试方法8.2降低PLC系统费用的方法8.3提高系统的可靠性8.4PLC的数据通信8.5高级应用程序的设计、调试经验与技巧8.6维修电工考证指导(高级工)——PLC部分小结思考与练习8.1PLC应用系统设计调试方法目前，PLC已广泛地应用在工业控制的各个领域，应用场合也多种多样。随着PLC自身功能不断增强，PLC应用系统越来越复杂，对PLC应用系统设计人员的要求也越来越高。PLC应用系统设计流程如图8.1所示，如果输入输出量较多，建议先作硬件设计，再作软件设计，这样有利于编程元件地址的统筹安排。下面按图8.1所示的流程对PLC应用系统的设计进行介绍。图8.1系统设计流程图8.1.1系统规划系统规划是应用系统设计的关键阶段。如果系统规划得不好，在应用系统设计和施工时就会遇到很多困难。下面讨论一些系统规划中的基本问题。

1)明确设计目的设计一个新系统，希望它能干什么?如果对现有的系统进行技术改造，它现在能干什么？改造完之后希望它能干什么？设计前先要明确这些问题。

2)详细了解系统的功能与要求应详细了解被控对象的全部功能。如：机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与连锁；系统要求哪些工作方式(如手动、自动、半自动、单步等)；设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系；PLC与其他智能设备(如别的PLC、计算机、变频器等)之间的关系；PLC是否需要通信联网，是否需要设置远程I/O；需要显示哪些数据及显示的方式；电源突然停电及紧急情况的处理；安全电路的设计；是否需要设置PLC之外的手动或机电连锁装置来防止危险的操作等。还应了解系统的运行环境、运行速度、加工精度、可重复性、成本的限制和工期要求等。可与该设备或系统有关的工艺、机械方面的技术人员、运行人员和维修人员进行交流，获得全面的信息。

3)查阅技术文档如果对现有设备进行改造，可以参阅有关的文件资料，如设计图、原理图和继电器电路图等，在设计新系统时可参考系统的工艺流程图、原理图和机械图等。8.1.2系统设计在完成系统规划的基础上进行系统设计。系统设计是指对控制系统总体方案的设计,主要解决人机接口和通信方面的问题。

1)人机接口的选择人机接口用于操作人员与PLC之间的信息交换。使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作为人机接口。PLC本身的数字输入和数字显示功能较差，可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示。为了减少占用的I/O点数，有的PLC厂家设计了有关的应用指令，如三菱FX系列PLC的7段显示指令、方向开关指令、16键输入指令、数字开关(即拨码开关)输入指令等。这些指令简化了编程，但是需要用户自制硬件。为了实现小型PLC的低成本数据输入和显示，有的PLC厂家推出了价格便宜的产品。如三菱公司的FX-1N-5DM微型显示模块可以监视和修改PLC的内部数据；西门子公司的TD200文本显示器可显示20个汉字或40个字符，可用编程软件方便地设置显示内容，可用它修改用户程序中的变量。对于要求较高的大中型控制系统，可选用较高档的操作员接口(或称可编程终端)，它们有的只能显示字符，有的可以显示单色或彩色的图形，有的带有触摸键功能(俗称触摸屏)。这些产品可用于工业现场，工作可靠，通过专用的组态软件，可以方便地生成各种画面，但是价格较高。计算机也可作为人机接口，普通台式机的价格便宜，但是对工作环境的要求较高，可在控制室内使用。如果要求将计算机安装在现场的控制屏内，一般应选用价格较高、使用液晶显示器的工业控制计算机，有的显示器也有触摸键功能。上位计算机的程序可以用VC、VB等软件来开发，也可以用组态软件来生成控制系统的监控程序。使用组态软件可以很容易地实现计算机与现场工业设备(如PLC)的通信，可生成用户需要的有动画功能的各种人机接口画面。组态软件入门很容易，但是其价格较高，一套软件只能使用一次。

2)系统的冗余设计某些生产过程必须连续不断地进行，因此要求控制装置有极高的可靠性，在PLC出现故障时，也不允许停止生产，这种系统可以使用有冗余控制功能的PLC。冗余控制系统一般采用两个或三个CPU模块，其中一个直接参与控制，其余的作为备用。参与控制的CPU出现故障时，立即投入备用CPU。为了进一步提高系统的可靠性，某些重要的I/O模块、通信模块和通信电缆也应采取冗余措施。8.1.3PLC及其组件的选型

1．PLC的型号选择在确定PLC的型号时，应考虑以下问题。

1) PLC的硬件功能开关量控制是PLC的基本功能，对于开关量控制系统，主要需考虑PLC的最大开关量I/O点数是否能满足系统的要求。某些系统对PLC的功能有特殊要求，如通信联网、PID闭环控制、快速响应、高速计数和运动控制等，模块式PLC应考虑是否有相应的特殊功能模块。有的整体式PLC集成有高速计数器、高速脉冲输出、模拟量调节电位器、脉冲捕捉、实时时钟和中断等功能。对于有模拟量输入/输出的系统，需要考虑PLC的最大模拟量I/O点数是否能满足要求，每个模块的点数和平均每点的价格。

2) PLC指令系统的功能对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC便可以满足要求。如果系统要求PLC完成某些特殊的功能，应考虑PLC的指令系统是否有相应的指令来支持。例如使用RS-232C通信方式时，需要对传送的数据按字节作求和校验或异或校验，应考虑是否有专用的求校验码的指令，如三菱FX系列的CCD指令。如果没有专用指令，则应考虑是否可以用通用指令来实现这一任务。

3) PLC物理结构的选择根据物理结构，可以将PLC分为整体式和模块式。整体式PLC每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式PLC。而模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式PLC。

4)确定输入/输出(I/O)点数

PLC的CPU模块型号的选择、I/O模块的数量和型号的选择都与输入/输出点数有很大关系。应确定哪些信号需要输入给PLC；哪些负载由PLC驱动；是开关量还是模拟量；是直流量还是交流量，以及电压的等级；是否有特殊要求，如快速响应等；并建立相应的表格。如果系统不同部分相互距离很远，可考虑使用远程。

5)估算需要的用户程序存储容量根据I/O点的点数和下面的经验数据可初步估算系统对PLC用户程序存储容量的要求。仅需开关量控制时，将I/O点数乘以8，就是所需存储器字数。仅有模拟量输入，无模拟量输出时，为每路模拟量准备100个存储器字。既有模拟量输入，又有模拟量输出时，为每路模拟量准备200个存储器字。有的PLC允许用存储器卡来增加用户存储器的容量。

2．I/O模块的选型

PLC的型号选好后，根据I/O表和可供选择的I/O模块的类型，可确定I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O点数一般应留有10%～20%的裕量，以备今后系统改进时使用。

1)开关量输入模块输入电压的选择开关量输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，在这种条件下交流输入触点的接触较为可靠。

2)开关量输出模块的选择继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。如某继电器型模块的最高工作电压为AC250V，可驱动2A的电阻性负载、80VA的电感性负载和100W的白炽灯。输出模块的输出电流额定值应大于负载电流的最大值，大多数模块对每组的总输出电流也有限制，如0.5A/点、0.8A/4点。选择I/O模块还需要考虑下面的问题。

(1)输入模块的输入电路应与外部传感器的输出电路的类型配合，使二者能直接相连。例如有的PLC的输入模块只能与NPN管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用NPN管发射极输出的传感器，则需要在二者之间增加转换电路。

(2) PLC的模拟量输入、输出是电压还是电流，变送器、执行机构的量程与模拟量输入、输出模块的量程是否匹配。模拟量模块的A/D、D/A转换器的位数反映了模块的分辨率，8位的分辨率低，价格便宜，12位的则反之。模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度。

(3)成本方面的考虑：选择某些高密度I/O模块(如32点开关量I/O模块)，可以降低系统成本，但是高密度模块一般用D型插座来连接I/O线，不如普通I/O模块的接线端子那样方便。

(4)响应时间和抗干扰能力：I/O模块有不同的响应时间和抗干扰能力。一般来说，更高的响应速度将会牺牲干扰抑制能力。如果高的响应速度不是必需的，选择有更高的干扰抑制能力但较慢的I/O模块将会更好。

(5)高速输入：高速计数器可对编码器提供的高速脉冲序列计数，可提供与PLC的扫描工作方式无关的高速输出。

3．模块式PLC的基板与模块的选择

(1)基板。模块式PLC通过基板将模块组成一个系统(称为机架)。选型时主要考虑基板支持的I/O模块数量。

(2)电源模块的选择。根据系统所选取的模块型号、数量和各模块对电源的需求，确定要求的电源供电容量和输出电压等级，在PLC可供选择的电源模块中选择电源模块的型号。

(3)通信模块。根据通信接口的点数、PLC和通信模块支持的通信距离、通信速率、有关的通信协议和标准来选择通信模块。8.1.4软、硬件的调试

1．系统硬件设计与组态

(1)给各输入、输出变量分配地址。因为梯形图中变量的地址与PLC的外部接线端子号是一致的，这一步为绘制硬件接线图做好了准备，也为梯形图的设计做好了准备。

(2)画出PLC的外部硬件接线图以及其他电气原理图和接线图。

(3)画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。

(4)在某些编程软件中，需要对模块式PLC的硬件组态，组态画面中的模块型号和安装位置应与实际的模块一样，此外还需要设置各模块的参数。有的模块需要用模块上的DIP开关来完成模块的硬件组态，如设置通信模块的地址和通信参数等。

2．软件设计

软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计等，小型开关量控制系统一般只有主程序。首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定用户程序的基本结构，画出程序流程图或开关量控制系统的顺序功能图。它们是编程的主要依据，应尽可能地准确和详细。较简单的系统的梯形图可以用经验法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。画出系统的顺序功能图后，根据它设计出梯形图程序。有的编程软件可以直接用顺序功能图语言来编程。在编程软件中，可给用户程序中的各个变量命名，变量名称可在梯形图中显示出来，便于程序的阅读和调试。变量名称的定义要简短、明确。

3．软件的模拟调试

设计好用户程序后，一般先做模拟调试。有的PLC厂家提供了在计算机上运行，可以代替PLC硬件来调试用户程序的仿真软件，例如西门子公司的与STEP7编程软件配套的S7-PLCSIM仿真软件、三菱公司的与SW3D5C-GPPW-C编程软件配套的SW3D5C-LLT-C仿真软件。在仿真时，按照系统功能的要求，将某些位输入元件强制为ON或OFF或改写某些元件中的数据，监视系统功能是否能正确实现。如果有PLC的硬件，可用小开关和按钮来模拟PLC实际的输入信号，例如用它们发出操作指令；或在适当的时候用它们来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。通过输出模块上各输出位对应的发光二极管，观察输出信号是否满足设计的要求。调试顺序控制程序的主要任务是检查程序的运行是否符合顺序功能图的规定。即在某一转换实现时，是否发生步的活动状态的正确变化：该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时，应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、顺序功能图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入信号与输出信号之间的关系完全符合要求。对于用经验法设计的电路或根据继电器电路图设计的电路，为了调试程序方便，有时需要根据用户程序画出对应的顺序功能图，用它来调试程序。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在编程软件中，可用梯形图来监视程序的运行。触点和线圈的ON/OFF状态用不同的颜色来表示，也可以用元件监视功能来监视、改写或强制感兴趣的编程元件。

4．硬件调试与系统调试

在对程序进行模拟调试的同时，可以设计、制作控制屏，PLC之外其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。完成控制屏内部的安装接线后，应对控制屏内的接线进行测试。可在控制屏的接线端子上模拟PLC外部的开关量输入信号，或操作控制屏面板上的按钮和指令开关，观察对应的PLC输入点的状态变化是否正确。用编程器或编程软件将PLC的输出点强制为ON或OFF，观察对应的控制屏内的PLC负载(如外部的继电器、接触器)的动作是否正常，或对应的控制屏接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。对于有模拟量输入的系统，可给控制屏内的变送器提供标准的输入信号，通过硬件调整或调节程序中的系数，使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的关系满足要求。在现场安装好控制屏后，接入外部的输入元件和执行机构。与控制屏内的调试类似，首先检查控制屏外的输入信号是否能正确地送到PLC的输入端，PLC的输出信号是否能正确操作控制屏外的执行机构。完成上述的调试后，将PLC置于RUN状态，运行用户程序，检查控制系统是否能满足要求。在调试过程中将暴露出系统中可能存在的硬件问题，以及梯形图设计中的问题，发现问题后在现场加以解决，直到完全符合要求。按系统验收规程的要求对整个系统进行逐项验收合格后，才能交付使用。

5．整理技术文件根据调试的最终结果整理出完整的技术文件并提供给用户，以便于今后系统的维护与改进。技术文件应包括：

(1) PLC的外部接线图和其他电气图纸。

(2) PLC的编程元件表，包括定时器、计数器的设定值等。

(3)带注释的程序和必要的总体文字说明。8.2降低PLC系统费用的方法

PLC在实际应用中经常会碰到两个问题：一是控制系统的输入信号太多，PLC的输入或输出点数不够，需要扩展，而PLC的每一个输入/输出点的平均价格都在百元以上，增加扩展单元，不仅使得设备的体积变大，而且投资也随之增加；二是已选定的PLC可扩展输入或输出点数有限，无法再增加，被迫提高PLC的档次。因此，在满足控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数，是降低系统硬件费用的主要措施。下面介绍几种常用的减少I/O点数的方法。8.2.1减少输入点数

1．分组输入一般控制系统都要设置“自动”和“手动”两种工作方式，自动程序和手动程序不会同时执行。可以将这两种工作方式分别使用的输入信号分成两组，如图8.2所示，S1～S8为“自动”输入信号，K1～K8为“手动”输入信号，两组输入信号共用PLC的输入点X400～X407。工作方式选择开关SA用来切换“自动”和“手动”信号的输入电路，并通过X410让PLC识别，从而选择执行自动程序或手动程序。图8.2分组输入图中二极管是为了防止出现寄生电路，从而使PLC产生错误的输入信号而设置的。假如没有这些二极管，系统处于自动状态，即SA在“自动”位置，若K1、K2、S1闭合，S2断开，这时将有电流从端子X401流出，经K2→K1→S1→COM形成寄生回路，使输入继电器X401接通。但是，这时S2并未闭合，所以是一个错误的输入信号。各开关串入二极管后，切断了寄生电流回路，避免了错误输入信号的产生。

2．矩阵输入将输入/输出进行矩阵连接，构成矩阵输入电路，可显著减少所需的PLC输入点数。图8.3是3 × 3矩阵式输入电路。用三个输出点(Y430、Y431、Y432)和三个输入点(X400、X401、X402)实现9个开关量输入设备的输入。图8.3矩阵式输入电路设输出模块为继电器输出型，工作时输出点Y430～Y432轮流导通，由输入端X400～X402分别输入3组开关的状态。输入X400～X402的公共端COM与输出Y430～Y432的公共端COM3连在一起。当输出点Y430接通时，读K1～K3的状态。如果K1闭合，电流从X400端流出，经D1→K1→Y430端子，再经Y430的输出触点从输出公共端COM3流出，最后流回输入公共端COM，使输入继电器X400接通。在梯形图中应将Y430的常开触点分别与X400～X402的常开触点串联，分别对应K1～K3的输入。Y431接通时，读入K4～K6的状态。Y432接通时，读入K7～K9的状态。图中二极管是用来切断寄生电路的。图8.4(a)是控制矩阵输入的梯形图。该程序采用移位寄存器来实现Y430、Y431、Y432轮流输出。移位寄存器的移位脉冲周期应大于PLC的扫描周期。由于输入信号是分时读入的，外部的连续信号读入后变成了一系列断续的脉冲信号(见图8.4(b))，设计程序时应注意这一问题。另外还应注意输入信号的宽度应大于Y430、Y431、Y432轮流导通一遍的时间，即大于矩阵输入的周期，否则可能丢失输入信息。输入矩阵的行数和列数越多，这种输入方式节约PLC输入点数的效果越明显。应当注意图中Y430～Y432已作为矩阵输入电路的组成部分，就不能再用它们去控制外部负载了。这种方法占用了输出点，只有在系统输出点富裕时才可能使用。图8.4矩阵输入的梯形图和波形图(a)梯形图；(b)波形图

3．组合输入对于不会同时接通的输入信号，可采用二极管组合编码的方式输入。如图8.5所示，三个输入信号K1、K2、K3只占用两个输入点，再通过PLC程序译码还原成与K1、K2、K3对应的M100、M101、M102三个信号。

4．输入设备的多功能化在传统的继电器电路中，一个主令电器(开关、按钮等)只产生一种功能的信号。而通过发挥PLC内部功能，以“软”代“硬”，可实现一个输入设备在不同条件下完成不同的功能，从而减少PLC的输入点数。例如普通的启保停电路需要启动和停止两个按钮，而图8.6所示的电路，用一个按钮通过X400输入就可以控制输出Y430的通与断。图中，当Y430断开时，按一下按钮，X400接通，M100产生窄脉冲，使Y430接通并保持，再按一下按钮，M100产生窄脉冲使M101接通，M101的常闭触点使Y430断开。图8.5组合输入图8.6用一只按钮控制的启保停电路

5．输入触点的合并修改外部电路，将某些功能相同的常闭触点串联或将常开触点并联后再输入PLC，这些信号就只占用PLC的一个输入点了。一些保护电路和报警电路就常常采用这种方式输入。

6．将某些输入信号设置在PLC之外系统中有些输入信号功能简单，涉及面窄，如某些手动操作按钮、电动机热继电器FR的常闭触点，没有必要作为PLC的输入，将它们设置在PLC之外的硬件电路中(如图8.7所示)同样可满足要求。但是某些手动按钮需要串接一些安全连锁触点，如果外部连锁电路过于复杂，则还是考虑将有关信号输入PLC，用软件实现连锁。图8.7输入信号设在PLC之外8.2.2减少输出点数

1．分组输出当两种负载不会同时工作时，可通过外部的或PLC控制的转换开关SA切换，PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载。如图8.8所示，KM1、KM3、KM5与KM2、KM4、KM6两组不会同时接通，用外部转换开关SA进行切换。

2．矩阵输出图8.9采用8个输出组成4 × 4矩阵，可接16个输出设备。要使某个负载接通工作，只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可。例如：要使负载KM1得电工作，必须控制Y430和Y434输出接通。因此，在程序中要使某一负载工作，必须使其对应的行列输出继电器都要接通，这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的负载。图8.8分组输出图8.9矩阵输出应当指出的是：只有某一行对应的输出继电器接通，各列对应的输出继电器才可任意接通；或者只有某一列对应的输出继电器接通，各行对应的输出继电器才可任意接通，否则将会出现负载错误接通。采用矩阵输出时，必须将同一时间段接通的负载安排在同一行或者同一列中，否则无法控制。

3．并联输出两个通/断状态完全相同的负载并联后，可以共用PLC的一个输出点。不过应注意，PLC输出点同时驱动多个负载时，要考虑PLC输出点是否有足够的带负载的能力。

4．负载的多功能化在继电器控制电路中，一个指示灯只能指示一种状态，而在PLC控制系统中，利用软件可实现一个输出点控制指示灯常亮或闪烁，显示两种不同的信息。

5．某些输出设备设置在PLC之外系统中某些相对独立的或比较简单的部分，可以直接用继电器电路控制，这样可减少所需PLC的输出点数。8.3提高系统的可靠性8.3.1运行环境的改善

PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，一般不需要采取特别措施，就可以直接在工业环境中应用。但是必须严格按照技术指标规定的条件使用，才能保证长期安全运行。同时还应考虑与PLC配合的外部电路的可靠性。

1．工作环境

(1)温度：0～55℃。

(2)湿度：相对湿度为85%以下(无结露)。

(3)振动和冲击：远离强烈振动、冲击场所。

(4)周围环境不能有灰尘、油烟、导电性粉尘、腐蚀性气体和可燃性气体。

(5) PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在控制柜内，PLC应远离强干扰源和动力线，如大功率晶闸管装置、高频焊机和大型动力设备等(二者之间的距离应大于200mm)。

2．改善环境条件的措施

1)改善温度条件的措施

(1)高温对策。如果控制系统周围温度超过极限温度(55℃)，必须采取下面的有效措施，迫使环境温度低于极限值。①盘柜内设置风扇或冷风机，通过滤网把自然风引入盘柜内。由于风扇寿命不长，必须和滤网一起定期检修。使用冷风机时注意不能结露。②把控制系统置于有空调的控制室内，不能直接放在阳光下。③控制器的安装要考虑通风，控制器的上下、左右、前后都要留有约50mm的空间距离，I/O模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风。④安装时要把发热体，如电阻器或交流接触器等远离控制器，或者把控制器安装在发热体的下面。

(2)低温对策。①盘柜内设置加热器，冬季时这种加热特别有效，可使盘柜内温度保持在0℃以上，或者在10℃左右。设置加热器时要选择适当的温度传感器，以保证能在高温时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。②停运时，不切断控制器和I/O模块电源，靠其本身的发热量维持其温度，特别是夜间低温时，这种措施是有效的。③温度有急剧变化的场合，不要打开盘柜的门，以防冷空气进入。

2)改善湿度条件的措施

(1)盘、柜设计成封闭型，并放入吸湿剂。

(2)把外部干燥的空气引入盘、柜内。

(3)印刷电路板上再覆盖一层保护层，如喷松香水等。

(4)在温度低、极干燥的场合进行检修时，人体尽量不接触模块，以防感应电损坏器件。

3)防振和防冲击措施

(1)如果振动来自盘、柜之外，可对相应的盘、柜采用防振橡皮，以达到减振的目的,亦可把盘、柜设置在远离振源的地方。

(2)如果振动来自盘、柜内，则要把产生振动和冲击的设备从盘、柜内移走。

(3)强固控制器或I/O模块印刷板、连接器等可产生松动的部件或器件，连接线也要固定紧。

4)改善周围环境空气条件的措施

(1)盘、柜采用封闭型结构。

(2)盘、柜内打入高压清洁空气，使外界不清洁空气不能进入盘、柜内部。

(3)印刷板表面涂一层保护层，如松香水等。上述种种措施都不能保证在任何情况下绝对有效，有时需要根据具体情况采用综合防护措施。8.3.2控制系统的冗余使用PLC构成控制系统时，虽然可编程控制器的可靠性和安全性高，但无论使用什么样的设备，故障总是难免的。某些过程控制系统，如化工、石油、造纸、冶金、核电站等工业部门中的某些系统，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统出现故障，由此引起的停产或设备损坏将造成极大的经济损失。为了保证控制系统的可靠性，一般可采用可靠性高的可编程控制器，并使其在允许的条件下工作。但仅仅通过提高控制系统硬件的可靠性，有时是满足不了控制系统可靠性要求的。因为PLC本身可靠性的提高有一定限度，并且可靠性的提高会使成本急剧增加。使用冗余系统或热备用系统的冗余设计是提高控制系统可靠性的有效措施。

1．冗余控制系统“冗余”意思是“多余的重复”。冗余系统的结构如图8.10所示。在冗余控制系统中，整个PLC控制系统(或系统中最重要的部分，如CPU模块)由两套完全相同的硬件组成。是否使用备用的I/O系统，取决于系统对可靠性的要求。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU。在系统正常运行时，由主CPU控制系统工作，备用CPU的I/O映像寄存器和其他寄存器通过RPU(冗余处理单元)被主CPU同步刷新，但备用CPU被禁止输出。当主CPU发出故障信息后，RPU在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用CPU，I/O系统的切换也是由RPU完成的。图8.10冗余系统

2．热备用系统热备用系统结构较简单，没有冗余处理单元RPU，其结构如图8.11所示。两台CPU用通信接口连在一起。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，并实现切换，其切换过程一般较慢。另外，在老系统改造的场合，原有的继电器控制盘最好不要立即拆除，应保留其原有的功能，以作为控制系统的后备手段使用。对于新建项目，就不必采用此方案。图8.11热备用系统8.3.3控制系统的供电电源是干扰PLC的主要途径之一，所以供电系统的设计直接影响控制系统的可靠性。下面介绍几种常用的供电措施。

1．使用隔离变压器分离供电如图8.12所示，控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。这样，当输入、输出供电中断时不会影响控制器的供电。注意应用带屏蔽层的隔离变压器，还可以在隔离变压器二次侧串接LC滤波电路，隔离变压器与PLC之间采用双绞线连接。系统动力线应足够粗，以降低大容量设备启动时引起的线路压降。外部输入电路用的外接直流电源最好采用稳压电源，那种仅将交流电压整流滤波的电源含有较强的纹波，可能使PLC接收到错误的信息。图8.12使用隔离变压器供电系统

2．使用UPS供电不间断电源UPS是电子计算机的有效保护装置，平时处于充电状态，当输入交流电(～220V)失电时，UPS能自动切换到输出状态，继续向系统供电。图8.13是使用UPS的供电示意图。根据UPS的容量，在交流失电后，可继续向控制器供电10～30分钟，因此对于非长时间停电的系统，其效果是显著的。

3．使用双路供电为了提高供电系统的可靠性，交流供电最好采用分别引自不同变电所的双路电源，当一路供电出现故障，能自动切换到另一路供电。图8.13使用UPS的供电系统8.3.4系统的抗干扰措施

1．合理布线

(1) I/O线与控制线应分开走线，并保持一定距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。

(2)交流线与直流线、输入线与输出线最好分开走线。

(3)开关量、模拟量I/O线最好也分开敷设。传送模拟信号最好采用屏蔽线，且屏蔽线的屏蔽层应一端接地。

(4) PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号电压低、频率高，很容易受干扰，不能与其他线敷设在同一线槽内。

2．PLC的接地良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，PLC控制系统的接地一般有图8.14所示的三种方法。PLC最好单独接地，如图(a)所示；如果做不到每个设备专用接地，也可以采用公共接地方式，如图(b)所示；但禁止采用如图(c)所示的串联接地方式，特别应该避免与电动机、变压器等动力设备串联接地，因为这种接地方式会产生PLC与设备之间的电位差。另外，PLC的接地还应注意：

(1)接地线应尽量粗，一般接地线截面应大于2mm2。

(2)接地点应尽量靠近PLC，接地点与PLC间的距离不大于50m。

(3)接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，尽量缩短平行走线长度。图8.14PLC的接地(a)单独接地；(b)公共接地；(c)串联接地

3．某些输入/输出电路的处理

1)两线式传感器输入的处理若PLC的输入设备采用接近开关、光电开关等这一类两线式传感器，它们的漏电流较大时，可能出现错误的输入信号。可以在输入端并联旁路电阻R，以减少输入电阻，如图8.15所示。旁路电阻R的阻值由下式确定：式中：I为传感器的漏电流，Ue、Ie分别为PLC的额定输入电压和额定输入电流，UL为PLC输入电压低电平的上限值。图8.15两线式传感器输入电路的处理

2)由晶体管提供输入信号的处理如果PLC输入信号由晶体管提供，则要求晶体管的截止电阻应大于10kΩ，导通电阻应小于800Ω。

3)感性输入/输出的处理

PLC的输入端或输出端常常接有感性元件。如果是直流感性元件，应在其两端并联续流二极管；如果是交流感性元件，应在其两端并联阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对PLC内部元件的影响。以上两种情况如图8.16所示，图中元件参数选择要适当，才能起到较好的效果。电阻值可以取51～120Ω；电容可以取0.1～1.47μF，电容的额定电压应大于电源峰值电压；续流二极管可选额定电流1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图8.16感性输入/输出电路的处理8.4PLC的数据通信8.4.1概述在工业生产过程中，有各种各样的控制要求。如在一个较大规模的检测与控制系统中常常有几十个、几百个甚至更多个被测和被控变量，若用一个可编程序控制器来实现，则在速度和容量上难以满足要求。有的被测和被控变量在地理位置上比较分散,若用一个可编程序控制器来完成，则要铺设大量长距离的输入、输出信号电缆。现代工业生产过程正在追求整体过程的综合自动化，即要求把过程控制自动化和信息管理自动化结合起来,显然这个控制要求单靠可编程序控制器是做不到的。面对复杂的控制要求，现在的可编程序控制器普遍融入网络技术。PLC网络包括PLC控制网络与PLC通信网络两种，人们常常不加以区分，把这两种PLC网络当成一回事，其实它们是不同的。

PLC控制网络是指只传送ON/OFF开关量，且一次传送的数据量较少的网络。例如PLC的远程I/O链路，通过Link区交换数据的PLC同位系统。这种网络的特点是尽管要传送的开关量远离PLC，但PLC对它们的操作，就像直接对自己的I/O区操作一样简单、方便、迅速。

PLC通信网络又称高速数据公路，这类网络既可传送开关量又可传送数字量，一次通信传送的数据量较大。这类网络的工作过程类似于普通局域网，比如A-B的DH+网，西门子的SINEC-Hl网，MODICON的Modbus+网等都属于PLC通信网络。随着通信技术的发展，PLC控制网络只传送开关量不传送数字量的限制被突破。其实开关量与数字量本身并没有界限，多位开关量并在一起就是数字量。因此这两种PLC网的本质区别在于：PLC通信网络的工作过程类似于普通局域网，PLC控制网络的工作过程就像PLC对自己I/O区操作一样。还需要说明的一点是：人们常把应用系统中的PLC网络控制系统称为PLC控制网络，这是针对应用而言的，与通信无关，一般不会造成混淆。

PLC网络中常用的通信方式有以下几种。

1．PLC控制网络的“周期I/O方式”通信可编程序控制器的远程I/O链路就是一种PLC控制网络，在远程I/O链路中采用“周期I/O方式”交换数据。远程I/O链路按主从方式工作，PLC带的远程I/O主单元在远程I/O链路中担任主站，其他远程I/O单元皆为从站。在主站中设立一个“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，划分为n个分箱与每个从站一一对应，每个分箱再分为两格，一格管发送，一格管接收。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据送入从站，从从站中读取数据放入与其对应的分箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性的刷新。在主站中PLC的CPU单元负责用户程序的扫描，它按照循环扫描方式进行处理，每个周期都有一段时间集中进行I/O处理，这时它对本地I/O单元及远程I/O缓冲区进行读写操作。PLC的CPU单元对用户程序的周期性循环扫描，与PLC负责通信的处理器对各远程I/O单元的周期性扫描是异步进行的。尽管PLC的CPU单元没有直接对远程I/O单元进行操作，但是由于远程I/O缓冲区获得周期性的刷新，PLC的CPU单元对远程I/O缓冲区的读写操作就相当于直接访问了远程I/O单元。主站中负责通信的处理器采用周期扫描方式与各从站交换数据，使主站中“远程I/O缓冲区”得到周期性刷新，这样一种通信方式既涉及到周期又涉及到I/O，因而被称为“周期I/O方式”。这种通信方式要占用PLC的I/O区，因此只适用于少量数据的通信。从表面看来，远程I/O链路的通信就好像是PLC直接对远程I/O单元进行读写操作，因此简单、方便。

2．PLC控制网络的“全局I/O方式”通信全局I/O方式是一种串行共享存储区通信方式，它主要用于带有链接区的PLC之间的通信。全局I/O方式的通信原理如图8.17所示。图8.17全局I/O方式的通信原理在PLC网络的每台PLC的I/O区中各划出一块来作为链接区，每个链接区都采用如图8.17所示的邮箱结构。相同编号的发送区与接收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其他皆为接收区。采用广播方式通信。PLC1把1#发送区的数据在PLC网上广播，PLC2、PLC3收听到后把它接收下来存入各自的1#接收区中。PLC2把2#发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC3把它接收下来存入各自的2#接收区中。PLC3把3#发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC2把它接收下来存入各自的3#接收区中。显然，通过上述广播通信过程，PLC1、PLC2、PLC3的各链接区中的数据是相同的，这个过程称为等值化过程。通过等值化通信使得PLC网络中的每台PLC的链接区中的数据保持一致。它既包含着自己送出去的数据，也包含着其他PLC送来的数据。由于每台PLC的链接区大小一样，占用的地址段相同，每台PLC只要访问自己的链接区，就等于访问了其他PLC的链接区，也就相当于与其他PLC交换了数据。这样链接区就变成了名符其实的共享存储区，共享区成为各PLC交换数据的中介。当然，这里的共享存储区与并行总线的共享存储区在结构上有些差别，它把物理上分布在各站的链接区，通过等值化通信使其好像重叠在一起，在逻辑上变成一个存储区，大小与一个链接区一样。这种共享存储区称为串行共享存储区。链接区可以采用异步方式刷新(等值化)，也可以采用同步方式刷新。异步方式刷新与PLC中用户程序无关，由各PLC所带的通信处理器按顺序进行广播通信，周而复始，使其所有链接区保持等值化。同步方式刷新是由用户程序中对链接区的发送指令启动一次刷新。这种方式只有当链接区的发送区数据变化时才刷新(等值化)，这样事半功倍。全局I/O方式中的链接区是从PLC的I/O区划分出来的，经过等值化通信变成所有PLC共享(全局共享)，因此称为“全局I/O方式”。这种方式下，PLC直接用读写指令对链接区进行读写操作，简单、方便、快速。但应注意，在一台PLC中对某地址的写操作在其他PLC中对同一地址只能进行读操作。与周期I/O方式一样，全局I/O方式也要占用PLC的I/O区，因而只适用于少量数据的通信。

3．主从总线1∶N通信方式(PLC通信网络)主从总线通信方式又称为1∶N通信方式，这是在PLC通信网络上采用的一种通信方式。在总线结构的PLC子网上有N个站，其中只有1个主站，其他皆是从站。主从总线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表法。所谓轮询表是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列顺序对从站进行询问，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使用权的目的。为了保证实时性，要求轮询表包含每个从站号不能少于一次，这样在周期轮询时，每个从站在一个周期中至少有一次机会取得总线使用权，从而保证了每个站的基本实时性。对于实时性要求比较高的站，可以在轮询表中让其从机号多出现几次，这样就用静态的方式赋予该站较高的通信优先权。在有些主从总线中把轮询表法与中断法结合使用，让紧急任务可以打断正常的周期轮询而插入，获得优先服务，这就是用动态方式赋予某项紧急任务以较高优先权。存取控制只解决了谁使用总线的问题，获得总线的从站还有如何使用总线的问题，即采用什么样的数据传送方式。主从总线通信方式中有两种基本的数据传送方式：一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中转；另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得总线使用权后先安排主从通信，再安排自己与其他从站(即从从)之间的通信。

4．令牌总线N∶N通信方式(PLC通信网络)

令牌总线通信方式又称为N∶N通信方式。在总线结构上的PLC子网上有N个站，它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说每个站都是主站，所以称之为N∶N通信方式。

N∶N通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。取得令牌的站采用什么样的数据传送方式对实时性影响非常明显。如果采用无应答数据传送方式，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了。如果采用有应答数据传送方式，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把应答帧发给发送站后，整个通信过程才结束。这样一来响应时间明显增长，而使实时性下降。有些令牌总线型PLC网络的数据传送方式固定为一种，有些则可由用户选择。

5．浮动主站N∶M通信方式(PLC通信网络)浮动主站通信方式又称N∶M通信方式，它适用于总线结构的PLC网络。设在总线上有M个站，其中N个为主站，其余为从站(N<M)，称之为N∶M通信方式。

N∶M通信方式采用令牌总线与主从总线相结合的存取控制技术。首先把N个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在N个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。获得总线使用权的主站再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。一般在主站中配置有一张轮询表，可按轮询表上排列的其他主站号及从站号进行轮询。获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。获得总线使用权的主站可以采用多种数据传送方式与目的站通信，其中以无应答无连接方式速度最快。

6．令牌环通信方式(PLC通信网络)有少量的PLC网络采用环形拓扑结构，其存取控制采用令牌法，具有较好的实时性。图8.18表示了令牌环通信方式的工作过程及其帧结构。在图8.18中，令牌在物理环中按箭头指向，一站接一站地传送，获得令牌的站才有权发送数据。设B站要向D站发送数据。当令牌送到B站时，B站把令牌变为暂停位，然后把待发送数据按图8.18所示的格式加在暂停位后面从B站发送出去，最后再加上令牌一起发往C站。此帧信息经C站中转后到达D站，D站把自己的本站地址与帧格式中目的地址相比较，发现两者相同，表明此帧信息是发给D站的，然后对此帧信息做差错校验，并把校验结果以肯定应答或否定应答填在ACK段中，同时把此帧信息复制下来，再把带有应答的帧继续向下传送，经A站中转到达B站。B站用自己的本站地址与帧中源地址相比较，发现两者相同，表明此帧是自己发出的，再检查ACK段，若为否定应答，要组织重发；若为肯定应答，则把此帧从环上吸收掉，只剩下令牌在环中继续流动。在图8.18的帧格式的最后为一令牌，因而当某站获得此令牌后也同样可发送数据，把此令牌变为暂停位，后面带上发送的帧，最后再加上令牌，这时的帧格式就变成两个暂停位、两帧，再加令牌，其传送过程与一帧相似，这里不再重复。从上述传送过程可见，令牌环通信方式采用的是有应答数据传送方式。图8.18令牌环通信方式工作过程及其帧结构

7．CSMA/CD(Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDetection)通信方式这是一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC网络，总线上各站地位平等，没有主从之分。采用CSMA/CD存取控制方式，该控制方式用通俗的语言描述为“先听后讲，边讲边听”。所谓先听后讲是指要求使用总线的各站，在发送数据之前必须先监听，看看总线是否空闲，确认总线空闲后再向总线发送数据。“先听后讲”并不能完全避免冲突，如果仍发生了冲突，则不能等到差错校验时再发现，这样对通信资源浪费太严重，而要采用“边讲边听”。发送数据的站，一边发送，一边监听，若发现冲突，立即停止发送，并发出阻塞音，通知网上其他站发生了冲突，然后冲突双方采用取随机数代入指数函数的退避算法来决定重新上网时间，解决冲突。

CSMA/CD存取控制方式不能保证在一定时间周期内，PLC网上每个站都可获得总线使用权，也不能用静态方式赋予某些站以较高优先权，不能用动态方式赋予某些紧急通信任务以较高优先权，因此这是一种不能保证实时性的存取控制方式。但是它采用随机方式，方法本身简单，而且见缝插针，只要总线空闲就抢着上网，通信资源利用率高，因而在PLC网络中CSMA/CD通信法适合用于上层生产管理子网。

CSMA/CD通信方式的数据传送方式可以选用有连接、无连接、有应答、无应答及广播通信中的任一种，这可按对通信速度及可靠性的要求取舍。

8．多种通信方式的集成在新近推出的一些现场总线中，常常把多种通信方式集成配置在某一级子网上。从通信方法上看，都是一些原来常用的，但如何自动地从一种通信方式切换到另一种，如何按优先级调度，则成为多种通信方式集成的关键。现在的可编程序控制器普遍具备多种数据通信接口和较为完善的数据通信能力，使可编程序控制器能与远程输入/输出单元进行通信，构成下位连接系统；使可编程序控制器能与同类型的可编程序控制器进行通信，构成同位连接系统；使可编程序控制器能与上位计算机进行通信，构成上位连接系统。图8.19是FX系列PLC的网络与数据通信接口示意图。图8.19FX系列PLC的网络与数据通信接口示意图

1) RS-232C通信用功能扩展板与通信模块

RS-232C的传输距离为15m，最大传输速率为19200b/s。FX系列PLC可通过专用协议或无协议方式与各种RS-232C设备通信，可连接外部编程工具或图形操作终端(GOT)。

FXlN-232-BD和FX2N-232-BD通信用功能扩展板的价格便宜，可安装在FX系列PLC的内部，通信的双方没有光电隔离。

FX2N-232IF是RS-232C通信接口模块，有光电隔离，可用于FX2N和FX2NC。通信中可指定两个或更多的起始字符和结束字符。收发信息时进行十六进制数和ASCII码之间的自动转换，数据长度大于接收缓冲区的长度也可以连续接收。FX2N-232ADP是RS-232C适配器，可用于各种FX系列PLC。

FX2N-232AWC和FX2N-232AW是带光电隔离的RS-232C和RS-422转换接口，以便于计算机和其他外围设备连接到FX系列的编程器接口上。

2) FXlN-422-BD/FX2N-422-BD通信用功能扩展板它们用于RS-422通信，可用作编程工具的连接端口，无光电隔离，使用编程工具的通信协议。

3) RS-485通信用适配器与通信用功能扩展板

FX1N-485BD/FX2N-485-BD是RS-485通信用的功能扩展板，前者为半双工，后者为全双工。传输距离为50m，最大传输速率为19200b/s，N∶N网络可达38400b/s。

FXlN-485ADP是RS-485光电隔离型通信适配器，最大传输速率为19200b/s，N∶N网络可达38400b/s，传输距离为500m，可用于各种系列的FX系列PLC。

FX-485PC-IF是RS-232C和RS-485转换接口，用于计算机与FX系列PLC的通信。一台计算机最多可与16台PLC通信。8.4.2下位连接系统下位连接系统是可编程序控制器主机通过串行通信连接远程输入/输出单元，实现远距离的分散检测与控制的系统。不同型号的可编程序控制器可以连接的远程输入/输出单元的数量是不一样的，应该根据实际应用要求进行选择。系统中的主机和远程输入/输出单元是制造商配套提供的。主机与远程输入/输出单元的连接主要有连接电缆或光缆，相应的通信接口是RS-422A(或RS-485)或光纤接口。当采用光纤系统传输数据时，可以实现数据通信的远距离、高速度和高可靠性。系统的连接形式一般为树形结构，如图8.20所示。图8.20下位连接系统主机是系统的集中控制单元，它负责整个系统的数据通信、信息处理和协调各个远程输入/输出单元的操作；远程输入/输出单元是系统的分散控制单元，它们在主机的统一管理下，完成各自的输入/输出任务。远程输入/输出单元有两种类型：一种是非智能型的，它是主机扩展形式的远程输入/输出单元，它的输入/输出任务完全受主机控制；另一种是智能型的，它是主机终端形式的远程输入/输出单元，用户可以对它编写自己的应用程序，它的输入/输出任务受内部的用户程序和外部的主机信息的共同控制。系统的通信控制程序由生产厂编制，并安装在主机和远程输入/输出单元中。用户只要根据系统要求，设置远程输入/输出单元地址和编制用户的应用程序即可使系统运行。由于远程输入/输出单元可以就近安装在被测和被控对象的附近，从而大大地缩短了输入/输出信号的连接电缆。因此下位连接系统特别适合于地理位置比较分散的控制系统，如生产流水线上各工序的控制。8.4.3同位连接系统同位连接系统是可编程序控制器通过串行通信接口相互连接起来的系统。系统中的可编程序控制器是并行运行的，并通过数据传递相互联系，以适应大规模控制要求。同位连接系统常采用总线形结构，如图8.21所示。图8.21同位连接系统在同位连接系统中，各个可编程序控制器之间的通信一般采用RS-422A(或RS-485)接口或光缆接口。互连的可编程序控制器最大允许数量随可编程序控制器的类型不同而变化。系统所用的可编程序控制器一般是同一厂商的同一系列的产品。系统内的每个可编程序控制器都有一个唯一的系统识别单元号，号码从0开始顺序设置。在各个可编程序控制器内部都设置了一个公共数据区，用作通信数据的缓冲区。可编程序控制器系统程序中的通信程序把公共数据区的发送区数据发送到通信接口上，并且把通信接口上接收到的数据放入公共数据区的接收区中。对用户来讲，这个过程是透明的，自动进行的，不需要用户应用程序干预。用户应用程序中，只需编制把发送的数据送入公共数据区的发送区和从公共数据区的接收区读取接收的数据的程序，即可实现可编程序控制器之间信息的相互传递，完成整个系统的数据通信。公共数据区如图8.22所示。图8.22公共数据区8.4.4上位连接系统上位连接系统是一种自动化综合管理系统。上位计算机通过串行通信接口与可编程序控制器的串行通信接口相连，对可编程序控制器进行集中监视和管理，从而构成集中管理、分散控制的分布式多级控制系统。在这个系统中，可编程序控制器是直接控制级，它负责现场过程的检测与控制，同时接收上位计算机的信息和向上位计算机发送现场控制信息。上位计算机是协调管理级，它要与三个方面：下位直接控制级、自身的人机界面和上级信息管理级进行信息交换。它是过程控制与信息管理的结合点和转换点，是信息管理与过程控制联系的桥梁。上位连接系统如图8.23所示。图8.23上位连接系统上位计算机与可编程序控制器的通信一般采用RS-232C或RS-422A(或RS-485)接口。当用RS-232C通信接口时，一个上位计算机只能连接一台可编程序控制器；若连接多台可编程序控制器，则要加接RS-232C/RS-422A或RS-485转换装置。上位计算机与可编程序控制器的数据通信格式目前还没有统一的标准，不同厂商的可编程序控制器都有自己的通信格式。通常，可编程序控制器上的通信程序由制造商编制好，并作为系统程序，按控制和通信的要求提供。对于上位计算机中的通信软件，有的以通信驱动程序的形式提供，用户只要在上位计算机应用软件平台中调用即可完成与直接控制级的通信。有的则提供通信格式说明文件的形式，用户应根据它的内容编制相应的通信程序，并嵌入用户的应用软件平台。上位计算机与信息管理计算机的通信一般采用局域网。上位计算机通过通信网卡与信息管理级的其他计算机进行信息交换。网络管理软件是应用软件，上位计算机只要在应用软件平台中调用它即可完成网络的数据通信。8.4.5现场总线在PLC中的应用

1．现场总线概述现场总线(Fieldbus)是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线技术将通用或专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们具有数字计算和数字通信能力，采用一定的通信介质作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应实际需要的自控系统。简而言之，它把分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统。现场总线将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)。FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。

2．现场总线的发展现状

(1)多种总线共存。现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型以及其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求为：过程自动化15%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP)，医药领域18%(FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP)，加工制造15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet)，交通运输15%(PROFIBUS-DP、DeviceNet)，航空、国防34%(PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet)，农业未统计(P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet)，楼宇未统计(LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet)。由此可见，随着时间的推移，占有市场80%左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确，如FF、PROFIBUS-PA适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，PROFIBUS-DP、DeviceNet适用于加工制造业，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet适用于楼宇、交通运输、农业。但这种划分又不是绝对的，相互之间又互有渗透。

(2)总线应用领域不断拓展。每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如Profibus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。

(3)不断成立总线国际组织。大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。如WorldFIP国际用户组织、FF基金会、Profibus国际用户组织、P-Net国际用户组织及ControlNet国际用户组织等。

(4)每种总线都以企业为支撑。各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如Profibus以Siemens公司为主要背景，ControlNet以Rockwe11公司为主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司为主要背景。

(5)一个设备制造商参加多个总线组织。大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2～4个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。

(6)各种总线相继成为自己国家或地区标准。每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况是：P-Net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170。其他总线也都成为各地区的技术规范。

(7)在竞争中协调共存。协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧洲标准EN50170在制定时，将德、法、丹麦3个标准并列于一卷之中，形成了欧洲的多总线的标准体系，后又将ControlNet和FF加入欧洲标准的体系。各重要企业除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其他总线相连接，如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的局面。

(8)以太网成为新热点。以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如Siemens、Rockwell、GE-Fanuc等，他们除了销售各自PLC产品，同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。FF现场总线正在开发高速以太网，这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位。

3．CC-Link现场总线融合了控制与信息处理的现场总线CC-Link(Control＆CommunicationLink)是一种省配线、信息化的网络，它不但具备高实时性、分散控制、与智能设备通信、RAS等功能，而且依靠与诸多现场设备制造厂商的紧密联系，提供开放式的环境。三菱Q系列PLC的CC-Link模块QJ61BTll，在继承A/QnA系列特长的同时，还采用了远程设备站初始设定等方便的功能。为了将各种各样的现场设备直接连接到CC-Link上，与国内外众多的设备制造商建立合作伙伴关系，使用户可以很从容地选择现场设备，以构成开放式的网络。2000年10月，Woodhead、Contec、Digital、NEC、松下电工、三菱等6家常务理事公司发起，在日本成立了独立的非盈利性机构“CC-Link协会”(CC-LinkPartnerAssociation，CLPA)，旨在有效地在全球范围内推广和普及CC-Link技术。到2001年12月，CLPA成员数量为230多家公司，拥有360多种兼容产品。

1) CC-Link系统的构成

CC-Link系统只设立1个主站，可以连接远程I/O站、远程设备站、本地站、备用主站、智能设备站等总计64个站。CC-Link站的类型如表8.1所示。表8.1CC-Link站的类型

CC-Link系统可配备多种中继器，可在不降低通信速度的情况下，延长通信距离，最长可达13.2km。例如，可使用光中继器，在保持10Mb/s通信速度的情况下，将总距离延长至4300m。另外，T型中继器可完成T型连接，更适合现场的连接要求。

2) CC-Link的通信方式

(1)循环通信方式。CC-Link采用广播循环通信方式。在CC-Link系统中，主站、本地站的循环数据区与各个远程I/O站、远程设备站、智能设备站相对应，远程输入/输出及远程寄存器的数据将被自动刷新。而且，因为主站向远程I/O站、远程设备站、智能设备站发出的信息也会传送到其他本地站，所以在本地站也可以了解远程站的动作状态。

(2) CC-Link的链接元件。每一个CC-Link系统可以进行总计4096点的位，加上总计512点的字的数据的循环通信，通过这些链接元件以完成与远程I/O、模拟量模块、人机界面、变频器等FA(工业自动化)设备产品间高速的通信。

CC-Link的链接元件有远程输入(RX)、远程输出(RY)、远程寄存器(RWw)和远程寄存器(RWr)四种，如表8.2所示。远程输入(RX)是从远程站向主站输入的开/关信号(位数据)；远程输出(RY)是从主站向远程站输出的开/关信号(位数据)；远程寄存器(RWw)是从主站向远程站输出的数字数据(字数据)；远程寄存器(RWr)是从远程站向主站输入的数字数据(字数据)。表8.2链接元件一览表

(3)瞬时传送通信。在CC-Link中，除了自动刷新的循环通信之外，还可以使用不定期收发信息的瞬时传送通信方式。瞬时传送通信可以由主站、本地站、智能设备站发起，可以进行以下的处理：①某一PLC站读写另一PLC站的软元件数据。②主站PLC对智能设备站读写数据。③用GX