Programmable Logic Controller
ONE：PLC overview
Programmable controller is the first in the late 1960s in the United States, then called PLC programmable logic controller (Programmable Logic Controller) is used to replace relays. For the implementation of the logical judgment, timing, sequence number, and other control functions. The concept is presented PLC General Motors Corporation. PLC and the basic design is the computer functional improvements, flexible, generic and other advantages and relay control system simple and easy to operate, such as the advantages of cheap prices combined controller hardware is standard and overall. According to the practical application of target software in order to control the content of the user procedures memory controller, the controller and connecting the accused convenient target.
In the mid-1970s, the PLC has been widely used as a central processing unit microprocessor, import export module and the external circuits are used, large-scale integrated circuits even when the Plc is no longer the only logical (IC) judgment functions also have data processing, PID conditioning and data communications functions. International Electro technical Commission (IEC) standards promulgated programmable controller for programmable controller draft made the following definition : programmable controller is a digital electronic computers operating system, specifically for applications in the industrial design environment. It used programmable memory, used to implement logic in their internal storage operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, the control of various types of machinery or production processes. Programmable controller and related peripherals, and industrial control systems easily linked to form a whole, to expand its functional design. Programmable controller for the user, is a non-contact equipment, the procedures can be changed to change production processes. The programmable controller has become a powerful tool for factory automation, widely popular replication. Programmable controller is user-oriented industries dedicated control computer, with many distinctive features.
First, high reliability, anti-interference capability;
Second，programming visual, simple;
Third, adaptability good;
Fourth functional improvements, strong functional interface.
TWO：History of PLC
Programmable Logic Controllers (PLC), a computing device invented by Richard E. Morley in 1968, have been widely used in industry including manufacturing systems, transportation systems, chemical process facilities, and many others. At that time, the PLC replaced the hardwired logic with soft-wired logic or so-called relay ladder logic (RLL), a programming language visually resembling the hardwired logic, and reduced thereby the configuration time from 6 months down to 6 days [Moody and Morley, 1999].
Although PC based control has started to come into place, PLC based control will remain the technique to which the majority of industrial applications will adhere due to its higher performance, lower price, and superior reliability in harsh environments. Moreover, according to a study on the PLC market of Frost and Sullivan [1995], an increase of the annual sales volume to 15 million PLC per year with the hardware value of more than 8 billion US dollars has been predicted, though the prices of computing hardware is steadily dropping. The inventor of the PLC, Richard E Morley, fairly considers the PLC market as a 5-billion industry at the present time.
Though PLCs are widely used in industrial practice, the programming of PLC based control systems is still very much relying on trial-and-error. Alike software engineering, PLC software design is facing the software dilemma or crisis in a similar way. Morley himself emphasized this aspect most forcefully by indicating
If houses were built like software projects, a single woodpecker could destroy civilization.”
Particularly, practical problems in PLC programming are to eliminate software bugs and to reduce the maintenance costs of old ladder logic programs. Though the hardware costs of PLC are dropping continuously, reducing the scan time of the ladder logic is still an issue in industry so that low-cost PLC can be used.
In general, the productivity in generating PLC is far behind compared to other domains, for instance, VLSI design, where efficient computer aided design tools are in practice. Existent software engineering methodologies are not necessarily applicable to the PLC based software design because PLC-programming requires a simultaneous consideration of hardware and software. The software design becomes, thereby, more and more the major cost driver. In many industrial design projects, more than of the manpower allocated for the control system design and installation is scheduled for testing and debugging PLC programs.
In addition, current PLC based control systems are not properly designed to support the growing demand for flexibility and reconfigurability of manufacturing systems. A further problem, impelling the need for a systematic design methodology, is the increasing software complexity in large-scale projects.
The objective of this thesis is to develop a systematic software design methodology for PLC operated automation systems. The design methodology involves high-level description based on state transition models that treat automation control systems as discrete event systems, a stepwise design process, and set of design rules providing guidance and measurements to achieve a successful design. The tangible outcome of this research is to find a way to reduce the uncertainty in managing the control software development process, that is, reducing programming and debugging time and their
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可编程控制器
- PLC概述
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
①可靠性高，抗干扰能力强；
②编程直观、简单；
③适应性好；
④功能完善，接口功能强
二、PLC的历史
1968年，Richard E. Morley创造出了新一代工业控制装置可编程逻辑控制器(PLC),现在，PLC已经被广泛应用于工业领域，包括机械制造也、运输系统、化学过程设备、等许多其他领域。初期可编程控制器只是用一种类似于语言的软件逻辑于代替继电器硬件逻辑，并且使开发时间由6个月缩短到6天。
虽然计算机控制技术已经产生，但是PLC控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。而且，尽管硬件的价格在逐渐下跌，据估计，根据Frost和Sullivan对PLC市场的调查研究表明，每年销售硬件的价格要比销售PLC的价格（一千五百万）至少多出八十亿美元。PLC的创造者Richard E. Morley十分肯定的认为目前PLC市场是一个价值五十亿的工业
虽然PLC广泛应用于工业控制中，PLC控制系统的程序依然和语法有关。和软件过程一样，PLC的软件设计也以同样的方式会遇到软件错误或危机。Morley在演讲中着重强调了这个方面。
如果房子建造的像软件过程一样，那么仅仅一只啄木鸟就可以摧毁文明。特别的，PLC程序要解决的实际问题是消除软件错误和减少老式梯形逻辑语言的花费。尽管PLC的硬件成本在继续下降，但是在工业控制上减少梯形逻辑的扫描时间仍然是一个问题，以至于可以用到低耗时的PLC。
一般来说，和其他领域相比生产PLC的周期要短很多。例如，在实践中，VISI设计是一种有效的计算机辅助设计。PLC不需要使用目前的以软件设计为基础软件工程方法论，因为PLC程序要求对软件和硬件搜都要考虑到。因此，软件设计越来越成为花费动力。在许多的工业设计工程中，多数人力分配给了控制系统设计和安装，并且他们被要求对PLC进行程序测试和错误排除。
再者，PLC控制系统不适合设计对适应性和重构有越来越多要求的生产系统。一个更深入的问题是在大规模的工程中软件越来越复杂，促使要有一个系统化的设计方法论。
主题的客观性是为PLC自动控制系统建立一个系统化的软件设计方法论。这个设计方法论包括以状态转换模型为基础的精确的描述，这个转台转换模型是自动控制系统的抽象系统。方法论还包括一个逐步的设计过程，并且要设置一个设计规则，这样才能为一个成功的设计提供导向和方法。这项研究的真正目的是找到一个减少控制软件发展过程的不稳定性的方法，也就是说，减少程序和调试时间以及他们的变化，以增强自动控制系统的适应性，并且通过调整软件使得软件可以再度使用。这样的目的是为了克服目前程序策略的不足之处，而目前的程序策略是以个人软件开发者的经验为基础的。
三、现今的PLC
从结构上分，PLC分为固定式和模块式两种。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。
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。
中央处理器(CPU)是PLC控制器的大脑。通常CPU本身就是一个微控制器。起先是8位微控制器例如8051,现在发展为16位和 32位微控制器。你会发现大部分由日本制造商制造的PLC中是日立和Fujicu的微控制器,西门子的微控制器多应用在欧洲的PLC中,摩托罗拉生产的微控制器则独占美国市场。CPU同样关注通信, PLC控制器,操作程序的执行,监督记忆设置的输入和输出等部分的关联性。
PLC使用系统存储器（现在大部分采用闪存技术了）用于过程控制系统。除了这个操作系统之外，它还包括一个由梯形图翻译成而进制形式的用户程序。快擦型存储器（FLASH memory）的内容只有在改变用户程序的时候可以被改变。PLC控制器比快擦型存储器使用得更早，EPROM存储器比快擦型存储器也更早，快擦型存储器必须用紫外线（UV，Ultra-Violet Ray）灯擦除，并在编程器上进行编程。由于快擦型存储器技术的应用，使得这个过程大大缩短了。在应用程序开发中，通过一个串行电缆可以对程序存储器进行重新编程。
用户存储器被分成具有特殊功能的块。一部分存储器用来存储输入和输出状态。一个输入的实际状态存储状态存储在专用存储器位上，为“1”或者“0”。每一个输入和输出在存储器中都有一个相应的位。另外一部分存储器用来存储用户程序中的变量的内容。例如，定时器值，或者记数器值存放在存储器的这个部分。
PLC控制器可以通过计算机（通常方式）重新编程，但是也可以通过人工编程器9控制台）编程。实际上，这意味着，如果你有编程所需要的软件，早期PLC控制器可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是工厂自己对PLC控制器进行重新编程的理想设备。这对于工业企业来说是非常重要的。一旦系统修改结束，将正确的程序重新读入PLC控制器也是非常重要的。定期检查PLC中的程序是否改变是非常好的事情。这有助于避免车间发生危险情况（一些汽车制造商已经建立了通信网络，可以定期检查PLC中的程序，以保证运行的程序都是正确的）。
几乎所有用于为PLC控制器编程的程序都拥有各种不同的选项，例如系统输入/输出（I/O线）的强制开关，程序实时跟踪以及图表验证。图表验证对于理解、定义失败和故障非常必要。程序员可以添加标记，书日和输出设备名称，以及对于查找错误或者对于系统维护很有用的注释。添加注释和标记可以使技术人员（不仅仅是开发人员）很快理解梯形图。注释和标记甚至还可以准确地引用零件号，如果需要更换零件的话。这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。响应的旧方法是这样的，开发系统的人必须保护这个程序，他旁边再没有人知道系统是怎样完成的。正确的、备有证明文件的梯形图使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。
电源是为中央处理单元提供电源的。大部分PLC控制器的工作电压为24VDC或者220VAC。在有些PLC控制器上，你可以看见作为独立模块的电源。用户必须确定从I/O模块取出多大电流来保证电源提供适当的电流。不同的模块使用不同的电流量。
该电源一般不用于启动外部输入或输出。用户必须提供独立的电源来启动PLC控制器的输入和输出，因为这样可以保证PLC控制器的所谓“纯电源”。使用纯电源意味着工业环境中的电源不会严重影响它。有些较小的PLC控制器从与PLC控制器集成在一起的小电源为它们的输入提供电压源。
四、PLC的设计标准
一个系统化的设计PLC程序的方法可以克服传统程序生产控制系统的缺点，并且在一些工业应用总有很大的不同。自动控制系统是状态模型用公式语言或等价的语言描述的。公式描述对被控制的系统的行为提供一个精确的描述。可以通过分析估计看状态模型是否达到想要的目标。第二，为状态模型的描述提供结构描述，这个结构描述可以说明逻辑要求和如细节安全规则的限制。第三，好的控制系统设计是对自动控制代码生成有益的——一种能够产生可执行的控制软件的能力，不同的逻辑控制器可以减少程序扫描时间和执行那个时间。特别的，这个主题与随后的部分的是有关的。
在现代制造业中，系统是用过程和结果的革新来描述的，并且因此不得不改变系统性能以快速做出反应。因此，一个大的挑战是提供技术以限制自动控制系统对变化需要和新机会的反应，所以，设计和操作知识可以实时的被再次利用，在工业实践中提供了一个重要的竞争面。
研究表明，在自动化系统中，程序实现的方法已经与计算机资源应用的急速增长不能匹配。例如，可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）程序仍然依靠一种方便的有逻辑梯形图的程序实现模式。结果，程序上的延迟和资源成了生产工业过程的主要绊脚石。在可编程逻辑控制器程序设计过程中，测试和调试可能会占用超过百分之五十的人力。在发展和传播“ＳＴＡＴＥ－ＯＦ－ＴＨＥ－ＡＲＴ”已经形成标准[IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999]，但是，基本上这些标准都不能参与有效的程序和系统设计方面知识的革新。
系统的方法通过使用原有的软件模块，有助于增加设计自动化的水平，同时也将提供一种可管理的大规模系统设计的方法。同样的，它也将改善软件的质量的可靠性，以及关系到系统的较高安全标准，尤其是这些对环境有危害影响的，比如：机场控制、公共铁路运输。
软件工业被认为是系统性能的破坏者和系统复杂性的产生者。逐渐下降的硬件价格，破坏了对通过优化程序获得的软件性能的需要。其结果是，一方面造成了大量而低效率的程序代码，另一方面并没有获得高的硬件性能。其次，软件变得难以掌握其程度的复杂；在现代自动化系统中，软件设计和保持系统本质几乎变得不可能。尤其是，可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）程序设计从二十五年前的两条主线，发展到现在的成千上万条。现在安全性增加了，例如，关于防火的新措施，以及现代自动化系统的柔韧性增加了程序设计过程的复杂性。因此，软件的使用周期花费是总共花费的一个固定不变的增长部分。百分之八十到九十的花费用于软件维护、调试、优化（改进）、和扩展以满足不断变换的需求。
目前，大部分设计研究的主要焦点都集中在机械和电子产品上。这种有目的性的研究产生了一个副产品，就是通过推广这中研究到系统工程设计领域，从而加固了我们对设计理论和技巧的基本理解。针对大规模和复杂系统的系统设计理论并没有成熟。尤其是，对如何简化一个繁冗而复杂的设计任务这一问题，仍然没有被科学的处理。而且，正在设计理论和代表计算机科学及运筹学研究的认识论结果之间构建一条桥梁，这样的具体应该是逻辑硬件电路设计。
从逻辑学的角度来看，可编程逻辑控制器（PLC）的软件设计类似与集成电路的硬件设计。现代超大规模集成电路设计（Very Large Scale Integration-VLSI）是及其复杂的，一个集成电路一般有几百万个晶体管，而且产品开发周期大都三年左右。设计过程一般都分成局部功能块设计和系统设计两个阶段。在局部功能块设计阶段，单个功能将被设计出来，并予以验证。在系统设计阶段，所有功能块都将被整合起来，整个系统行为特性和功能将会通过仿真形式加以测试。一般来说，所有部分都完全的验证是不可能的。因此，统计学可以作为可编程逻辑控制器（PLC）设计的一个例子，并有可能影响逻辑硬件设计。
可编程控制器技术讨论与未来发展
随着时代的发展,当今的技术也日趋完善、竞争愈演愈烈;单靠人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象.
人们在生产实践中看到,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制.在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径
我们在各种场合看到了继电器连接的控制，那已经是时代的过去，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到;而PLC的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。
PLC的最大特点在于:电气工程师已不再电气的硬件上花费太多的心计，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入点上就能解决问题，通过输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就可以。
PLC的内部包含了具有中央处理器的CPU，并带有外部I/O口扩展的I/O接口地址和存储器三大块组成，CP
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