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LabVIEW实现PLC指令

已有 58 次阅读  2021-07-04 17:00

PLC即可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器,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,通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

  一、PLC基本结构

  可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为:

  1、电源电源用于将交流电转换成PLC内部所需的直流电j目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。

  2、中央处理单元(CPU)中央处理器是PLC的控制中枢,也是PLC的核心部件,其性能决定了PLC的性能。中央处理器由控制器、运算器和寄存器组成,这些电路都集中在一块芯片上,通过地址总线、控制总线与存储器的输入/输出接口电路相连。中央处理器的作用是处理和运行用户程序,进行逻辑和数学运算,控制整个系统使之协调。

  3、存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路,它的作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。其中系统程序是控制PLC实现各种功能的程序,由PLC生产厂家编写,并固化到只读存储器(ROM)中,用户不能访问。

  4、输入单元输入单元是PLC与被控设备相连的输入接口,是信号进入PLC的桥梁,它的作用是接收主令元件、检测元件传来的信号。输入的类型有直流输入、交流输入、交直流输入。

  5、输出单元输出单元也是PLC与被控设备之间的连接部件,它的作用是把PLC的输出信号传送给被控设备,即将中央处理器送出的弱电信号转换成电平信号,驱动被控设备的执行元件。输出的类型有继电器输出、晶体管输出、晶闸门输出。

  PLC除上述几部分外,根据机型的不同还有多种外部设备,其作用是帮助编程、实现监控以及网络通信。常用的外部设备有编程器、打印机、盒式磁带录音机、计算机等。

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  二、PLC工作原理

  1、输入采样阶段

  在输入采样阶段,可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。

  2、用户程序执行阶段

  在用户程序执行阶段,可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

  即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

  在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O模块取值,输出过程影像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。

  3、输出刷新阶段

  当扫描用户程序结束后,可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是可编程逻辑控制器的真正输出。

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  三、PLC功能特点

  (1)可靠性高。由于PLC大都采用单片微型计算机,因而集成度高,再加上相应的保护电路及自诊断功能,提高了系统的可靠性。

  (2)编程容易。PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句,其数量比微型机指令要少得多,除中、高档PLC外,一般的小型PLC只有16条左右。由于梯形图形象而简单,因此容易掌握、使用方便,甚至不需要计算机专业知识,就可进行编程。

  (3)组态灵活。由于PLC采用积木式结构,用户只需要简单地组合,便可灵活地改变控制系统的功能和规模,因此,可适用于任何控制系统。

  (4)输入/输出功能模块齐全。PLC的最大优点之一,是针对不同的现场信号(如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等),均有相应的模板可与工业现场的器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)直接连接,并通过总线与CPU主板连接。

  (5)安装方便。与计算机系统相比,PLC的安装既不需要专用机房,也不需要严格的屏蔽措施。使用时只需把检测器件与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接,便可正常工作。

  (6)运行速度快。由于PLC的控制是由程序控制执行的,因而不论其可靠性还是运行速度,都是继电器逻辑控制无法相比的。近年来,微处理器的使用,特别是随着单片机大量采用,大大增强了PLC的能力,并且使PLC与微型机控制系统之间的差别越来越小,特别是高档PLC更是如此。

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  四、利用LabVIEW实现下一代PLC的编程

  十九世纪六十年代,工程师们利用多排机械中继实现工业控制。这些系统过于复杂,难以修改,并容易产生故障。在十九世纪六十年代后期,Bedford联合会提出了一个称为模块化数字控制器(MODICON)的新型系统,该系统利用CPU执行数字逻辑并与数字输入和输出接口。该系统被视为工业应用的第一个虚拟仪器系统。MODICON 084是第一个PLC。该新型PLC有效执行数字操作与数字控制,并在十九世纪七十年代中期得到广泛应用。早期的PLC采用基于位片的CPU,如AMD 2901,仅限于数字控制。为了更为可靠并易于编程,PLC采用严格的控制架构与简单的指令集。工程师们在编程实现大多数PLC时采用了梯形逻辑——一种专为模拟十九世纪六十年代的初始中继框图而创建的语言。

  满足应用需求的“80-20”规则

  在接下来的三十年中,PLC逐步演进,吸纳了模拟I/O、跨网络通信和新型的编程标准,如IEC 61131-3。然而,工程师们利用数字I/O、一些模拟I/O点和简单的编程技术,创建了80%的工业应用。来自ARC、VDC和PLCS.net的专家估算:

  80%的PLC应用在小规模应用(1~128个I/O)中

  78%的PLC I/O是数字I/O

  包含20个梯形逻辑指令的指令集满足了80%的PLC应用挑战。

  这就是一些PLC仍在使用最初的AMD 2901 CPU和Keyence等公司仅提供梯形逻辑编程的原因所在。

  因此,如果80%的应用吸纳了简单的数字与模拟控制,那么创建其他20%应用的工程师们必须推进PLC的疆界。在19世纪80年代和90年代,正是这些“20%工程师们”考虑将PC应用于工业控制,实现了前所未有的灵活性、高生产率软件和先进的硬件。然而,基于PC的工业控制存在如下不足:

  稳定性——通用操作系统时常不够稳定,这就迫使安排人员处理系统宕机和意料之外的重新启动。

  可靠性——由于采用了旋转磁性硬盘驱动器和电源供应等非工业化加固的组件,PC更加容易产生故障。

  陌生的编程环境——车间操作人员需要在系统不能正常工作时重新编写该系统。利用梯形逻辑,他们知道如何手动使一个线圈和一段补丁程序快速覆盖一个系统。但对于PC系统,操作人员需要掌握新的工具。

  构建更好的控制器

  在没有清晰的PC或PLC解决方案的情况下,处理复杂应用的工程师们时常通过与控制厂商紧密合作开发新型产品。这些先驱用户要求实现高级功能特性与可靠性的组合,这帮助引导了洛克威尔、西门子、GEFanuc、Beckhoff和NI等PLC和PC控制厂商的产品开发。随之而来,出现了专为这“20%”的应用而设计的新型控制器,这些控制器实现了最佳PLC特性与最佳PC特性的组合。业界分析专家ARC将这些设备命名为可编程自动控制器,或PAC。ARC在其“可编程逻辑控制器全球展望”研究中,界定了PAC五大主要特征:

  多领域功能特性,在单个平台上至少包括逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的两个功能特性。

  单个综合型开发平台,包含共用标签和用于访问所有参数与函数的单个数据库

  支持跨多台机器或处理单元的处理流设计的软件工具,以及IEC 61131-3、用户指南和数据管理

  开放的模块化架构,将来自工厂内机器布局的工业应用映射至处理车间内的单元操作

  采用网络接口、语言及其他方面的事实标准,如TCP/IP、OPC与XML和SQL查询

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  NI PAC

  NI PAC硬件目标平台基于NI LabVIEW技术,包括Lab-VIEW实时模块与LabVIEW FPGA。利用LabVIEW实时模块与LabVIEW FPGA,工程师们可以利用LabVIEW编程实现定制的测量与控制系统,并将其布置在运行实时操作系统的可靠嵌入式目标平台或嵌入式硅片之上。PAC硬件目标平台专为有如下需求的应用而设计:

  图形学——由于LabVIEW编程用户可以直观地构建一个用户界面,您可以方便地将图形学和HMI(人机接口)并入控制系统。

  测量(高速数据采集、视觉与运动)——NI历来擅长于包括视觉采集的高速I/O,因此您可以将振动或机器视觉包纳在您的标准控制系统中。

  处理能力——在某些应用中,您需要专用的控制算法、高级信号处理或数据录入。利用LabVIEW,您可以吸纳利用NI或第三方工具构建的定制的控制代码,实现时频联合分析等信号处理功能,或者实现本地或远程数据录入。

  平台——利用LabVIEW,您可以创建运行于如PC、嵌入式控制器、FPGA芯片或手持PDA等多种平台之上的代码。

  通信——LabVIEW使您方便地利用OPC与SQL等类似工具实现数据至企业的传输NI提供了四种PAC硬件目标平台:

  PXI对工业PC的改进包括实时OS、冷却标准、可选的非旋转固态硬盘驱动器和模块间同步。PXI标准要求所有底板为每个模块插槽提供用于25 W冷却的空气流,这确保了即使在采用高功率中继或高速PXI、CompactPCI板卡时,操作也不会导致过热或缩短使用寿命。PXI还提供了不同模块间的紧密同步,因此,工程师们可以设计面向高速控制应用(如封装或半导体处理中所发现的应用)的运动、视觉和I/O系统。

  Compact FieldPoint利用业界评定的部件,实现高冲击与振动等级,处理从-40~70 °C的宽范围温度,并达到1类2分类和Lloyd认证。它还使用传导冷却而不是风扇,以去除移动部件提高可靠性。通过一个运行实时OS的浮点处理器、用于数据录入的CompactFlash驱动器和用于通信的以太网端口,紧凑FieldPoint系统吸纳了PC的功能特性。

  Compact视觉系统是一种专为机器视觉应用设计的坚固的控制器。它利用IEEE 1394可以在一项视觉应用中与高达16个摄像头通信,并运行高速Intel处理器进行快速图像分析。紧凑视觉系统还可以使用非移动式部件和传导冷却,因此,您可以将该系统紧固在机器上。它提供29个内置的数字I/O线路,您可以从LabVIEW实时模块或者利用LabVIEW FPGA直接从一个嵌入式FPGA对其进行控制。

  CompactRIO是一种基于LabVIEW FPGA和LabVIEW实时技术的可重新配置的嵌入式系统。CompactRIO系统利用高达三百万门的FPGA芯片控制模块化数字与模拟I/O。FPGA芯片可以在硅片上运行嵌入式代码,实现高达1 MHz的数字控制循环和高达150 kHz的模拟循环。FPGA可以将信息回送至运行LabVIEW实时模块的浮点处理器,以实现高级计算、数据录入和通信。凭借金属封装和传导冷却,该控制器非常适合于在恶劣环境下使用。

  需要创建那些“20%”应用的业界工程师们正在拓展控制器技术的疆界,而PAC制造商们则通过提供各种综合了PC的最佳功能特性与PLC的可靠性的硬件目标平台,对此作出积极的响应。使得编程实现实时OS、FPGA和DSP的工具,如LabVIEW实时模块,必将为业界工程师们提供更为宽泛的新选择。

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