摘要：文章从PLC的起源与发展谈起，介绍了PLC的工作原理、PLC的组成部分、PLC的功能特点到PLC的选型和PLC在智能化线体的中的运用，分析了在智能电表自动化生产线中，PLC技术的优越性和先进性。
关键词：PLC；CPU；数据信息；控制
Research on LC Technology and Its Application in Automatic Meter
Chentao YiXin chenyinkai
Henan Xuji Instrument Co., Ltd. Xuchang, Henan 461000
Abstract: This paper starts with the origin and development of PLC, introduces the working principle of PLC, the components of PLC, the function and features of PLC, the selection of PLC and the application of PLC in the automation of wire body. It is analyzed that in the field of smart meter automation Production line, PLC superiority and advanced technology.
Key words: PLC; CPU; data information; control
1.PLC的起源与发展
可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP-14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable Logic Controller，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC。
20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
2.PLC的工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
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。
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。
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。
3.PLC的组成部分
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：
电源。可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
中央处理单元(CPU)。中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
输入输出接口电路。现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道；现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
功能模块。如计数、定位等功能模块。
通信模块。如标准网络接口。
4.PLC的功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
使用方便，编程简单。采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
功能强，性能价格比高。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
维修工作量小，维修方便。PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故。
5.自动化线线体控制系统的PLC选型
线体的控制主要采用PLC控制的方式。主控采用一个西门子S7-1500，设备控制采用S7-1200。
选择S7-1500是由于它有高水平的系统性能和快速信号处理能力，能够极大地缩短响应时间，加强控制能力。S7-1500西门子PLC设计有高速背板总线，具有高波特率和高效的传输协议。点到点的反应时间不到500微秒，位指令的运算时间最快可达10纳秒之内。使用的是CPU1516控制器，它设置有三个端口：其中两个与现场通讯，第三个用于整合至企业网络。此外，集成Web服务器支持非本地系统和过程数据查询，以实现诊断的目的。
S7-1200是对应S7-200的小型PLC，开发软件换成了博途 (TIA PORTAL)，与S7-1500的开发软件一致，属于西门子PLC全新推出的一条产品线。
其中S7-1500控制线体的调度，也就是线体上所有阻挡器、对接汽缸、倍速链电机、转运电机等。S7-1200主要控制所有设备上除了对接汽缸外的汽缸、电源等。根据线体的结构设计，下面详细介绍线体控制的流程。
6.数据类型定义
首先定义电表上线后包含的数据。电表上线后的数据信息采用结构体，它包含电表条码、电表当前的测试状态是好还是坏、是否为二次上线。
电表的条码是电表的身份号，电表上线时粘贴在电路板上，然后通过扫描枪扫描后将条码信息上传至数据库。该数据使用整型存储。
电表的好坏是各工序判断是否加工的依据，每工位加工完成时根据加工信息修改该数据，判为不合格的电表不再做后续加工。该数据使用位存储。
电表是否为二次上线主要是用来判断电表是否进行前面的锁螺丝与焊接工序，二次上线的电表是不需要进行这些工序的。该数据采用位存储，扫描条码后系统返回该数据。
其次定义与倍速链相关的数据，仍采用结构体数据类型，它包含工位号，流水板号等，下面做详细介绍。
工位号（字节存储），用于不同工序的编号。例如耐压测试为1号工位，CCD外观检测为2号工位。
流水板号（字节存储），用于区分不同流水板号，共有120块流水板。
批次号（整型存储），区分不同的加工批次，批次号决定了系统使用哪个加工方案。
检测通道（字节存储），调试检验工序共有六个加工通道，用于区分不同的加工通道。
检测完成（位存储），用于判断工位是否完成加工。
清料状态（位存储），清料状态下，机械手不再往流水板上抓料，空流水板板自动放行。
位置信息（电表数据信息）。每个流水板上共有六块电表，六个位置分别存储六个上一段中定义的电表信息。
.png)
图1 设备调试状态流程图
7.系统状态及按钮状态定义
系统的状态主要分为调试状态、复位状态、自动运行状态、停止运行状态、清料状态。
调试状态。调试状态主要用于前期设备调试，可以在本地使用计算机调试线体上的汽缸、电磁阀等，退出调试模式后，则设备只能由远程计算机控制。控制系统有调试状态按钮，触发条件为该按钮按下且急停按钮未被按下。
PLC循环扫描调试状态是否被触发，如果调试状态触发以后，系统进入调试状态，如果系统置为调试状态，再判断急停按钮是否按下，如没有被按下才能对汽缸等原件进行控制。
复位状态。该状态激活后，气缸、电机恢复至原点。进入复位状态时，PLC循环扫描复位状态是否被触发，如果状态被触发，判断系统是否为调试状态，如果设备是调试状态再检测是否有急停信号，如果上述有一条不满足则返回上一步扫描。上述条件都满足以后，线体上所有PLC设备复位开始复位。复位对象主要是汽缸、电机、部分PLC内存区域，复位成功以后标志位为0，如果S7-1500复位完成（即S7-1500控制的设备回到原点），则判断S7-1200控制的设备是否回到原点。如果1500与1200设备都复位成功，则复位结束。同时设置复位超时时间，如在规定的时间内PLC没有复位成功，设备结束复位，返回系统复位失败报警。
8.结束语
经过40年的发展，PLC技术的突破及相关技术的进步，这些研究成果除能够应用在电能表产品自动化生产线中外，其基本的信息管理系统、输送系统、CCD视觉成像技术、自动化装配、自动化包装等技术还可以广泛应用于相关的电装生产过程中，可以带动一大批企业完成生产制造系统升级换代，从而从根本上解决劳动密集型企业效益与成本之间的矛盾，可以创造极大的社会综合效益，具有广泛的市场需求及应用前景。
作者简介：易鑫，男，民族：汉，信阳光山人。1971年1月出生，清华大学MBA毕业，高级工程师，研究方向为智能制造.
论文作者:陈淘,易鑫,陈银凯
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6