爱亦不能，

恨亦不能。

沉迷听歌，

拒绝弹琴。

高山流水，

人散曲终。

怎奈往事，

心存余音。

1905年爱因斯坦一连发表5篇论文，标志着狭义相对论的诞生。狭义相对论最形象地描述是当人一接近光速运动时，会出现钟慢尺缩的现象。1915年爱因斯坦发表广义相对论广义相对论的两个基础一个是光线在经过引力场时会出现弯曲，另一个就是著名的质能转换公式E=mc2。

　　但是当时的人们对光线能够弯曲，感到不可思议，爱因斯坦需要证明这一点。1919年5月29日，从南美到非洲有日全食。爱丁顿曾在1918年冬，拍到了日食时太阳附近的恒星。5月29日日食那一天，两支观测队伍分别在美洲和非洲观测，拍照太阳附近的星光照片。和半年前拍的照片对比。结果发现，星光在太阳附近偏离1.64″。1919年11月7日，伦敦《泰晤士报》发表爱丁顿的观测结果。爱因斯坦的理论得到了证明，从而一举成名。所到之处，受到总统般的礼遇。世界各个大学聘请他去讲学。受到许多国家元首的接见。从此，爱因斯坦的相对论为世人所知，爱因斯坦成为科学界的泰斗。被誉为20世纪最聪明的人。

以下是狭义相对论公示的严密推导过程。

单 位         符 号 
坐标：m(x,y,z)力：NF(f) 
时间：st(T)质量:kgm(M) 
位移：mr动量:kg*m/sp(P) 
速度：m/sv(u)能量:JE 
加速度：m/s^2a冲量：N*sI 
长度：ml(L)动能：JEk 
路程：ms(S)势能：JEp 
角速度：rad/sω力矩：N*mM 
角加速度:rad/s^2α功率：WP 
一： 
牛顿力学（预备知识） 
(一)：质点运动学基本公式：(1)v=dr/dt,r=r0+∫rdt 
(2)a=dv/dt,v=v0+∫adt 
(注：两式中左式为微分形式，右式为积分形式) 
当v不变时，(1)表示匀速直线运动。 
当a不变时，(2)表示匀变速直线运动。 
只要知道质点的运动方程r=r(t)，它的一切运动规律就可知了。 
(二)：质点动力学： 
(1)牛一：不受力的物体做匀速直线运动。 
(2)牛二：物体加速度与合外力成正比与质量成反比。 
F=ma=mdv/dt=dp/dt 
(3)牛三：作用力与反作与力等大反向作用在同一直线上。 
(4)万有引力：两质点间作用力与质量乘积成正比，与距离平方成反比。 
F=GMm/r^2,G=6.67259*10^(-11)m^3/(kg*s^2) 
动量定理：I=∫Fdt=p2-p1(合外力的冲量等于动量的变化) 
动量守恒：合外力为零时，系统动量保持不变。 
动能定理：W=∫Fds=Ek2-Ek1(合外力的功等于动能的变化) 
机械能守恒：只有重力做功时，Ek1+Ep1=Ek2+Ep2 
(注： 牛顿力学的核心是牛二：F=ma,它是运动学与动力学的桥梁，我们的目的是知道物体的运动规律，即求解运动方程r=r(t),若知受力情况，根据牛二可得 a,再根据运动学基本公式求之。同样，若知运动方程r=r(t),可根据运动学基本公式求a，再由牛二可知物体的受力情况。) 
二： 
狭义相对论力学：(注：γ=1/sqr(1-u^2/c^2),β=u/c,u为惯性系速度。) 
(一)基本原理：(1)相对性原理：所有惯性系都是等价的。 
(2)光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。 
(此处先给出公式再给出证明) 
(二)洛仑兹坐标变换： 
X=γ(x-ut) 
Y=y 
Z=z 
T=γ(t-ux/c^2) 
(三)速度变换： 
V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2) 
V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2)) 
V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2)) 
(四)尺缩效应：△L=△l/γ或dL=dl/γ 
(五)钟慢效应：△t=γ△τ或dt=dτ/γ 
(六)光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b) 
(光源与探测器在一条直线上运动。) 
(七)动量表达式：P=Mv=γmv,即M=γm. 
(八)相对论力学基本方程：F=dP/dt 
(九)质能方程：E=Mc^2 
(十)能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2 
(注：在此用两种方法证明，一种在三维空间内进行，一种在四维时空中证明，实际上他们是等价的。) 
三： 
三维证明： 
(一)由实验总结出的公理，无法证明。 
(二)洛仑兹变换： 
设(x, y,z,t)所在坐标系(A系)静止，(X,Y,Z,T)所在坐标系(B系)速度为u,且沿x轴正向。在A系原点处，x=0,B系中A原点的坐标为X=- uT,即X+uT=0。可令x=k(X+uT),(1).又因在惯性系内的各点位置是等价的，因此k是与u有关的常数(广义相对论中，由于时空弯曲，各点 不再等价，因此k不再是常数。)同理，B系中的原点处有X=K(x-ut),由相对性原理知，两个惯性系等价，除速度反向外，两式应取相同的形式，即k= K.故有X=k(x-ut),(2).对于y,z,Y,Z皆与速度无关，可得Y=y,(3).Z=z(4).将(2)代入(1)可得：x=k^2(x- ut)+kuT,即T=kt+((1-k^2)/(ku))x,(5).(1)(2)(3)(4)(5)满足相对性原理，要确定k需用光速不变原理。当两 系的原点重合时，由重合点发出一光信号，则对两系分别有x=ct,X=cT.代入(1)(2)式得：ct=kT(c+u),cT=kt(c-u).两式相 乘消去t和T得：k=1/sqr(1-u^2/c^2)=γ.将γ反代入(2)(5)式得坐标变换： 
X=γ(x-ut) 
Y=y 
Z=z 
T=γ(t-ux/c^2) 
(三)速度变换： 
V(x)=dX/dT=γ(dx-ut)/(γ(dt-udx/c^2)) 
=(dx/dt-u)/(1-(dx/dt)u/c^2) 
=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2) 
同理可得V(y),V(z)的表达式。 
(四)尺缩效应： 
B系中有一与x轴平行长l的细杆，则由X=γ(x-ut)得：△X=γ(△x-u△t),又△t=0(要同时测量两端的坐标)，则△X=γ△x,即：△l=γ△L,△L=△l/γ 
(五)钟慢效应： 
由坐标变换的逆变换可知，t=γ(T+Xu/c^2),故△t=γ(△T+△Xu/c^2),又△X=0,(要在同地测量)，故△t=γ△T. 
(注：与坐标系相对静止的物体的长度、质量和时间间隔称固有长度、静止质量和固有时，是不随坐标变换而变的客观量。) 
(六)光的多普勒效应：(注：声音的多普勒效应是：ν(a)=((u+v1)/(u-v2))ν(b).) 
B 系原点处一光源发出光信号，A系原点有一探测器，两系中分别有两个钟，当两系原点重合时，校准时钟开始计时。B系中光源频率为ν(b),波数为N，B系的 钟测得的时间是△t(b),由钟慢效应可知，A△系中的钟测得的时间为△t(a)=γ△t(b),(1).探测器开始接收时刻为t1+x/c,最终时刻为 t2+(x+v△t(a))/c,则△*(*)=(1+β)△*(a),(2).相对运动不影响光信号的波数，故光源发出的波数与探测器接收的波数相同， 即ν(b)△t(b)=ν(a)△t(N),(3).由以上三式可得：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b). 
(七)动量表达式:(注：dt=γdτ,此时，γ=1/sqr(1-v^2/c^2)因为对于动力学质点可选自身为参考系，β=v/c) 
牛二在伽利略变换下，保持形势不变，即无论在那个惯性系内，牛二都成立，但在洛伦兹变换下，原本简洁的形式变得乱七八糟，因此有必要对牛顿定律进行修正，要求是在坐标变换下仍保持原有的简洁形式。 
牛 顿力学中，v=dr/dt,r在坐标变换下形式不变，（旧坐标系中为（x,y,z）新坐标系中为(X,Y,Z)）只要将分母替换为一个不变量（当然非固有 时dτ莫属）就可以修正速度的概念了。即令V=dr/dτ=γdr/dt=γv为相对论速度。牛顿动量为p=mv,将v替换为V，可修正动量，即p=mV =γmv。定义M=γm(相对论质量)则p=Mv.这就是相对论力学的基本量：相对论动量。（注：我们一般不用相对论速度而是用牛顿速度来参与计算） 
(八)相对论力学基本方程： 
由相对论动量表达式可知：F=dp/dt,这是力的定义式，虽与牛二的形式完全一样，但内涵不一样。（相对论中质量是变量） 
(九)质能方程： 
Ek=∫Fdr=∫(dp/dt)*dr=∫dp*dr/dt=∫vdp=pv-∫pdv 
=Mv^2-∫mv/sqr(1-v^2/c^2)dv=Mv^2+mc^2*sqr(1-v^2/c^2)-mc^2 
=Mv^2+Mc^2(1-v^2/c^2)-mc^2 
=Mc^2-mc^2 
即E=Mc^2=Ek+mc^2 
(十)能量动量关系： 
E=Mc^2,p=Mv,γ=1/sqr(1-v^2/c^2),E0=mc^2,可得：E^2=(E0)^2+p^2c^2 
四： 
四维证明： 
(一)公理，无法证明。 
(二) 坐标变换：由光速不变原理：dl=cdt,即dx^2+dy^2+dz^2+(icdt)^2=0在任意惯性系内都成立。定义dS为四维间隔，dS^2= dx^2+dy^2+dz^2+(icdt)^2,(1).则对光信号dS恒等于0，而对于任意两时空点的dS一般不为0。dS^2〉0称类空间隔， dS^2<0称类时间隔，dS^2=0称类光间隔。相对论原理要求（1）式在坐标变换下形式不变，因此（1）式中存在与坐标变换无关的不变量， dS^2dS^2光速不变原理要求光信号在坐标变换下dS是不变量。因此在两个原理的共同制约下，可得出一个重要的结论：dS是坐标变换下的不变量。 
由数学的旋转变换公式有：（保持y,z轴不动，旋转x和ict轴） 
X=xcosφ+(ict)sinφ 
icT=-xsinφ+(ict)cosφ 
Y=y 
Z=z 
当X=0时，x=ut,则0=utcosφ+ictsinφ 
得：tanφ=iu/c,则cosφ=γ,sinφ=iuγ/c反代入上式得： 
X=γ(x-ut) 
Y=y 
Z=z 
T=γ(t-ux/c^2) 
(三)(四)(五)(六)(八)(十)略。 
(七)动量表达式及四维矢量：(注：γ=1/sqr(1-v^2/c^2),下式中dt=γdτ) 
令r=(x,y,z,ict)则将v=dr/dt中的dt替换为dτ，V=dr/dτ称四维速度。 
则V=(γv,icγ)γv为三维分量，v为三维速度，icγ为第四维分量。（以下同理） 
四维动量：P=mV=(γmv,icγm)=(Mv,icM) 
四维力：f=dP/dτ=γdP/dt=(γF,γicdM/dt)(F为三维力) 
四维加速度：ω=/dτ=(γ^4a,γ^4iva/c) 
则f=mdV/dτ=mω 
(九)质能方程： 
fV=mωV=m(γ^5va+i^2γ^5va)=0 
故四维力与四维速度永远“垂直”，（类似于洛伦兹磁场力） 
由fV=0得：γ^2mFv+γic(dM/dt)(icγm)=0(F,v为三维矢量，且Fv=dEk/dt(功率表达式)) 
故dEk/dt=c^2dM/dt即∫ 

七月的广东， 

炽热的天气，

已经热得让人受不了。

汗如雨下， 

泪水也跟着汗混合着慢慢流下，  

流到嘴角，  

一丝哭咸的味道，  

不知不觉钻进我的嘴里，  

溶化……

一、问题提出

可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。

二、可编程控制器控制系统设计的基本步骤

1 ．系统设计的主要内容

（ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；

（ 2 ）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；

（ 3 ）选定 PLC 的型号；

（ 4 ）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图；

（ 5 ）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；

（ 6 ）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；

（ 7 ）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；

（ 8 ）编写设计说明书和使用说明书；

根据具体任务，上述内容可适当调整。

2 ． 系统设计的基本步骤

可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 1 所示。

图 1 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤

（ 1 ）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

a ．被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

b ．控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。

（ 2 ）确定 I/O 设备

根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

（ 3 ）选择合适的 PLC 类型

根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。

（ 4 ）分配 I/O 点

分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着九可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（ 5 ）设计应用系统梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（ 6 ）将程序输入 PLC

当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。

（ 7 ）进行软件测试

程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（ 8 ）应用系统整体调试

在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（ 9 ）编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。

三、 PLC 硬件系统设计

1 ． PLC 型号的选择

在作出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用 PLC 进行控制。

在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等）、工艺流程和产品改型较频繁、需要进行数据处理和信息管理（有数据运算、模拟量的控制、 PID 调节等）、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。

（ 1 ）对输入 / 输出点的选择

盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。

要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 ～ 20 ％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。

另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60 ％； PLC 每个输出点的驱动能力（ A/ 点）也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。

PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。

（ 2 ）对存储容量的选择

对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点＋输出总点数乘 5 字 / 点来估算；计数器 / 定时器按（ 3 ～ 5 ）字 / 个估算；有运算处理时按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模拟量输入 / 输出的系统中，可以按每输入 / （或输出）一路模拟量约需（ 80 ～ 100 ）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 ～ 100 ％留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。

（ 3 ）对 I/O 响应时间的选择

PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 ～ 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。

（ 4 ）根据输出负载的特点选型

不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的 PLC 。

（ 5 ）对在线和离线编程的选择

离线编程示指主机和编程器共用一个 CPU ，通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的编程、监控和运行工作状态。编程状态时， CPU 只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机和编程器各有一个 CPU ，主机的 CPU 完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。

（ 6 ）据是否联网通信选型

若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC 、上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

（ 7 ）对 PLC 结构形式的选择

在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。

2 ．分配输入 / 输出点

一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。

分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。

在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。

（ 1 ）确定 I/O 通道范围

不同型号的 PLC ，其输入 / 输出通道的范围是不一样的，应根据所选 PLC 型号，查阅相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。必须参阅有关操作手册。

（ 2 ）部辅助继电器

内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器 / 计数器时作数据存储或数据处理用。

从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。

未分配模块的输入 / 输出继电器区以及未使用 1 ： 1 链接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。根据程序设计的需要，应合理安排 PLC 的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。参阅有关操作手册。

（ 3 ）分配定时器 / 计数器

PLC 的定时器 / 计数器数量分别见有关操作手册。

7.3 PLC 软件系统设计方法及步骤

7.3.1 PLC 软件系统设计的方法

在了解了 PLC 程序结构之后，就要具体地编制程序了。编制 PLC 控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。

1. 图解法编程

图解法是靠画图进行 PLC 程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。

(1) 梯形图法：梯形图法是用梯形图语言去编制 PLC 程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成 PLC 的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。

(2) 逻辑流程图法：逻辑流程图法是用逻辑框图表示 PLC 程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑框图表示出来形成系统的逻辑流程图。这种方法编制的 PLC 控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及联锁条件明确。逻辑流程图会使整个程序脉络清楚，便于分析控制程序，便于查找故障点，便于调试程序和维修程序。有时对一个复杂的程序，直接用语句表和用梯形图编程可能觉得难以下手，则可以先画出逻辑流程图，再为逻辑流程图的各个部分用语句表和梯形图编制 PLC 应用程序。

(3) 时序流程图法：时序流程图法使首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成 PLC 程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。

(4) 步进顺控法：步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从整个角度去看，一个复杂系统的控制过程是由这样若干个步组成的。系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。为此，不少 PLC 生产厂家在自己的 PLC 中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。

2. 经验法编程

经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，就需要日积月累，善于总结。

3. 计算机辅助设计编程

计算机辅助设计是通过 PLC 编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。使用编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成 EXE 运行文件。

7.3.2 PLC 软件系统设计的步骤

在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写 PLC 程序了。编写 PLC 程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。

1. 对系统任务分块

分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样就把一个复杂的大问题化为多个简单的小问题。这样可便于编制程序。

2. 编制控制系统的逻辑关系图

从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又英国导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。

3. 绘制各种电路图

绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。这是很关键的一步。在绘制 PLC 的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到 PLC 的输入端，把高压引入 PLC 输入端，会对 PLC 造成比较大的伤害。在绘制 PLC 的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到 PLC 输出模块的带负载能力和耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。虽然用 PLC 进行控制方便、灵活。但是在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。

4. 编制 PLC 程序并进行模拟调试

在绘制完电路图之后，就可以着手编制 PLC 程序了。当然可以用上述方法编程。在编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，最好不要整个程序完成后一起算总帐。

5. 制作控制台与控制柜

在绘制完电器、编完程序之后，就可以制作控制台和控制柜了。在时间紧张的时候，这项工作也可以和编制程序并列进行。在制作控制台和控制柜的时候要注意选择开关、按钮、继电器等器件的质量，规格必须满足要求。设备的安装必须注意安全、可靠。比如说屏蔽问题、接地问题、高压隔离等问题必须妥善处理。

6. 现场调试

现场调试是整个控制系统完成的重要环节。任何程序的设计很难说不经过现场调试就能使用的。只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行现场调试才能最后实地测试和最后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。

7. 编写技术文件并现场试运行

经过现场调试以后，控制电路和控制程序基本被确定了，整个系统的硬件和软件基本没有问题了。这时就要全面整流技术文件，包括整理电路图、 PLC 程序、使用说明及帮助文件。到此工作基本结束。

1.2.2 使用方便

用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序, 用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！


其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。


正因如此，用可编程序控制器才有这个"可"字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。


具体地讲，PLC有五个方面的方便：


（1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的 PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。


（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。


（3）编程方便：PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。唯一考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。……总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。


PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。这些也为PLC编程提供了方便。


PLC的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。


（4）维修方便：这是因为：


①PLC工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。这在讲述PLC的第三个特点时，还将进一步介绍。


②即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且，PLC本身还可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善就是了。


（5）改用方便：PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。
1.2.3 工作可靠

用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。


1·在硬件方面：


PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。


PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。


在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。


有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。


还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。


2．在软件方面：


PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争"，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。


为监控 PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了"看门狗"（Watching dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清"看门狗"定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC 将正常工作。显然，有了这个"看门狗"监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现"死循环"而影响其工作的可靠性。


PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。


PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。


正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。


曾有人做过为什么要使用 PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。
1.2.4 经济合算

高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。PLC也是如此。


尽管使用PLC首次投资要大些，但从全面及长远看，使用PLC还是经济的。这是因为：


使用PLC的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；使用时省电，运行费少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回报。所以，在多数情况下，它的效益是可观的。
1.3 可编程控制器基本应用

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。


如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。。


1.3.1 用于开关量控制


PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。


所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。


PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。


用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。
1.3.2 用于模拟量控制


模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。


作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。


PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。它也是I/O单元，不过是特殊的 I/O单元。


A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入 PLC。D/A单元，是把 PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。


作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。可读写）交换信息等等特点。


这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。D/A中的A，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。有的还可处理正负值的。


这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。


A/D、D/A有单路，也有多路。多路占的输入输出继电器多。


有了 A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的 PLC并不难。中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。计算机能算的它几乎都能算。


这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。


PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用 PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。


用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。


当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。这也是应当看到的。
1.3.3 用于数字量控制

实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。


数字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。


PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。


PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。


高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。


新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。

手，

又开始痛了，

是在旧伤口！

不知道，

是不是，

不小心又弄伤？

还是，

伤口还没好？

没印象，

没感觉…

她真的很冷，只是我的感觉吧。

她没有一次主动打电话或发短信给我，

都是我给她的……

她回的信息也只有一句话，短短的一句话，几个字。

我们还能有什么结果？

她是小姨介绍给我的，

小姨说她上班很忙，最近赶货，天天加班。

说她人真的很好，可我们没见过。

她的手机又不能收发彩信，又不会上网。

呵，为了钱，真的可以什么都不要吗？

能不能休息一下呢？

钱赚的完吗？

能不能想我一下呢？

我真的快没有信心了……

呵，

为什么她会发错短信息给我？

其实，

她就是要发一个错的短信息给我，

她这是想好的，

为了引起我的胡思乱想。

为什么我遇上的女孩子，

都会用这一招？

哈，

还好我不怕！

这里很冷，

想找个给我温暖的地方……

想我，就来这看我。

失去了，

没有了，

一样的东西，

已经没有可能再重来。

简单的，

草率的，

撮合的爱情，

永远经不起时间的考验。

幸福，

我要的幸福啊，

如果不幸福，

至少我已经争取了，

轰烈不会有，

那就给我个残烈……

清爽的傍晚，

没有雨，

它应该是下累吧？

现在悄悄躲起。

上班前半个钟，

走在永昶集团的休闲广场上，

天上的光和地上的光，

交织在一起，

放射出无限的美丽。

多少俊男美女，

在这——

或切切私语，

或锻炼身体。

也有幸福的小朋友，

和带着她玩耍的夫妻。

还有溜冰场的狂歌、闪光、烟气……