什么是架构？它与PLC程序有何关联？ (什么是架构图)

文章标题：解析架构概念及其在PLC程序设计中的应用（什么是架构图）

一、引言

在当今技术快速发展的时代，各行各业都在不断引入先进的科技手段以提高生产效率与质量。
在这个过程中，架构与PLC程序作为工业自动化领域的重要组成部分，发挥着举足轻重的作用。
本文将详细解析架构的概念及其与PLC程序之间的关联，同时介绍什么是架构图，以便读者更好地理解和应用。

二、什么是架构？

架构，又称为体系结构或系统架构，是一种对计算机系统或软件系统的整体结构和组件之间关系的描述。
简单来说，架构就是系统各个部分的组织结构、相互关系和交互方式。
它关注的是系统的整体设计、模块划分、数据流程以及各个部分的功能分配等问题。
架构的设计目的是确保系统具有良好的性能、可扩展性、可维护性和可靠性。

三、架构与PLC程序的关联

PLC（可编程逻辑控制器）是工业自动化领域的一种重要设备，广泛应用于各种生产设备和生产线的控制。
PLC程序则是为了实现特定的控制逻辑而编写的代码。
而架构在PLC程序设计中起着至关重要的作用。

PLC程序的架构设计是确保整个系统稳定运行的关键。
一个合理的架构设计能够确保PLC程序具有清晰的逻辑结构，使得代码易于阅读、理解和维护。
良好的架构设计还能够提高PLC程序的性能，降低出错的可能性。

架构在PLC程序设计中的另一个重要作用是支持系统的可扩展性和可配置性。
在现代工业生产中，生产设备和生产线的规模不断扩大，功能需求也在不断增加。
因此，PLC程序的架构设计需要考虑到系统的可扩展性和可配置性，以便在需要时能够方便地添加新的功能或模块。

四、什么是架构图？

架构图是一种用于描述系统架构的图形化表示方法。
通过架构图，可以清晰地展示系统的各个组件、模块以及它们之间的关系和交互方式。
架构图通常包括系统的主要模块、模块之间的关系、数据流程、系统边界等信息。

在PLC程序设计领域，架构图常用于描述PLC系统的整体结构、PLC与其他设备之间的连接关系以及PLC程序中的数据处理流程等。
通过架构图，工程师可以直观地了解系统的组织结构，从而更好地进行PLC程序的设计和调试。

五、结论

架构是计算机系统或软件系统的整体结构和组件之间关系的描述，它在PLC程序设计中起着至关重要的作用。
通过合理的架构设计，可以确保PLC程序具有良好的性能、可扩展性和可维护性。
而架构图作为一种图形化表示方法，可以清晰地展示系统的架构，有助于工程师更好地进行PLC程序的设计和调试。

在未来工业自动化领域的发展中，随着生产设备和生产线的规模不断扩大，功能需求不断增加，对PLC程序设计的要求也将越来越高。
因此，掌握架构的概念及其在PLC程序设计中的应用，将有助于提高工程师的设计能力，为工业自动化领域的发展做出更大的贡献。

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PLC工作原理

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），一种具有微处理机的数位电子设备，用于自动化控制的数位逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。 可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比等单元所模组化组合成。 广泛应用于目前的工业控制领域。 在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。 可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。 最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controller），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（Personal Computer ）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。 现在工业上使用可编程逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑(采用嵌入式操作系统)与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。 PLC可接收(输入)及发送(输出)多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。 发展历史可编程控制器的兴起与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。 PLC 源起于1960 年代，当时美国美国通用汽车公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。 在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。 它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。 针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标。 随后，美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。 由于当时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。 最早期的PLC只具有简易之逻辑开/关(on/off)功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。 1970 年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多位元之数位信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程式之编写。 这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的反响。 日本在1971年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技术。 中国则于1977年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为MC。 1970 年代中期，PLC功能加入远距通讯、类比输出输入、NC 伺服控制等技术。 1980 年代以后更引进PLC 高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。 PLC之功能早已不止当初数位逻辑之运算功能，因此近年来PLC常以可编程控制器PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。 因此能大大减少控制器所需之硬件空间。 实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。 在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”： PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。 步骤二“程式执行”： 将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。 输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。 步骤三“输出状态更新”： 将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。 每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。 硬件结构一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。 但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。 对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。 无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

siemens西门子编程架构标准

Siemens（西门子）的编程架构标准主要遵循TIA Portal（Totally Integrated Automation Portal）的编程环境和指导原则，其中涵盖了从PLC（可编程逻辑控制器）编程到HMI（人机界面）设计，再到驱动技术配置等工业自动化领域的各个方面。 详细Siemens西门子公司的TIA Portal是其工业自动化解决方案的核心平台，它提供了一个统一的工程环境，用于配置、编程、测试和调试所有西门子自动化产品。 在这个环境中，编程架构标准确保了不同工程师之间工作的一致性和可维护性。 1. 结构化编程：TIA Portal推荐使用结构化文本（ST）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）等编程语言，并采用模块化和功能块的方式进行编程。 这种方式将复杂的自动化任务分解成更小、更易于管理的部分，每个功能块都有其明确的功能和输入输出。 例如，一个电机控制程序可以被分解为启动、停止、速度控制等多个功能块。 2. 库和模板的使用：为了进一步提高效率和代码重用性，TIA Portal提供了丰富的库和模板资源。 这些库包含了预先编程好的功能块，如PID控制器、通信模块等，而模板则提供了HMI设计、项目结构等方面的快速启动工具。 3. 数据管理和标签：在TIA Portal中，数据的管理也是非常重要的一部分。 通过使用全局变量、局部变量和数据块（DB），工程师可以有效地组织和访问项目中的数据。 此外，标签（Tag）系统使得在HMI和PLC代码之间共享数据变得简单直接。 4. 诊断和调试：TIA Portal还提供了强大的诊断和调试工具，帮助工程师快速定位和解决问题。 这些工具包括实时变量监视、断点设置、强制变量值等，它们都是确保编程质量和提高维护效率的关键因素。 通过遵循这些编程架构标准，Siemens西门子的用户能够创建出既可靠又易于维护的自动化解决方案。 这些标准不仅适用于新项目的开发，也适用于现有项目的改造和扩展。

PLC相关概述

PLC（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。

现在工业上使用的可编程逻辑控制器已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于目前的各类工业控制领域。

PLC的背景：

美国汽车工业生产技术要求的发展促进了PLC的产生，20世纪60年代，美国通用汽车公司在对工厂生产线调整时，发现继电器、接触器控制系统修改难、体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差，于是提出了著名的“通用十条”招标指标。

1969年，美国数字化设备公司研制出第一台可编程控制器(PDP-14)，在通用汽车公司的生产线上试用后，效果显著；1971年，日本研制出第一台可编程控制器(DCS-8)；1973年，德国研制出第一台可编程控制器。

以上内容参考：网络百科—PLC