PLC的自动化控制系统的优化设计.docx
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PLC的自动化控制系统的优化设计.docx
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PLC的自动化控制系统的优化设计
PLC的自动化控制系统的优化设计(转贴)
1引言
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的启停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等,而PLC技术是解决上述问题的最有效、最便捷的工具,因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。
下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。
2PLC系统设备选型
PLC最主要的目的是控制外部系统。
这个系统可能是单个机器,机群或一个生产过程。
不同型号的PLC有不同的适用范围。
根据生产工艺要求,分析被控对象的复杂程度,进行I/O点数和I/O点的类型(数字量、模拟量等)统计,列出清单。
适当进行内存容量的估计,确定适当的留有余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器)。
并且结合市场情况,考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况,选定价格性能比较好的PLC机型。
目前市场上的PLC产品众多,国外知名品牌有德国的SIEMENS;日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。
国产品牌有研华、研祥、合力时等。
近几年,PLC产品的价格有较大的下降,其性价比越来越高。
PLC的选型应从以下几个方面入手。
2.1确定PLC控制系统的规模
依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。
可分为大、中、小三种规模。
小规模PLC控制系统:
单机或者小规模生产过程,控制过程主要是条件、顺序控制,以开关量为主,并且I/O点数小于128点。
一般选用微型PLC,如SIEMENSS7-200等。
中等规模PLC控制系统:
生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制,I/O点数在128——512点之间。
应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC,如SIEMENSS7-300等。
大规模PLC控制系统:
生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制,I/O点数在512点以上。
应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC,如SIEMENSS7-400等,再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制
2.2确定PLCI/O点的类型
根据生产工艺要求,分析被控对象的复杂程度,进行I/O点数和I/O点的类型(数字量、模拟量等)统计,列出清单。
适当进行内存容量的估计,确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型(小、中、大型机器)。
根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型,是大电流还是小电流,以及PLC输出点动作的频率等,从而确定输出端采用继电器输出,还是晶体管输出,或品闸管输出。
不同的负载选用不同的输出方式,对系统的稳定运行是很重要的。
电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备,PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。
2.3确定PLC编程工具
(1)一般的手持编程器编程。
手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表(STL)编程。
这种方式效率低,但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜,具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。
这主要用于微型PLC的编程。
(2)图形编程器编程。
图形编程器采用梯形图(LAD)编程,方便直观,一般的电气人员短期内就可应用自如,但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。
(3)计算机加PLC软件包编程。
这种方式是效率最高的一种方式,但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵,并且该方式不易于现场调试,主要用于中高档PLC系统的硬件组态和软件编程
3PLC控制系统的设计
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
3.1PLC控制系统的硬件设计
硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节,这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。
主要包括输入和输出电路两部分。
(1)PLC控制系统的输入电路设计。
PLC供电电源一般为AC85—240V,适应电源范围较宽,但为了抗干扰,应加装电源净化元件(如电源滤波器、1:
1隔离变压器等);隔离变压器也可以采用双隔离技术,即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地,次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地,以减小高低频脉冲干扰。
PLC输入电路电源一般应采用DC24V,同时其带负载时要注意容量,并作好防短路措施,这对系统供电安全和PLC安全至关重要,因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行,一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍,PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝,防止短路。
(2)PLC控制系统的输出电路设计。
依据生产工艺要求,各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出,它适应于高频动作,并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6次以下,应首选继电器输出,采用这种方法,输出电路的设计简单,抗干扰和带负载能力强。
如果PLC输出带电磁线圈等感性负载,负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击,为此,对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管,对交流感性负载应并接浪涌吸收电路,可有效保护PLC。
当PLC扫描频率为10次/min以下时,既可以采用继电器输出方式,也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器(SSR),再驱动负载。
对于两个重要输出量,不仅在PLC内部互锁,建议在PLC外部也进行硬件上的互锁,以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。
对于常见的AC220V交流开关类负载,例如交流接触器、电磁阀等,应该通过DC24V微小型中间继电器驱动,避免PLC的DO接点直接驱动,尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。
(3)PLC控制系统的抗干扰设计。
随着工业自动化技术的日新月异的发展,晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛,这带来了交流电网的污染,也给控制系统带来了许多干扰问题,防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。
一般采用以下几种方式:
隔离:
由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成,所以建议采用1:
1超隔离变压器,并将中性点经电容接地。
屏蔽:
一般采用金属外壳屏蔽,将PLC系统内置于金属柜之内。
金属柜外壳可靠接地,能起到良好的静电、磁场屏蔽作用,防止空间辐射干扰。
布线:
强电动力线路、弱电信号线分开走线,并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆
3.2PLC控制系统的软件设计
在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。
软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图,这是PLC应用的最关键的问题,程序的编写是软件设计的具体表现。
在控制工程的应用中,良好的软件设计思想是关键,优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。
(1)PLC控制系统的程序设计思想。
由于生产过程控制要求的复杂程度不同,可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。
基本程序:
既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程,也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想,基本程序的结构方式只有三种:
顺序结构、条件分支结构和循环结构。
模块化程序:
把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块,分别编写和调试,最后组合成一个完成总任务的完整程序。
这种方法叫做模块化程序设计。
我们建议经常采用这种程序设计思想,因为各模块具有相对独立性,相互连接关系简单,程序易于调试修改。
特别是用于复杂控制要求的生产过程。
(2)PLC控制系统的程序设计要点。
PLC控制系统I/O分配,依据生产流水线从前至后,I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址,以利于维护。
定时器、计数器要统一编号,不可重复使用同一编号,以确保PLC工作运行的可靠性。
程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位(不是I/O位),也要统一编号,进行分配。
在地址分配完成后,应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。
彼此有关的输出器件,如电机的正/反转等,其输出地址应连续安排,如Q2.0/Q2.1等。
(3)PLC控制系统编程技巧。
PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了,易于编程输入,少占内存,减少扫描时间,这是PLC编程必须遵循的原则。
下面介绍几点技巧。
PLC各种触点可以多次重复使用,无需用复杂的程序来减少触点使用次数。
同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出,双线圈输出容易引起误动作,在程序中尽量要避免线圈重复使用。
如果必须是双线圈输出,可以采用置位和复位操作(以S7-300为例如SQ4.0或者RQ4.0)。
如果要使PLC多个输出为固定值1(常闭),可以采用字传送指令完成,例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1,可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。
对于非重要设备,可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端,或者通过PLC编程来减少I/O点数,节约资源。
例如:
我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止,就可以采用二分频来实现。
模块化编程思想的应用:
我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块,正反转点动封装成为一个模块,在PLC程序中我们可以重复调用该模块,不但减少编程量,而且减少内存占用量,有利于大型PLC程序的编制。
4PLC控制系统程序的调试
PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容,良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。
4.1I/O端子测试
用手动开关暂时代替现场输入信号,以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证,PLC输入端子的指示灯点亮,表示正常;反之,应检查接线或者是I/O点坏。
我们可以编写一个小程序,在输出电源良好的情况下,检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。
PLC输入端子的指示灯点亮,表示正常。
反之,应检查接线或者是I/O点坏。
4.2系统调试
系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好,然后装载程序于PLC中,运行PLC进行调试。
将PLC与现场设备连接。
在正式调试前全面检查整个PLC控制系统,包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。
在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。
把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。
反复调试消除可能出现的各种问题。
在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的调试。
应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。
调试中多数是控制程序问题。
一般分以下几步进行:
(1)对每一个现场信号和控制量做单独测试;
(2)检查硬件/修改程序;
(3)对现场信号和控制量做综合测试;
(4)带设备调试;
(5)调试结束。
5结束语
PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程,要想做到熟练自如,需要反复设计和实践。
本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结,在实际应用中具有良好的效果。
PLC现场工程师工作指南(上)
在我从事自动化的职业生涯近二十年的时间里,我发现现场调试的工程师的能力和工作水平的高低,对于一个项目的成败是最关键的因素。
但许多工程师在赶赴现场执行任务前,缺乏必要的心理准备和技术准备,因此,到现场后根本无法发挥自己的能力。
因此,在这里把自己的一些体会写出来,希望能够对所有的技术工程师有一些启发。
一、出发前的准备
从事PLC的技术支持的人,如果是要到现场开始进行系统调试,无论是对OEM客户,还是对一个过程控制的系统集成,都要在事先做好一些准备工作。
就像一个“驴友”出行前,要更换自己的服装尤其是鞋子,带好水、食品,还要准备在野外的一些防身用品,如果是过夜的话,还要有帐篷、手电筒等一样,作为一个职业的PLC技术支持工程师,也有不少的东西是要准备的。
首先要安排自己的行程计划和衣食住行。
如果是需要住宿的话,那么如何定机票、酒店(旅馆、招待所),这里就不多说了。
如果时间很长(如超过一个月),为了省钱,就要考虑在当地租房子了,尤其是出发的是一个小组,而不是一个人的时候。
衣食住行,这些问题与普通的旅行是一样的,虽然这些问题对你完成任务的影响力并不亚于你的专业水平。
想象一下,你到了现场,因为食物中毒导致一个星期拉痢疾的情况会对工作造成什么样的影响,就知道该准备那些东西了。
通常,有经验的自动化公司的行政部门会为工程师考虑好这些情况,但是,作为工程师自己一定要进行确认,看看是否所有的事情都已经安排好了。
安顿好了衣食住行的后,要准备自己的工具。
作为PLC的现场调试工程师,并不需要很多的调试工具。
但是,一个螺丝刀、一台万用表,还是必备的。
另外,如果要与现场的仪表传感器进行系统联调的时候,还要有一台信号发生器来模拟现场仪表的信号,以确定当发生问题时,现场的信号是完好的。
还有,一台结实的手提电脑,是你编程和调试的必需的工具。
虽然这些工具你可以要求用户准备好,但是,作为一个职业的PLC工程师,如果连这几样工具都没有,会被用户怀疑你的职业水平的。
其它的一些仪器仪表,如果需要的话,你可以向公司或者客户提出来,让他们提前准备,比如,示波器、稳压电源等等。
毕竟这些不那么通用的仪器,通常是不可能随身携带或备用的。
有一些常被忽视的小东西,你准备了之后一定有用的。
如,电气胶带、热缩套管、打火机(你吸烟的话自然会有,没有别人也会有),束线带、还有,如果现场接线已经完成了,要准备好一些与信号线相同的电缆,和一些固定基座的螺丝。
你可能怀疑要这些做什么用,相信我,带上这些,虽然有些只值几分钱,但到了现场后,可能会节约你一天甚至几天的时间,尤其是你去的地方是在一个偏远的山区的时候。
虽然在发货的时候厂家都有螺丝钉,但是到了现场什么都有可能发生,如果螺丝钉不够(而这是每次都必然发生的),会引起许多问题。
除了以上的东西,就是这次调试所要带的备品备件了。
虽然现场的货物清单可能会已经考虑了备品备件的问题,但为了应付万一的情况,有些备件你最好还是自己要随身携带。
首先是PLC的基板(有的成为机架)、电源、CPU模块,因为这些是一台PLC能够工作的基础,如果现场只有一套系统,那么这些模块就只有一个,假如没有备分的话,一旦出现故障,你的所有的工作都必须停下来。
因此最好带上一套。
其它的I/O模块和通讯模块,如果现场只有一个的,你都要考虑在多带一个。
对于那些现场已经有两块以上的模块,你就不用考虑自己带了。
二、设计交底工作
如果系统设计不是你自己做的,那么在出发前,就要与系统的设计人员进行充分的沟通,对于不清楚和不明白的地方,一定要弄清楚,确保自己清晰地理解了要完成的工作目标,和设计者的意图。
不要轻易否定设计者的方案,也不要轻易地说别人那里设计得不行。
但是,因为你是从事现场的工程师,因此,也不必过于迷信设计者。
你可以提出自己的建议。
比如,PLC的机架和CPU模块和I/O模块的搭配原则,可能有时候,设计师不知道你所用的PLC的机架有4槽、6槽和8槽,甚至12槽的,因此,也许全部都选了8槽的,而导致了几个槽的空缺,你可以建议它修改为4槽或6槽的。
方案设计中,最容易出问题的地方是通讯,现场调试最麻烦的地方也是通讯,所以对于通讯的部分,你必须清晰了解系统的框架结构,并且对需要进行通讯的东西在出发前就要全部进行一遍调试,而且要确认其中的所有需要通讯的模块是可以通讯的。
比如,操作台电脑、触摸屏、PLC、变频器、其它的PLC、一些智能仪表和仪器,如果这些东西需要通讯的话,你必须要确认它们相互之间是可以通讯的,如果你不确认的话,就要与厂家联络,并亲自再试一次。
如果PLC的节点数较多,要考虑距离和厂家CPU的限制。
如果系统较大,远程单元、本地机架数量、每个机架的模块数量的限制,并非出于系统功能和技术上的限制,而是由于使用规范性的限制。
在系统硬件组态时,要考虑这些模块的搭配作用。
对于电源模块的配置,一个资深的工程师应该能够做出比较合理的搭配。
例如,电源模块通常有5A和10A的分别,如果模块较少,可以选用功率小的电源模块,如果模块较多,则应该选用大功率的电源模块。
而一般,如果现场仪表需要PLC也供应24V直流电源而不是采用外部电源供电(如RTU)的情景,通常CPU所在的机架上选用大功率的电源比较合理。
此外,在I/O模块的安装时,根据不同的系统,通常同型号的模块放置在一起。
但是,如果对于输出模块与输入模块形成回路的,则可以将一个回路的参量所涉及的模块放置在一个机架上(或一个CPU所控制的机架上)比较合理。
有的设计师在设计的时候不会考虑这一点,你可以调整过来。
在选型的时候,因为各种PLC都有大型、中型、小型的分别,这些分别主要是由CPU模块的性能不同造成的。
在实际上,并非一定大型的功能就是合适的。
除了价格方面的考量之外,主要是,如果控制点数不多,小型的CPU模块完全可以胜任,则小型的CPU反而比大型的CPU模块工作还要可靠一些。
因为,小型的CPU所涉及的资源少,而大型CPU的资源多,在程序执行中,为处理那些程序不需用到的资源时,也要分配时间去处理,这样不仅造成资源的浪费,可能在程序处理上不及小型CPU可以更单纯和稳定地工作。
在设计交底的过程中要指出的是,对于设计中的任何变更,你只能提建议,而不是擅自做修改。
因为,你的职责是按照设计施工,而不是设计,因此,对于任何你发现的不合理的东西,你可以提出意见,但必须要等到设计变更确认书下到你手里后,你才能按照变更后的设计工作,尽管这个变更可能是你的意见。
还有,即使最初的设计也是你做的,你在变更后,也要通知客户,并取得客户的书面同意。
三、装机步骤
到了现场后,进行系统安装前,需要考虑安装环境是否满足PLC的使用环境要求,这一点可以参考各类产品的使用手册。
但无论什么PLC,不都能装设在下列场所:
含有腐蚀性气体之场所,阳光直接照射到的地方,温度上下值在短时间内变化急遽的地方,油、水、化学物质容易侵入的地方,有大量灰尘的地方,振动大且会造成安装件移位的地方。
如果必须要在上面的环境使用,则要为PLC制作合适的控制箱,采用规范和必要的防护措施。
如果需要在野外极低温度下使用,可以使用有加热功能的控制箱。
如何做这些防护箱或控制箱,各制造商和和资格的系统集成商将会为客户提供相应的供应和设计。
在使用控制箱时,在控制箱内OpenPLC安装的位置要注意如下事项:
控制箱内空气流通是否顺畅(各装置间须保持适当的距离),变压器、马达控制器、变频器等是否与PLC保持适当距离,动力线与信号控制线是否分离配置,组件装设之位置是否利于日后之检修,是否需预留空间,供日后系统扩充使用。
除了上述注意事项之外,还有其它注意事项要留意。
首先比较重要的是静电的隔离。
静电是无形的杀手,但可能因为不会对人造成生命危险,所以许多人常常忽视它。
在中国的北方、干燥的场所,人体身上的静电都是造成静电损坏电子组件的因素。
虽然你被静电打到的话,只不过是轻微的酥麻,但这对PLC和其它任何电子器件就足以致命了。
要避免静电的冲击有下列三种方式:
在进行维修或更换组件时,请先碰触接地的金属,以去除身上的静电;不要碰触电路板上的接头或是IC接脚;电子组件不使用时,请用有隔离静电的包装物,将组件放置在里面。
想象PLC里的元器件是一个娇嫩的婴儿,而那些静电会导致这个婴儿死亡,你就会更容易以正确的态度对待这个问题了。
基座安装(RACK)时,在决定控制箱内各种控制组件及线槽位置后,要依照图纸所示尺寸,标定孔位,钻孔后将固定螺丝旋紧到基座牢固为止。
在装上电源供应模块前,必须同时注意电源线上的接地端有无与金属机壳连结,若无则须接上。
接地不好的话,会导致一系列的问题,静电、浪涌、外干扰,等等。
由于不接地,往往PLC也能够工作,因此,不少经验不足的工程师就误以为接地不那么重要了。
这就像登山的时候,没有系上保护缆绳一样,虽然你正常前进的时候,保护缆绳没有任何作用,但一旦你失足的时候,没有那根绳子,你的生命就完结了。
PLC的接地,就相当于给PLC系上保护缆绳。
在I/O模块安装时,须注意如下事项:
I/O模块插入机架上的槽位前,要先确认模块是否为自己所预先设计的模块;I/O模块在插入机架上的导槽时,务必插到底,以确保各接触点是紧密结合的;模块固定螺丝务必锁紧;接线端子排插入后,其上下螺丝必须旋紧。
由于现场的变压器、电机等影响,多少会有振动,如果这些螺丝钉松动了,会导致模块从机架中松开。
PLC现场工程师工作指南(下)
(续前)
四、硬件模块的组态和确认
对于各种PLC的现场硬件组态和软件调试,通常有经验的工程师应该先花一些时间对自己的现场工作进行一个简单的规划,通常应当采取如下的步骤:
(1)系统的规划
首先,必须深入了解系统所需求的功能,并调查可能的控制方法,同时与用户或设计院共同探讨最佳之操作程序,根据所归纳之结论来拟定系统规划,决定所采行的PLC系统架构、所需之I/O点数与I/O模块型式。
(2)I/O模块选择与地址设定
当I/O模块选妥后,依据所规划之I/O点使用情形,由PLC的CPU系统自动设定I/O地址,或由使用者自定I/O模块的地址。
(3)梯形图程序的编写与系统配线
在确定好实际的I/O地址之后,依据系统需求的功能,开始着手梯形图程序的编写。
同时,I/O之地址已设定妥当,故系统之配线亦可着手进行。
(4)梯形图程序的仿真与修改
在梯形图程序撰写完成后,将程序写入PLC,便可先行在PC与OpenPLC系统做在线连接,以执行在线仿真作业。
倘若程序执行功能有误,则必须进行除错,并修改梯形图程序。
(5)系统试车与实际运转
在线上程序仿真作业下,若梯形图程序执行功能正确无误,且系统配线亦完成后,便可使系统纳入实际运转,项目计划亦告完成。
(6)程序注释和归档
为确保日后维修的便利,要将试车无误可供实际运转的梯形图程序做批注,并加以整理归档,方能缩短日后维修与查阅程序之时间。
这是职业工程师的良好习惯,无论对今后自己进行维护,或者移交用户,这都会带来极大的便利,而且是你的职业水准的一个体现。
以上工作中,复杂的系统规划可能需要几天甚至更长的时间,但一个简单的系统规划在一个具有良好的职业习惯的编程工程师手中,可能只需要几个小时。
这里要强调一个问题,是十分简单但却几乎每个项目都会发生的,那就是对PLC的接线。
这往往是经验不足的工程师常常忽略的一个问题。
其实,现场调试大部分的问题和工作量都是在接线方面。
有经验的工程师首先应当检查现场的接线。
通常,如果现场接线是由用户或者其它的施工人员完成的,则通过看其接线图和接线的外观,就可以对接线的质量有个大致的判断。
然后要对所有的接线进行一次完整而认真的检查。
现场由于接线错误而导致PLC被烧坏的情况屡次发生,在进行真正的调试之前,一定要认真地检查。
即便接线不是你的工作,检查接线也是你的义务和责任,而且,可以省去你后面大量的时间。
五、通讯的设置
现在的PLC大多数需要与人机界面进行连接,而下面也常常有变频器需要进行通讯,而在需要多个CPU模块的系统中,可能不同的CPU所接的I/O模块的参量有需要协同处理的地方,或者,即使不
需要协同控制,可能也要送到某一个中央控制室进行集中显示或保存数据。
即便只有一个CPU模块,如果有远程单元的话,就牵涉到本地CPU模块与远程单元模块的通讯。
此外,即使只有本地单元,CPU模块也需要通过通讯口与编程器进行通讯。
因此,PLC的通讯是十分重要的。
而且,由于涉及到不同厂家的产品,通讯往往是令人头痛的问题。
PLC的通讯有RS232、RS485、以太网等几种方式。
通讯协议有MODBUS、PROFIBUS、L
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