第一章 认识PLC.doc

第1章 认识PLC PLC的概念、工作原理、产品介绍、应用领域。西门子S7-200PLC的集成开发环境。西门子S7-200型仿真软件介绍及使用方法。本章导读1概述三菱国产西门子1.1.1PLC简介PLC是Programmable Logic Controller的缩写，原意为可编程逻辑控制器。但随着PLC技术的发展，其功能不只限于早期的逻辑量控制，还具有了模拟量控制和通信等新功能，因此一段时期也使用过“PC”的名称，将其名称中的逻辑（Logic）去掉了，但为避免与“个人电脑（Personal Computer，也简称PC）”相冲突，所以目前一般仍沿用了“PLC”这一名称，意为“可编程序控制器”。 自从1968年第一台PLC在通用汽车公司问世以来，40年间，PLC技术获得了飞速的发展，其突出的控制灵活性和高可靠性，面向实际工作现场的设计以及易学易用的梯形图编程语言越来越得到了工程技术人员的认可，因此在现代电气控制领域PLC成为了应用最广泛的控制器，在各行各业，各种生产领域我们都能看到它的身影。图1.1.1是PLC在工业控制领域的应用。图1.1.1 PLC在工业领域的应用1.1.2PLC的外观、结构及工作原理1. PLC的外观图1.1.2 S7-200 PLC 图1.1.3 S7-300 PLC 图1.1.4 S7-400 PLC2. PLC的结构PLC像计算机一样由硬件和软件两大系统组成。PLC的硬件系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。如图6.1所示。PLC的软件系统由系统程序和用户程序构成，系统程序由PLC的厂家所编制，用户不能修改，其作用类似计算机的操作系统，用户程序是用户针对具体的控制任务所编写的控制程序，其作用类似计算机的应用程序。从外观上看PLC可以分为整体式（如图6.1所示）和模块式（如图6.2所示）。整体式PLC是将所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图6.4所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图6.5所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。图1.1.5 整体式PLC的组成框图图1.1.6 模块式PLC的组成框图3. PLC的工作原理为了满足控制的实时性，PLC采用了循环扫描的工作方式。虽然PLC与计算机都是依靠执行存储器中的程序来工作的，但是由于PLC应用在工业控制领域，需要准确的捕捉输入以及快速的响应，所以PLC采用了循环扫描的方式。当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。PLC的一个循环扫描周期经过内部处理、通信服务、输入采样、程序执行和输出刷新五个阶段： 如图1.1.7所示。 内部处理此阶段，CPU检查其硬件，用户程序存储器和所有I/O模块的状态。内部处理通信服务输入采样程序执行输出刷新开 机123451 通信服务扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。2 输入采样CPU以顺序扫描的方式对所有输入端子的输入状态进行采用，将采用结果存入输入映像寄存器中。3 程序执行CPU对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，CPU从输入映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，结果再存入映象寄存器中。通常要求输入信号有足够的脉冲宽度才能被响应。4 输出刷新当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，CPU将输出映象寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器），更新输出状态，并通过一定方式输出，驱动外部负载。然后PLC进入下一个循环周期，重新执行上述五个阶段，周而复始。如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。5图1.1.7 PLC扫描周期图解注意：完成一次扫描所需时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品CPU的类型。如图1.1.8和1.1.9所示为PLC程序执行过程图解。可编程控制器的接线方式是以可编程控制器本体为核心，将线路分成输入和输出两部分。输入元件和输出元件并不直接相连。 要点提示传统继电器控制电路PLC接线图输入输出指令图1.1.8 可编程控制器工作原理图1.1.9 PLC的工作过程1.1.3PLC的操作方法和步骤 对于广大初学者而言，要求能够根据一定的控制要求完成PLC控制系统的硬件连接和控制程序设计。一般步骤如图1.1.10所示。明确控制任务和要求分析控制对象选择PLCI/O地址分配设计PLC控制程序硬件连线和调试开 始满足要求？NOYES完 成123456应该在正确的理解控制要求的前提下，尽量将工艺流程简单化、顺序化，以便能用相对简单的编程方法来实现控制任务。对于较复杂的控制任务，要求画出控制流程方框图。 明确控制任务和要求1明确每一个输入和输出设备的作用，估算控制任务所需的PLC输入/输出（I/O）点数。PLC实验装置上输入设备一般是按钮，输出设备一般是信号灯。 分析控制对象2根据控制对象的要求和特点，合理选择PLC型号，考虑性价比和留出一定的扩展余地。 选择PLC3做出I/O地址分配表，绘制PLC的I/O连线图。详情见后续章节的实例。 I/O地址分配4根据控制任务和要求，选择一种编程方法完成PLC控制程序设计。 设计PLC控制程序5按控制任务和要求，根据I/O连线图，对PLC装置的输入输出进行线路连接。检查无误后，下载PLC控制程序，反复调试，直至满足要求。 硬件连线和调试6图1.1.10 PLC的操作步骤和方法图解1.1.4PLC的技术性能指标可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求，选择不同技术性能指标的PLC，可编程控制器的技术指标主要有以下几点。可编程控制器的I/O点数是指外部输入、输出端子数量的总和。它是PLC的一个重要的参数。点数越多，价格也越高。小型PLC的I/O点数少于256点；中型PLC的I/O点数在2561024之间；大型PLC的I/O点数大于1024点。 输入输出点数1PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。 存储器容量2可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。 扫描速度3指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。 指令系统4通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。 通信功能51.1.5PLC的应用领域和发展趋势1. 可编程控制器的应用目前，可编程控制器已经在各个工业部门得到广泛的应用，随着性价比的不断提高，应用范围还在持续扩大，主要有以下几个方面。1）逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制 2）运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起 3）过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制 4）数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 5）网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 2. 可编程控制器的发展趋势1） 向高集成、高性能、高速度，大容量发展 2） 向普及化方向发展 3） 向模块化、智能化发展 4） 向软件化发展 5） 向通信网络化发展2西门子S7200 PLC集成开发环境1.2.1STEP7-Micro/WIN的安装1. 安装条件操作系统：windows98以上的操作系统。计算机配置：IBM486以上兼容机，内存8MB以上，VGA显示器，50MB以上的硬盘空间。通信电缆：用一条PC/PPI电缆实现可编程控制器与计算机的通信。2. 编程软件的组成STEP7-Micro/WIN 32编程软件包括Microwin3.1，Microwin3.11，Toolbox（包括Uss协议指令：变频通信用；TP070：触摸屏的组态软件TpDesigner V1.0设计师）工具箱，以及Microwin4.0 Chinese等编程软件。3. 安装完成后的运行界面（如图1.2.1所示）程序编辑器指令树浏览条状态条输出窗口图1.2.1 STEP7-Micro/WIN 32软件界面4. 使用RS-232/PPI电缆连接S7-200PLC与编程设备图1.2.2 使用RS-232/PPI电缆连接S7-200PLC与编程设备连接RS-232/PPI多主站电缆的RS-232端（标识为“PC”）到编程设备的通讯口上。（本例中为COM 1）。连接RS-232/PPI多主站电缆的RS485端（标识为“PPI”）到S7-200的端口0或端口1。5. 通信参数设置硬件设置好后，按下面的步骤设置通信参数。（1）在STEP7-Micro/WIN32运行时单击通信图标，或从“视图（View）”菜单中选择“通信（Communications）”，则会出现一个通信对话框。（2）对话框中双击PC/PPI电缆图标，将出现PC/PG接口的对话框。（3）单击“属性（Properties）”按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，初学者可以使用默认的通信参数，在PC/PPI性能设置的窗口中按“默认（Default）”按钮，可获得默认的参数。默认站地址为2，波特率为9600b/s。 6. 建立在线连接在前几步顺利完成后，可以建立与S7-200 CPU的在线联系，步骤如下：（1）在STEP7-Micro/WIN32运行时单击通信图标，或从“视图（View）”菜单中选择“通信（Communications）”，出现一个通信建立结果对话框，显示是否连接了CPU主机。（2）双击对话框中的刷新图标，STEP7-Micro/WIN32编程软件将检查所连接的所有S7-200CPU站。（3）双击要进行通信的站，在通信建立对话框中，可以显示所选的通信参数 7. 修改PLC的通信参数计算机与可编程控制器建立起在线连接后，即可以利用软件检查、设置和修改PLC的通信参数。步骤如下：（1）单击浏览条中的系统块图标，或从“视图（View）”菜单中选择“系统块（System Block）”选项，将出现系统块对话框。（2）单击“通信口”选项卡，检查各参数，确认无误后单击确定。若须修改某些参数，可以先进行有关的修改，再单击“确认”。（3）单击工具条的下载按钮，将修改后的参数下载到可编程控制器，设置的参数才会起作用。 1.2.2STEP7-Micro/WIN开发环境1. 主菜单图1.2.3 主菜单2. 工具条1）标准工具条（standard）标准工具条中部分按钮的功能如图1.2.4所示。编译全部编译上载至电脑下载至PLC降序排列升序排列选项图1.2.4 标准工具条2）调试工具条（debug）各快捷按钮如图1.2.5所示。运行停止程序状态监控暂停程序状态监控状态表监控暂停趋势图单次读取全部写入强制取消强制取消全部强制读取全部强制趋势图图1.2.5 调试工具条3）公用工具条（common）公用工具条在编辑修改梯形图程序时非常有用，可以快速插入/删除网络，快速开启/隐藏网络注释，查看/隐藏网络的符号信息表。图1.2.6 公用工具条4）指令工具条（instructions）编写梯形图程序时，指令树和指令工具条配合使用，可加快编写速度。向下连线向上连线向左连线向右连线触点线圈指令盒图1.2.7 指令工具条3. 浏览条（Navigation Bar）主要用来实现窗口的快速切换。 图1.2.8 浏览条 图1.2.9 指令树4. 指令树指令树中各项目分支用于组织程序项目。5. 用户窗口用户窗口包括：交叉引用、数据块、状态表、符号表、程序块和系统块。6. 输出窗口输出窗口用来显示STEP7-Micro/WIN32程序编译后的结果，如编译有无错误、错误编码和位置等。1.2.3STEP7-Micro/WIN主要编程功能1. S7-200的编程元素及项目组件程序组织单位（POU）主程序子程序中断程序图1.2.10 PLC的程序组织框图项目（Project）程序块系统块状态表数据块符号表交叉引用图1.2.11 PLC项目组成框图程序块：由可执行代码和注释组成。可执行代码由一个主程序和可选子程序或中断程序组成。 在指令树中右击“程序块”图标可以插入子程序和中断程序。数据块：由数据（包括初始内存值和常数值）和注释组成。系统块：用来设置系统参数。创建新项目输入程序编写注释编辑程序编译程序12345图1.2.12 梯形图程序输入步骤 单击“浏览条”上的“系统块”按钮，或单击“指令树”中的“系统块”图标，可查看并编辑系统块。2. 梯形图程序的输入步骤S7-200仿真软件介绍31.3.1S7-200仿真软件简介在没有任何硬件的情况下，仿真软件可以帮助我们观察程序运行的结果正确与否，以便及时修正错误。使用仿真软件可以大大节约成本和提高学习效果。西门子S7200的仿真软件Simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持TD200仿真界面和增减计数器等多种指令。Simulation1.1版则在汉化版中打开TD200仿真界面后出现非法操作的问题。在Simulation1.2版中仿真，必须根据编程软件Step 7 MicroWin的版本按照上述步骤操作。在Simulation1.1版中仿真，则两种方法均可。1. 软件界面如图1.3.1所示输出指示灯CPU型号工作模式输入指示灯输入拨动开关上为ON下为OFF特殊继电器图1.3.1 S7-200仿真软件界面2. 软件主菜单如图1.3.2所示3. 仿真软件的工具条如图1.3.3所示移去程序装载程序粘贴代码粘贴数据块运行停止交换I/O输出I/O查看代码查看数据块监视内存TD200非强制关于对话框图1.3.3 仿真软件工具条4. TD200显示面板如图1.3.4所示图1.3.2 TD200显示面板1.3.2S7-200仿真软件的使用1. 如果使用Step 7 MicroWin V3.1版本，其步骤为：1）在 Step 7 MicroWin V3.1 中新建一个项目。2）输入程序，编译正确后转换成STL编程语言界面（检视（V） STL(S)）。3）打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”(或在已有的CPU图案上双击)。4）在弹出的对话框中选择CPU型号，要与你项目中的型号相同。5）点击“程序（P）”-“粘贴程序（OB1）”(或工具条中的第3个按钮)。在Step 7 MicroWin V3.1的STL编程语言界面复制时，必须完整复制指令，例如必须包含网络序号“NETWORK 1”等。6）点击“查看（E）”“内存监视（M）”(或工具条中的第12个按钮)输入想要监视的地址。7）点击“PLC”-“运行”(或工具栏上的绿色三角按钮)， 程序已经开始模拟运行。2. 如果使用Step 7 MicroWin V3.2版本，其步骤为：1）在 Step 7 MicroWin V3.2 中新建一个项目。2）输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为 AWL 文件。3）打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”(或在已有的CPU图案上双击)。4）在弹出的对话框中选择CPU型号，要与你项目中的型号相同。5）点击“程序”-“载入程序”(或工具条中的第2个按钮)。6）会有个对话框，只选择“逻辑块（L）”并选择Step 7