第7章 可编程控制器

第7章可编程控制器 7 1可编程控制器概述7 2可编程控制器的硬件配置7 3西门子S7 200系列可编程控制器简介7 4可编程逻辑控制器程序设计 什么是PLC 是一种工业控制装置 是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的 并逐渐发展成为以微处理器为基础 将计算机技术 半导体集成技术 自动控制技术 数字技术 通信网络技术融为一体的一种新型通用工业自动控制装置 通用叫法中文名称为可编程控制器 ProgrammableController PC 为区别于PersonalComputer PC 故沿用最初英文名称为ProgrammableLogicController 简称PLC 7 1可编程控制器概述 7 1 1发展历史 19世纪末揭开了电气控制技术的序幕 20世纪30年代出现了继电接触器控制系统 因为继电接触器控制系统的缺点 接线复杂 体积大 耗能多 不便于检查和维护 有触点的电器工作频率很低 在频繁动作情况下寿命短 从而造成系统故障 使生产线的可靠性降低 甚至可能严重地影响生产 如果工艺要求发生变化 控制柜内的元件和接线需要作相应的变动 改造的工期长 费用高 1 可编程控制器的产生 背景 1968年 美国通用汽车 GM 公司为实现 多品种 小批量 不断翻新汽车品牌型号 的战略 公开招标新型工业控制装置 它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线 以降低成本 缩短周期 1968年 GM公司提出新型工业控制装置的十项设计标准 编程简单 可在现场修改程序 维护方便 采用插件式结构 可靠性高于继电器控制柜 体积小于继电器控制柜 成本可与继电器控制柜竞争 可将数据直接送入计算机 可直接使用115V交流输入电压 输出采用115V交流电压 能直接驱动电磁阀 交流接触器等 通用性强 扩展方便 能存储程序 存储器容量可以扩展到4KB 1969年 美国数字设备公司研制第一台可编程控制器 并应用于工业现场 2 PLC的四个发展阶段 第一代 用一位机开发 磁芯存储器存储 只具有单一的逻辑控制功能 第二代 使用8位微处理器及半导体存储器 产品开始系列化 第三代 高性能微处理器的使用 使PLC的处理速度大大提高 从而促使它向多功能及联网通讯方向发展 第四代 不仅全面使用16位 32位高性能微处理器 精简指令系统CPU RISC 等高级CPU 而且在一台PLC中配置多个微处理器 进行多道处理 同时 生产了大量内含微处理器的智能模板 使得第四代PLC成为具有逻辑控制功能 过程控制功能 运动控制功能 数据处理功能 联网通讯功能的真正名副其实的多功能产品 同一时期 由PLC构成的PLC网络也得到飞速发展 3 可编程控制器的定义 1985年 国际电工委员会 IEC 定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来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 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有关外围设备 都应按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 1987年 美国电气制造协会也对PLC作定义 可编程序控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟I O接口 以位运算为主 能完成逻辑 顺序 定时 计数和算术运算功能 用于控制机器或生产过程的自动控制装置 4 PLC控制系统与传统继电器控制系统的区别 1 PLC控制系统内部大多采用 软 继电器 软 接点和 软 线连接 其控制逻辑由存储在内存中的程序实现 且无磨损现象 寿命长 2 PLC控制系统结构紧凑 体积小 连线少 3 PLC控制功能改变 一般仅修改程序即可 极方便 4 PLC每只软继电器供编程用的触点数有无限对 使PLC控制系统有很好的灵活性和扩展性 5 在PLC中 由于采用扫描工作方式 不存在几个并列支路同时动作的因素 因此设计过程大为简化 可靠性增强 6 PLC控制系统具有自检功能 能查出自身的故障 随时显示给操作人员 并能动态地监视控制程序的执行情况 为现场调试和维护提供了方便 还具有联网功能 5 PLC与微型计算机的主要差异及特点 1 PLC抗干扰性能较微型计算机高 2 PLC编程比微型计算机简单 3 PLC组成的控制系统设计调试周期短 4 PLC的输入 输出响应速度慢 有较大的滞后现象 一般为ms级 而微型计算机的响应速度快 为ns级 5 PLC易于操作 人员培训时间短 而微型计算机则比较难 6 PLC便于维修 微型计算机则较困难 7 1 2性能特点 无触点免配线 可靠性高 抗干扰能力强通用性强 控制程序可变 使用方便硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强编程简单 容易掌握系统的设计 安装 调试工作量少维修工作量小 维护方便体积小 能耗低 性能价格比高 1 可编程控制器的应用领域 7 1 3应用及发展趋势 控制柜内PLC 控制柜内部 控制柜触摸显示屏 控制柜 向高性能 高速度 大容量发展为了提高PLC的处理能力 要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量 目前 有的PLC的扫描速度可达0 1ms k步左右 PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标 在存储容量方面 有的PLC最高可达几十兆字节 为了扩大存储容量 有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘 2 PLC的发展趋势 向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展 使配置更加灵活 为了市场需要已开发了各种简易 经济的超小型微型PLC 最小配置的I O点数为8 16点 以适应单机及小型自动控制的需要 大型化是指大中型PLC向大容量 智能化和网络化发展 使之能与计算机组成集成控制系统 对大规模 复杂系统进行综合性的自动控制 现已有I O点数达14336点的超大型PLC 其使用32位微处理器 多CPU并行工作和大容量存储器 功能强 大力开发智能模块 加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求 不断开发出许多功能模块 如高速计数模块 温度控制模块 远程I O模块 通信和人机接口模块等 PLC的联网与通信有两类 PLC之间联网通信 各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段 PLC与计算机之间的联网通信 为了加强联网与和通信能力 PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准 以构成更大的网络系统 增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明 在PLC控制系统的故障中 CPU占5 I O接口占15 输入设备占45 输出设备占30 线路占5 前二项共20 故障属于PLC的内部故障 它可通过PLC本身的软 硬件实现检测 处理 而其余80 的故障属于PLC的外部故障 PLC生产厂家都致力于研制 发展用于检测外部故障的专用智能模块 进一步提高系统的可靠性 编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时 PLC的编程语言也越来越丰富 功能也不断提高 除了大多数PLC使用的梯形图 语句表语言外 为了适应各种控制要求 出现了面向顺序控制的步进编程语言 面向过程控制的流程图语言 与计算机兼容的高级语言 BASIC C语言等 等 多种编程语言并存 互补与发展是PLC进步的一种趋势 7 2可编程序控制器的硬件配置 7 2 1基本组成 主要由CPU模块 I O模块 电源 编程器等外设组成 FX系列PLC的硬件配置图 FX系列PLC的网络通信能力 1 CPU模块 CPU模块由微处理器 CPU芯片 和存储器组成 输入处理 从输入模块将输入信号和数据读入输入映象寄存器和数据寄存器 执行用户程序 读入和解释用户程序 完成数据的存取 传送和处理 并用运算结果更新输出映象寄存器的内容 产生相应的控制信号 输出处理 将输出映象寄存器的内容送到输出模块 CPU模块采用扫描工作方式 CPU芯片的功能就是读输入 执行程序 写输出 存储器主要用于存放系统程序 用户程序及工作数据 1 微处理器CPU 通用微处理器 如8086 单片微处理器 如8031 位片式微处理器 如AND2900 由运算器 寄存器 控制器 总线接口等功能模块组成 小型PLC 8位通用或单片微处理器 中型PLC 16位通用或单片微处理器 大型PLC 采用位片式微处理器 2 存储器 PLC的存储器有三种分类方式 1 按介质分类 随机存取存储器或称读 写存储器 RAM 只读存储器 ROM 可擦除可编程序的只读存储器 EPROM 可电擦除的只读存储器 E2PROM 2 按用途分类 系统程序存储区 用户程序存储区 系统RAM存储区 3 按内存的分布分类 主内存 是内存的主体 也是PLC直接访问的对象 辅助内存 用于存放用户程序的备份 当PLC上电初始化时 把它的内容拷贝到主内存的用户程序区 供PLC的CPU运行 存储卡 配有电池 可长期保存程序 2 输入 输出 I O 模块 输入 Input 输出 Output 模块 单元简称为I O单元或I O模块 I O模块是联系PLC的CPU模块和外部现场的桥梁 I O模块具有传递信号 电平转换与电气隔离的作用 PLC通过输入模块采集各种输入信号 并以此为依据进行处理 最终通过输出模块控制接触器 电磁阀 电磁铁 调节阀 调速装置等执行器 实现对被控对象的控制 I O模块采用光电隔离 实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离 减小了电磁干扰 外部信号通常分开关量信号和模拟量信号 开关量信号 主要来自按钮 选择开关 数字拨码开关 限位开关 接近开关 光电开关 压力继电器等器件 只有接通和断开两种状态 模拟量信号 是通过电位器 热电耦 测速发电机和各种变送器将压力 温度 流量等物理量变换成连续变化的电压或电流信号 I O模块通常可分为 开关量I O模块模拟量I O模块特殊I O模块 I O模块输入 输出口的个数通常称为I O点数 1 开关量I O模块 输入模块用于接收和采集各种开关量输入信号 对输入信号 按钮 行程开关或传感器等产生的信号 进行滤波 隔离和电平转换等处理 转换成数字信号可靠 安全地传送到PLC的内部 1 输入模块 开关量输入模块的典型电路按外部电源不同分为 直流输入电路交流输入电路交直流输入电路 输入模块的外部接线方式有三种 汇点式 分组式 分隔式 适应实际生产中输入信号电平的多样性 直流输入电路 交流输入电路 交直流输入电路 2 输出模块 输出模块是PLC驱动负载的输出电路 将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号 以控制接触器线圈等电器通断电 同时它还具有功率放大 滤波 隔离和电平转换等功能 开关量输出模块的典型电路按使用的输出开关器件不同分为 继电器输出电路晶体管输出电路晶闸管输出电路 输出模块的外部接线方式有三种 汇点式 分组式 分隔式 适应现场执行机构所需电流的多样性 低速大功率 驱动交 直流负载 高速小功率 驱动直流负载 高速大功率 驱动交流负载 继电器输出电路 晶体管输出电路 晶闸管输出电路 模拟量I O模块的主要任务就是对输入信号进行A D转换 对输出信号进行D A转换 其转换精度由转换器的位数决定 2 模拟量I O模块 3 特殊I O模块 特殊I O模块是为了降低费用或简化编程过程 增强PLC的功能 扩大PLC应用范围而开发的各种I O模块 也经常作为独立的模块供PLC系统根据具体的工艺控制要求进行选择配置 1 PID过程控制模块 过程控制是指对连续变化的模拟量的闭环控制 过程控制通常采用PID 比例 积分 微分 控制方式 闭环控制运算由PID过程控制模块中的CPU完成 PLC有最高工作频率受扫描周期的限制 一般仅有几十Hz 但是在工业控制中 有时要求PLC对来自旋转编码器 机械开关或电子开关的高速脉冲进行计数 由此产生的高速计数模块可以对几十千Hz甚至上兆Hz的脉冲进行计数 以保证能及时驱动负载 2 高速计数模块 3 运动控制模块 运动控制模块一般带有微处理器 用来控制运动物体的位置 速度和加速度 它可以控制直线运动或旋转运动 模块用存储器来存储给定的运动曲线 从位置传感器得到当前的位置值 并与给定值相比较 比较的结果用来控制伺服电动机或步进电动机的驱动装置 4 通信模块 PLC的通信模块用来完成PLC之间 PLC与其它智能控制设备或主计算机之间的通信 5 热电阻 热电耦模块 在生产中 温度是最常见的一种信号 厂商也专门生产了相应的热电阻 热电耦模块 它们提供了PLC与热电阻和热电耦的连接接口 3 电源 电源单元是PLC的电源供给部分 其作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源供电 PLC的电源一般采用开关电源 以供内部电路使用 与普通电源相比 PLC电源的稳定性好 抗干扰能力强 对电网稳定度要求不高 小型PLC可为输入电路和外部电子传感器提供DC24V电源 驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供 编程器的基本作用是供用户编辑 调试和输入用户程序 同时还可以用于监视系统运行时各种编程元件的工作状态情况 与PLC进行人 机对话 4 编程器及其它外部设备 1 专用编程器简易 指令编程器 只能输入和编辑指令表程序 不能直接输入和编辑梯形图程序 图形 智能编程器 可以直接生成和编辑梯形图程序 分为液晶显示编程器和CRT编程器 1 编程器 2 通用计算机开发系统 采用以通用计算机为基础的编程系统 对于不同型号和厂家的PLC 只需采用相应的编程软件即可 它既可以编制 修改PLC各种语言的程序 进行文档管理 对工业现场和系统仿真 监视系统运行 还可以利用网络软件 构成PLC网络控制系统 2 外存储器 PLC的CPU模块内的半导体存储器称为内存储器 简称为内存 而磁带和磁盘称为外存储器 3 人 机接口装置 人 机接口用来实现操作人员与PLC控制系统之间的对话 最基本的人 机接口是由按钮 转换开关 拨码开关 指示灯 LED数字显示器和声光报警器等元件组成的控制台 人 机接口上这些元件状态的改变 一方面作为PLC的输入信号 控制PLC的运行状态 另一方面接收PLC的输出信号 指示PLC系统的工作情况 1 按硬件结构分类 7 2 2分类 整体式PLC将电源 CPU I O接口等部件都集中装在一个机箱内 具有结构紧凑 体积小 价格低等特点 模块式PLC将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块 如CPU模块 I O模块 电源模块 有的含在CPU模块中 以及各种功能模块 紧凑式 叠装式PLC还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来 小型PLCI O点数为256点以下的为小型PLC 其中I O点数小于64点的为超小型或微型PLC 中型PLCI O点数为256点以上 2048点以下的为中型PLC大型PLCI O点数为2048以上的为大型PLC 其中I O点数超过8192点的为超大型PLC 2 按I O点数分类 低档PLC具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可有少量模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 中档PLC具有低档PLC功能外 增加模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 数制转换 远程I O 子程序 通信联网等功能 有些还增设中断 PID控制等功能 高档PLC具有中档机功能外 增加带符号算术运算 矩阵运算 位逻辑运算 平方根运算及其它特殊功能函数运算 制表及表格传送等 高档PLC机具有更强的通信联网功能 3 按功能分类 7 2 3基本工作原理 扫描周期指每扫描一个循环所用的时间 PLC的工作方式 循环扫描工作方式 CPU从第一条指令开始执行 遇到结束符又返回第一条 不断循环 PLC的工作模式 PLC的工作模式分为运行RUN和停止STOP两种 RUN模式执行用户程序 RUN LED亮 STOP模式不执行用户程序 可将用户程序和硬件设置信息下载到PLC TERM 终端 模式与通信有关 工作模式的改变A 用CPU上的模式开关 B 用STEP7 Micro WIN编程软件 C 用程序中插入STOP指令来改变 PLC的基本工作过程 读外部输入的状态内部存储的用户程序根据读入的状态计算结果向外部执行装置输出控制结果 电动机 接触器 起动和停止按钮 用户程序 PLC工作过程 1 运行 Run 模式 PLC在运行 Run 状态下 通常将执行一次扫描操作的5个阶段所需的时间称为扫描周期 扫描周期与CPU的运行速度 PLC硬件配置及用户程序的长短有关 典型值为1ms 100ms PLC通过设置CPU内部的监视定时器来监视每次扫描的时间是否超过规定时间 以避免程序进入死循环 说明 2 停止 Stop 模式 自诊断处理 阶段 PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常 复位监控定时器 WDT 检查程序执行结果是否正确 进行奇偶校验 判断程序执行时间是否超时 刷新具有断电保持功能的继电器现有值以及完成其它一些内部工作 如果出现故障 则停止中央处理工作并报警提示 通信信息处理 阶段 PLC与编程器交换信息 PLC与别的带微处理器的智能装置通信 如数字处理器 PLC与网络通讯 当PLC配有网络通讯模块时 应与通讯对象进行数据交换 采样 PLC以扫描工作方式按顺序将所有的输入信号读入到输入映像寄存器中进行存储 输入映像寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输入信号状态的存储区 当外接的输入触点电路接通时 对应的输入映像寄存器为 1 状态 外接的输入触点电路断开时 对应的输入映像寄存器为 0 状态 输入处理 阶段 采样 注意 在一个扫描工作周期内 采样结果的内容不会改变 它是PLC程序执行时使用的输入量的依据 外部输入信号状态在被采样后发生的变化 只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入 CPU从用户程序的第一条指令开始 逐条执行 直到程序结束 在执行某条指令时 先从映像寄存器中将有关数据读出来 然后根据指令的要求执行相应的运算 处理 最后将运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中 供后面指令程序执行时使用 输出映像寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输出信号状态的存储区 程序执行 阶段 注意 除输入映像寄存器外 各编程元件的映像寄存器的内容随着程序的执行而变化 输出映像寄存器的状态在整个程序执行完毕之前不会送到输出端子上去影响输出电路状态的改变 PLC将输出映像寄存器的 0 1 状态传送到输出锁存器进行锁存 以驱动PLC系统输出端的用户设备 当某输出映像寄存器为 1 状态时 系统外部负载通电工作 当某输出映像寄存器为 0 状态时 则使外部负载断电 停止工作 锁存器中的内容将保持到下一次 输出处理 阶段才会被更新 PLC外部的实际输出状态也随之改变 输出刷新 阶段 PLC的信息处理规则输入映像寄存器的数据取决于各输入端子在输入刷新期间的接通或断开状态 程序如何执行取决于用户程序和输入映像寄存器 输入状态表 内部元件寄存器的内容 在程序执行中 输入映像寄存器内容不会改变 但元件寄存器和输出映像寄存器内容却随程序执行进程不断刷新 输出映像寄存器 输出状态表 内容取决于所有输出指令的执行结果 输出锁存器内容决定于上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容 所有输出端子状态由输出锁存器决定 用户程序循环扫描示例 输入处理 用户程序循环扫描示例 程序执行 用户程序循环扫描示例 输出处理 PLC属于一种 串行 工作方式 以循环扫描工作方式顺序执行各个阶段的工作 继电控制系统可视为 并行 工作方式 由实际硬件设备组成的 当某个继电器的线圈通电或断电时 该继电器的所有常开或常闭触点无论处在控制线路的任何位置 都会立即同时动作 由于PLC处理速度很快 采用 串行 的处理方式所造成的输出对输入在时间响应上的滞后并不影响PLC在一般实际工程中的应用 同时还可避免继电接触器控制系统中的触点竞争和时序失控的问题 说明 7 2 4性能指标 1 编程语言2 指令功能及数量3 I O点总数4 内部继电器的种数和点数5 用户程序存储量6 扫描速度7 可扩展能力8 工作环境 此外 PLC还包括附加功能 尺寸等指标 7 3西门子S7 200系列可编程序控制器简介 西门子公司的microautomationSIMATICS7 200系列可编程序控制器是一种采用叠装式结构的小型PLC 7 3 1S7 200系统的基本组成 1 CPU模块 S7 200系列CPU模块是PLC系统的基本单元 主机 包括 CPU 中央处理器 电源 数字量I O模块以及通信接口等 它可以构成一个独立的控制系统 S7 200主机外形 S7 200包括CPU21 和CPU22 两种系列产品 CPU21 系列产品现已经停产 CPU22 系列产品有4个不同的基本型号CPU模块 即CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 同时 每类型号又分为DC DC DC和AC DC 继电器两种方式 SIMATICS7 200系统CPU22X系列PLC主机及I O特性如表所示 S7 200系列PLC的编程器分 专用编程器和通用计算机开发系统两种 个人计算机或编程器装上STEP7 Micro WIN32编程软件后 即可供用户进行程序的编制 编辑 调试 STEP7 Micro WIN32编程软件是基于Windows的应用软件 它支持32位Windows95 Windows98和WindowsME或者Windows2000等使用环境 它的基本功能是创建 编辑 调试和监控用户程序以及进行系统组态 2 编程器和编程软件 通信电缆是编程系统和PLC联系的桥梁 即是PLC用来与个人计算机实现通信的 最常见的通信电缆是PC PPI电缆 它的标准长度是5米 具有光电隔离功能 内置RS232C RS485转换 使用通信处理器时 可用多点接口电缆 MPI 电缆 使用MPI卡时 可以用MPI卡专用的通信电缆 3 通讯电缆 为了更好地满足控制系统的要求 西门子公司为S7 200系列PLC配置了丰富扩展模块 例如 数字量I O模块 如EM221 EM222和EM223 模拟量I O模块 如EM231 EM232和EM235 调制解调器模块EM241 热电耦 热电阻扩展模块EM231 位置控制模块SM253等 通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外 S7 200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络 S7 200系列目前有两种通讯扩展模块 PROFIBUS DP扩展从站模块 EM277 和AS i接口扩展模块 CP243 2 4 扩展模块 输入 输出扩展模块 作用 增加CPU模块输入和输出的点数 或扩大CPU的处理能力 输入 输出扩展模块分为三种基本类型 数字量模块 模拟量模块 智能模块 数字量扩展模块 数字量输出扩展模块 DigitalOutput DO 数字量输入扩展模块 DigitalInput DI 数字量混合扩展模块 DI DO 模拟量扩展模块 模拟量输出扩展模块 AnalogOutput AO 模拟量输入扩展模块 AnalogInput AI 模拟量混合扩展模块 AI AO 数字量扩展模块 模拟量扩展模块 模拟量扩展模块用来实现A D转换 模拟量输入 和D A转换 模拟量输出 例如 EM2218DI 24VDC 该模块8路DI 24V直流输入 EM223DI4 DO4 24VDC Relay 该模块4路DI 24V直流输入 4路DO 触点 继电器输出 EM231AI4 12Bit 电平输入 EM231AI4 Thermocouple 热电偶输入 EM231AI2 RTD 热电阻输入 EM232AQ2 12Bit EM235AI4 AQ1 12Bit 本地和扩展I O的地址分配方法 S7 200PLC的CPU所提供的主机I O点和I O地址是固定的 进行扩展时 可以在CPU右边连接多个扩展模块 每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I O链中所处的位置 编制方法就是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增 其他类型模块的有无及所处的位置不影响本类型模块的编号 它是为解决I O映像区的单元与物理测控点的对应关系 在扩展的链条中 各模块可随意放在任意位置 在分配地址时 各模块的位置按各自的类型进行排队 即数字量与模拟量互不影响 输入与输出互不影响 对数字量模块 CPU将映像单元以8点 即1个字节 为单位分配给模块 如该模块不能提供足够的通道数 余下的映像单元被空置 对模拟量模块以2个字 4B 递增的方式来分配地址 即CPU将映像单元以2个字为单位分配给模块 如该模块不能提供足够的通道数 余下的映像单元被空置 本地和扩展I O的地址分配示例 对于模拟量输入 输出模块是以2个字 W 为单位分配地址 每路模拟量输入 输出占用1个字 2个字节 人机界面主要指的是专用操作界面 文本显示器 触摸屏 操作员面板 控制台 等也常称为人机界面或人机接口 可以使用户通过友好的操作界面轻松的完成各种调整和控制任务 操作员面板和触摸屏的基本功能是过程状态和过程控制的可视化 文本显示器的基本功能是文本信息显示和实施操作 在操作系统中可以设定和修改参数 可编程的8个功能键可以作为控制键 文本显示器还能扩展PLC的输入和输出端子数 5 文本显示器等外设 7 4可编逻辑控制器程序设计 7 4 1编程语言 IEC1131 3包括五种编程语言 顺序功能图 Sequentialfunctionchart SFC 梯形图 Ladderdiagram LD 功能块图 Functionblockdiagram FBD 指令表 Instructionlist IL 结构文本 Structuredtext ST SFC不是一种独立的编程语言 而是作为PLC的辅助编程工具 它提供了一种组织程序的图形方法 主要用来编制顺序控制程序 结构块控制程序流程图 1 顺序功能图 SFC 功能块图FBD是一种类似于数字逻辑电路的图形语言 但在FBD中允许嵌入别的语言 FBD用类似数字逻辑电路与 或 非门的方框来表示逻辑运算关系 方框的左侧为逻辑运算的输入变量 右侧为输出变量 信号是自左向右流动的 它适合于具有数字电路基础的设计人员使用 2 功能块图 FBD 结构文本 ST 是为IEC1131 3标准创建的一种专用的高级编程语言 与梯形图相比 ST能实现更复杂的数学运算 同时 编写的程序更简洁和紧凑 3 结构文本 ST 4 指令表 IL PLC指令表又称为语句表 StatementList 指令表与微机的汇编语言相似 采用助记符表达式来表示操作功能 若干条指令组成了指令表程序 LDI0 0OQ0 0ANI0 1 Q0 0 指令表比较适合经验丰富的程序员 可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能 把PLC内部看作成许多 软继电器 只是在软件中使用的编程元件 每一编程元件与PLC存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应 然后模拟继电器控制系统的编程方法 仍然按照设计继电器控制电路的形式来编制程序 这就是梯形图编程方法 梯形图与继电器控制系统的控制电路图很相似 特别适用于开关量逻辑控制 4 梯形图 LD 梯形图由触点 线圈和用方框表示的功能块图组成 线圈 通常代表逻辑 输出 的结果 能量流到 则该线圈被激励 方框 代表某种特定功能的指令 能量流通过方框时 则执行方框所代表的功能 方框所代表的功能有多种 例如 定时器 计数器 数据运算等 触点 代表逻辑控制条件 触点闭合时表示能量可以流过 触点分常开触点 和常闭触点 一 一 两种形式 梯形图的构成 梯形图按自上而下 从左到右的顺序排列 从左母线开始 按一定的控制要求和规则连接每个触点 最后以继电器线圈结束 逻辑行 梯形图与继电器控制图的区别相同之处有 结构形式基本相同 梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号 仅个别处有些不同 信号输入 输出形式及控制的功能相同 不同之处有 组成器件不同 工作方式不同 触头数量不同 继电器控制图的左 右 或上 下 母线是电源线 施加一定电压 而梯形图左 右母线是一种界限 有的梯形图不画右母线 并未施加电压 我们设想一种 假想电流 或称 能流 通过 假想电流流向只能从左到右单向流动 制约关系不同 梯形图修改方便 适应性强 梯形图 用于设计复杂的开关量控制程序 指令表 处理某些不能用梯形图解决的问题 如数学运算 通讯设计等 梯形图编程的程序能转换成指令表 指令表编程的程序不一定能转换成梯形图 编程语言的相互转换和选用 7 4 2S7 200编程的基本概念 1 编程语言 西门子S7 200系列采用梯形图 指令表和功能块图3种编程语言进行编程 通过STEP7 Micro WIN32编程软件提供的菜单选项 用户可以将满足条件的梯形图 指令表和功能块图3种编程语言所编写的程序进行相互转换 2 指令集 STEP7 Micro WIN32编程软件提供两种指令集 SIMATIC指令集 由西门子公司提供 它的某些指令不是IEC1131 3中的标准指令 通常SIMATIC指令的执行时间短 可使用梯形图 功能块图和语句表语言 IEC1131指令集 只提供梯形图 功能块图语言 且指令较少 S7 200的用户程序包括主程序 子程序和中断程序3种 每个用户程序只能有一个主程序 OB1 主程序通过指令控制整个应用程序的执行 每次CPU扫描都要执行一次主程序 子程序 只在被其它程序调用时执行 最多可达64个 SBR0 SBR63 中断程序 可达128个 INT0 INT127 它由相应的中断事件触发 而不是被主程序调用 3 PLC的用户程序结构 4 数据类型 S7 200PLC指令系统所用的数据类型包括 1 基本数据类型 1位布尔型 BOOL 位数据 bit 8位字节型 BYTE 字节数据 Byte 16位无符号整数 WORD 一般称为 字 16位有符号整数 INT 一般称为 整数 32位无符号双字整数 DWORD 一般称为 双字 32位有符号双字整数 DINT 一般称为 双整数 32位实数型 REAL 实数REAL类型是按照ANSI IEEE754 1985的标准的表示格式规定的 字节数据 Byte 8位二进制组成1个字节 I0 1 寄存器I0 I0 5 编址为IB0 16位整数 Word 2个字节组成1个字 16位有符号整数 INT 二进制补码表示有符号数 最高位为符号位 VB100 VB101 V存储空间中编号为100 101的2个字节数据 VW100 32位整数 DoubleWord 2个字组成1个双字 VD100 2 数据长度与数值范围不同的数据类型具有不同的数据长度和数值范围 SIMATIC指令集中 不同的指令所需操作数的数据类型一般不同 例如传送操作指令分为字节传送 比传送和双字传送等 在编程过程中 要稍加留意 5 寻址方式 S7 200将信息存于不同的存储器单元中 每个单元都有唯一的地址 S7 200访问数据的寻址方式 立即寻址 在指令中直接给出了操作数 通常立即寻址方式用来提供常数 设置初始值等 间接寻址 使用指针对存储区域数据进行间接存取 不能对独立的位或模拟量进行间接寻址 直接寻址 它是在指令中直接使用存储器或寄存器的元件名称 区域标志 和地址编号 直接到指定的区域读取或写入数据 直接寻址方式用于位 字节 字或双字数据 有按位 字节 字 双字的寻址方式 7 4 3S7 200的编程元件 1 输入继电器 输入映像寄存器 I区 作用 存放输入的数字量 2 输出继电器 输出映像寄存器 Q区 作用 暂存输出的数字量 扫描周期的结束阶段将其拷贝至输出装置 3 位存储器 内部线圈 M区 作用 用来存放中间操作状态或存储相关数据 4 变量存储器 V区 作用 用于存放全局变量 程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果和与任务相关的其它数据 5 局部存储器 L区 作用 用于存放局部变量 局部变量只能在某个局部有效 6 特殊标志位存储器 SM区 作用 S7 200系列PLC为保存自身工作状态数据而建立的一个存储器 SM0 SM179 共180字节 它提供了CPU和用户程序之间传递信息的方法 7 顺序控制继电器存储器 S区 作用 专用于组织顺序控制程序段 以上各区的存放数据可按位 字节 字或双字存取 8 定时器存储器 T区 作用 用来累计时间增量的元件 相当于继电器系统中的时间继电器 但是用软件来实现 数据区设置了256个定时器 用于计数标准脉冲的个数 标准脉冲是指脉冲的周期固定不变且相当精确的脉冲 如周期精确为1ms 10ms或100ms 这样的脉冲称为时标 每个定时器占据两个数据单元 一个16位的字单元存储时标的个数 称计时单元 另一个位单元是状态标志 定时未到 该位是0 定时到 被置成1 0 15 T0 T0 计时单元 状态标志 定时器地址是T 0 255 同个定时器的两个单元是相同的地址 由于使用的条件不同 易于区分 数据区中设置了256个计数器 用于累计其计数输入端脉冲电平由低变高的次数 即用于计数外部脉冲数 每个计数器占据两个单元 一个16位的字单元存储外部输入的脉冲数 另一个位单元作为状态标志 计数未到 该位是0 计数到 被置成1 0 15 计数单元 状态标志 C25 C25 计数器地址是C 0 255 同个计数器的两个单元是相同的地址 由于使用的条件不同 易于区分 9 计数器存储器 C区 10 模拟量输入存储区 AI 每个模拟量占一个字 低字节为高8位 高字节为低8位 AI区 AI区只能按字存取 而字不能按诸如BYTE1和BYTE2组合 这分别代表两个变量的一部分 故只能图示的方法编址 即地址中的编号是偶数 11 模拟量输出存储区 AQ 每个模拟量占一个字 低字节为高8位 高字节成低8位 AQ区 AQ区编址的原理和方法同AI区 12 高速计数器 HC 高速计数器用来累计比CPU扫描速度更快的事件 即用以计数外部高速事件 计数的频率不受扫描周期的影响 计数单元双字长 只能读 不能写 没有状态标志 高速计数器地址是HC 0 5 共有4个32位的累加器 AC0 AC1 AC2 AC3 累加器通常用来暂时存储中间参数 如 子程序的传递参数 计算的中间值等 可以象存储器那样进行读和写 可以按字节 字或双字来存取累加器中的数值 当按字节或字来存取时 只能存取AC的低8位或16位 13 累加器 AC 7 4 4S7 200基本指令系统 7 4 4 1位逻辑指令 1 触点指令 1 标准触点指令 标准触点分标准常开触点和标准常闭触点 标准触点的梯形图 语句表形式如图所示 标准触点指令代表CPU对存储器的读操作 即标准触点指令从元件映像寄存器中读取触点的状态 常开触点和存储器的位状态一致 常闭触点和存储器的位状态相反 在程序执行过程中 标准触点起开关作用 用户程序中同一触点可使用无数次 其操作数可为I Q M SM T C V S和L 标准触点的功能 2 立即触点指令立即触点分立即常开触点和立即常闭触点 立即触点的梯形图 语句表形式如图所示 立即触点指令只能用于输入点 即其操作数为I 当立即触点指令被执行时 CPU将直接读取其物理输入值 而不是更新映像寄存器 在程序执行过程中 立即触点也起开关作用 立即触点的功能 2 输出指令 输出指令也分标准输出指令和立即输出指令两类 是驱动线圈的输出指令 其梯形图和语句表形式如下 标准输出指令其操作数可为Q M SM T C V S和L 其功能代表CPU对存储器的写操作 即将输出位的新数值写入输出映像寄存器 当CPU执行输出指令时 S7 200将输出映像寄存器中的输出位转换为线圈驱动的触点的断开与接通 用户程序中 同一操作数的线圈只能使用一次 立即输出指令的功能立即输出指令只能用于输出点 即操作数为Q 当执行指令时 立即输出指令将新数值不仅直接写入输出映像寄存器 而且同时刷新实际物理输出 与非立即输出不同 后者只将新数值写进相应的输出映像寄存器 LDI0 0 Q0 0LDNI0 1 Q0 1LDNII0 2 IQ0 2 M0 1 注意 1 触点指令常用于与输入公共母线 输入母线 相联的触点 也可与OLD ALD指令配合使用于分支回路的开头 2 指令当输出端不带负载时 控制线圈应使用M或其它 尽可能不要使用Q 指令可以并联使用任意次 但不能串联 3 逻辑指令 1 逻辑与指令 逻辑与指令用于单个触点与左边电路进行串联 采用该指令进行串联的触点个数没有限制 可用于I Q M SM T C V S和L A是常开触点串联连接指令 AN是常闭触点串联连接指令 AI是常开立即触点串联连接指令 ANI是常闭立即触点串联连接指令 LDI0 0ANM0 1 Q0 0AQ0 1 Q0 2 2 逻辑或指令 逻辑或指令用于单个触点与前面电路进行并联 采用逻辑或指令进行并联的触点个数没有限制 可用于I Q M SM T C V S和L O是常开触点的并联连接指令 ON是常闭触点的并联连接指令 OI是常开立即触点的并联连接指令 ONI是常闭立即触点的并联连接指令 LDI0 0OI0 1ONM0 0ANM0 1 Q0 0 3 取非指令 取非指令将执行该指令之前的逻辑运算结果取反 指令没有操作数 只能和其他指令联合使用 取非操作指令的梯形图和语句表形式如图所示 取非操作指令 LDI0 0NOT Q0 1 4 置位和复位指令 1 置位指令 置位指令和立即置位指令的LAD和STL表示如下 置位指令的功能 当置位信号来临 1或ON 时 被置位的线圈置1并保持 直到其复位信号的到来 线圈数目n是指从被指定的位地址bit开始被置位的线圈共有n个 1 255 立即置位指令的功能 用立即置位指令访问输出点时 从指令所指出的位 bit 开始的n个 1 128 物理输出点被立即置位 同时 相应的输出映像寄存器的内容也被刷新 2 复位指令 复位指令和立即复位指令的LAD和STL表示如下 复位指令的功能 当复位信号为1或ON时 被复位的线圈置0并保持 直到其置位信号的到来 线圈数目n是指从被指定的位地址bit开始被置位的线圈共有n个 1 255 立即复位指令的功能 用立即复位指令访问输出点时 从指令所指出的位 bit 开始的n个 1 128 物理输出点被立即复位 同时 相应的输出映像寄存器的内容也被刷新 说明 置 复指令具有 记忆 功能 置 复指令的编写顺序可任意安排 但当一对S R指令被同时接通时 编写顺序在后的指令执行有效 5 正 负跳变 微分 指令 正跳变 上微分指令是用作上升沿检测的触点指令 仅在该指令前的逻辑发生由 0 到 1 的变化时 接通一个扫描周期 负跳变 下微分指令则是用作下降沿检测的触点指令 仅在该指令前的逻辑发生由 1 到 0 的变化时 接通一个扫描周期 LDI0 0ANI0 1EU Q0 0LDI0 0ED Q0 1 a 梯形图b 指令表c 时序图 EU ED指令的使用 堆栈是一组暂时的存储单元 用于存放逻辑数据 S7 200提供了一个9层的堆栈来处理逻辑操作 下面的8位用来存储中间运算结果 栈顶用来存储逻辑运算的结果 特点是 先进后出 后进先出 每进行一次入栈操作 新值放入栈顶 栈底值丢失 而每进行一次出栈操作 栈顶值弹出 栈底值补进随机数 逻辑堆栈指令一般用来完成对触点的复杂连接 7 4 4 2逻辑堆栈指令 逻辑运算过程举列 1 I0 0压入栈顶 2 Q0 0与栈顶内容 I0 0 相或 Q0 0 I0 0留栈顶3 I0 1与栈顶内容相与 Q0 0 I0 0 I0 1留栈顶4 栈顶内容 Q0 0 I0 0 I0 1赋予Q0 0 Network1LDI0 0OQ0 0ANI0 1 Q0 0 1 栈装载或指令 OLD OLD OrLoad 用于 串联电路块 的并联连接指令 两个或两个以上触点串联的电路称作 串联电路块 如图所示 2 栈装载与指令 ALD ALD Andload 用于 并联电路块 的串联连接指令 两个或两个以上触点并联的电路称作 并联电路块 如图所示 ALD与OLD指令的堆栈操作 例 已知下图中的语句表程序 画出对应的梯形图 3 其他堆栈操作指令 该指令复制栈顶的值并将它压入堆栈的栈顶 堆栈中原来的数据依次向下一层推移 栈底值丢失 该指令将堆栈中第2层的数据复制到栈顶 第2 第9层的数据不变 原栈顶值消失 该指令使栈中各层的数据向上移动一层 第2层的数据成为堆栈新的栈顶值 原栈顶值消失 该指令复制堆栈中第n层的值到栈顶 堆栈中各原来的数据依次向下一层推移 栈底值丢失 7 4 4 3定时器和计数器指令 1 定时器指令 T S7 200PLC提供了三种定时器 接通延时定时器 TON 断开延时定时器 TOF 有记忆接通延时定时器 TONR 每种定时器有3种时基 时标 分辨率 又称为时间精度 1ms 10ms和100ms 定时器定时时间长度 定时时间 定时精度 预设值 16位符号整数 定时器是计数时标脉冲的个数 其周期称为时标 定时器刷新 定时器每接受一个脉冲就应在其计数单元累加1 当计数达到设定值时 还须置位状态标志 定时器的分配情况 三种定时器的指令格式 1 通电延时定时器 TON 工作原理 LDI0 0TONT37 100LDT37 Q0 0 程序及时序分析如图所示 TON 延时通定时器 工作特点 使能端 IN 为 1 时 开始计时 当计时值 Txxx单元内容 等于预定值PT时 状态位置位 计时值达到预定值后继续计时 直至最大值32767 使能端 IN 为 0 时 清零计时单元和状态位 清零计时单元和状态位 还可借助复位指令 R TON定时器用于单个时间间隔的计时 2 断电延时定时器 TOF 工作原理 程序及时序分析如图所示 LDI0 0TOFT37 30LDT37 Q0 0 TOF 断电延时定时器 工作特点 使能端 IN 为 1 时 状态位置位 计时单元清零 IN端由 1 到 0 跳变时开始计时 计时达到预定值 状态标志位复位 同时停止计时 IN端为 0 的时间小于预定时间 状态位将保持ON状态 RESET指令可用于TOF复位 断开延时定时器 TOF 用于故障事件发生后的时间延时 3 记忆型通电延时定时器 TONR 工作原理 程序及时序分析如图所示 LDI0 0TONRT3 100LDI0 1RT3 1LDT3 Q0 0 TONR 保持型延时通 工作特点 使能端 IN 为 1 时 开始计时 计时值等于预定值PT 状态标志位置位 计时值达到预定值后 继续计时直至最大值32767 IN为 0 时 停止计时 计时单元内容被保持 只能用复位指令 R 清除计时单元并复位状态位 TONR定时器用于累计固定时间间隔的脉冲 A 延时断开电路 B 延时接通和断开 4 定时器指令的典型应用 C 闪烁电路 D 定时器扩展 2 计数器指令 C 计数器利用输入脉冲上升沿累计脉冲个数 S7 200有3种类型的计数器 增计数器 CTU 减计数器 CTD 增减计数器 CTUD 三种计数器的指令格式 当R 0 时 CTU开始计数 当CU端有一个脉冲上升沿 电平由低变高 到来时 CTU的当前值SV加1 当SV大于或等于PV 预设值 时 计数器状态位由 0 变 1 即其常开触点闭合 计数器仍计数 但不影响计数器的状态位 直至计数达到最大值 32767 加计数器计数范围 0 32767 当R 1 时 CTU复位 当前值SV 0 状态位为 0 1 加计数器工作原理 当LD 1 时 计数器预设值PV存放到当前值寄存器的操作 即SV PV CTD状态为 0 当LD 0 时 CTD开始对输入脉冲计数 CD端每来一个输入脉冲上升沿 CTD的当前值SV减1 当SV 0时 计数器状态位由 0 变 1 并停止计数 2 减计数器工作原理 LDI0 1LDI1 0CTDC4 3