硬件配置 (2)

3SIMATICS7-300PLC及指令系统,3.1系统配置3.2指令系统简介3.3程序结构3.4S7PLC的网络通信,3.1系统配置,S7系列PLC采用的是模块化的结构形式，根据系统规模用户可选择不同型号和不同数量的模块，并把这些模块安装在一个或多个机架上。除了CPU模块、电源模块、通信接口模块之外，它规定每一个机架最多可以安装8个I/O信号模块。一个PLC系统的最大配置能力（包括I/O点数、机架数等）与CPU的型号直接相关,3.1.1硬件结构配置,PLC模块的安装是有顺序要求的，每个机架从左到右划分为11个逻辑槽号电源模块安装在最左边的1#槽，2#槽安装CPU模块，3#槽安装通信接口模块，411#槽可自由分配I/O信号模块、功能模块或扩展通信模块。需要注意的是，槽号是相对的，机架上并不存在物理上的槽位限制。,电源模块,CPU模块,通信模块,I/O模块,1234567891011,逻辑槽号,机架的连接(一),如果：机架数量4and各机架安装在控制室and机架之间的距离10米,方式一：,信号、功能模块,信号、功能模块,1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,2,扩展机架（ER）,中央机架（CR）,接口模块：IM360(IM365（2个机架）),CPU,槽位号,接口模块：IM361(IM365（2个机架）),机架的连接(二),如果：机架数量4or有机架要安装在现场or机架之间的距离10米要求：CPU上集成DP口或在CR上扩展DP口（ProfibusDP）,方式二：,3.1.2硬件地址配置,系统的I/O模块分为：模拟量和数字量二种类型，每个模块包含若干个通道。模块上任何通道均配置独立的地址，应用程序则根据地址实现对他们的操作。,I/O地址的生成,DI/DO模块缺省地址配置,AI/AO模块缺省地址配置,缺省地址配置示例,CR,ER1,SM321缺省地址：0.03.7SM331缺省地址：272287SM322缺省地址：32.033.7（34.035.7空）SM332缺省地址：400407（408415空）,3.1.3内部寄存器,S7CPU的寄存器有（7个）：,3.1.4存储区,S7300CPU有三个基本存储区：,外设I/O存储区P,输出（映像区）Q,输入（映像区）I,位存储区M,定时器T,计数器C,系统存储区存放操作数据（I/O、位存储、定时器、等）物理上是CPU的部分RAM,存储区的大小因CPU型号而异。,存储区,CPU能访问的存储区：P、Q、I、M、T、C、DB块、L堆栈,外设I/O与存储区的映像,外设I/O与存储区有二种映射关系：外设输入输出存储区（PI、PQ）输入输出映像表（I、Q）,外设输入输出存储区：包括外设输入（PI）和外设输出（PQ）其最大寻址范围为64KB访问方式有：PIB、PQB、PIW、PQW、PID等。CPU利用外设（P）存储区直接读写总线上的数据,输入输出映像表：包括输入过程映像表（I）和输出过程映像表（Q）输入映像表为128Byte，是对PI首128Byte的映像，在循环扫描中读取输入状态时将外设输入存储区（PI）首128Byte装入输出映像表为128Byte，是对PQ的首128Byte的映像在CPU循环扫描更新输出状态时，将输出映像表的值传送到物理输出，在写输出时可以将数据直接通过PQ输出，也可以将数据传送到Q口输出，,输入映像,结合缺省地址配置示例,输出映像,结合缺省地址配置示例,3.2指令系统简介,SIMATICS7系列PLC用户程序的开发软件包：STEP7S7系列PLC的编程语言：LAD（梯形图）、STL（语句表）*、SCL（标准控制语言）、GRAPH（顺序控制）、HiGraPh（状态图）、CFC（连续功能图）、CforS7（C语言）等，用户可以选择一种语言编程，也可混合使用几种语言编程。常用的编程语言：LAD（梯形图）、STL（语句表）*,3.2.1STL指令及其结构,语句指令：操作码操作数,AI0.1/对输入继电器I0.1进行与操作,LMW10/将字MW10装入累加器1,定义要执行的功能,执行该操作所需要的信息,有些语句指令不带操作数，它们操作的对象是唯一的。NOT/对逻辑操作结果（RLO）取反。,(1)语句指令的组成,操作数,操作数(1),MB10,MB11,MB12,MB13,MB14,M10.3,MW10,MD10,位存储区的操作数表示方式,操作数(2),存储区及其操作数表示方法,操作数(3),存储区最大寻址范围,3.2.2寻址方式,操作数指令的操作或运算对象寻址方式指令得到操作数的方式。表示方式绝对寻址符号寻址（用一个符号指定一个特定的绝对地址）寻址方式立即寻址存储器直接寻址存储器间接寻址寄存器间接寻址,立即寻址,SET/把RLO（ResultofLogicOperation）置“1”L27/把整数27装人累加器1OWW16#A320/将16进制常量W16A320与累加器。1“或”运算,立即寻址：对常数或常量的寻址方式，操作数本身包含在指令中,直接寻址,AI0.0/对输入位I0.0进行“与”逻辑操作SL20.0/把本地数据位L20.0置1=M115.4/将RLO的内容传给位存储区中的位M115.4LDB1.DBD12/把数据块DB1双字DBD12中的内容传送给累加器1/双字表示32位，如浮点数为32为双字,直接寻址：在指令中直接给出操作数的存储单元地址,存储器间接寻址,存储器间接寻址：标识参数由一个存储器给出，存储器的内容对应该标识参数的值(该值又称为地址指针)这种寻址方式能动态改变操作数存储器的地址，常用于程序循环过程中的寻址。,AIMD2/对由MD2指出的输入位进行“与”逻辑操作，如：MD2值为/200000000000000000000000001010110表示I10.6LIBDID4/将由双字DID4指出的输入字节装入累加器1，如：DID4值为/200000000000000000000000001010000表示对IB10操作OPNDBMW2/打开由字MW2指出的数据块，如MW2为3，则打开DB3,寄存器间接寻址,寄存器间接寻址：在S7中有两个地址寄存器（AR1和AR2）地址寄存器的内容偏移量地址指针,LP8.6/将P8.6装入A1LAR1/将累加器1的内容传送至地址寄存器1LP10.0/将P10.0装入A1LAR2/将累加器1的内容传送至地址寄存器2AIAR1，P1.0/AR1+偏移量(9.6)=QAR1，P4.1/AR1+偏移量(14.1),3.2.3状态字,首次检测位*,逻辑操作结果*,状态位,或位,溢出位,溢出状态保持位,条件码0,条件码1,二进制结果位,状态字表示CPU执行指令时所具有的状态，用户程序可以访问和检测状态字，并可以根据状态字中的某些位决定程序的走向和进程。,首次检测位（FC）,位置：状态字位“0”作用：首次检测位FC决定了逻辑操作指令中操作数的存放位置。在逻辑串指令执行过程中：若FC0，表明一个梯形逻辑网络的开始（或为首条逻辑串指令），CPU对操作数的检测结果（首次检测结果）直接保存在状态字的RLO位中，FC位置1；若FC1，检测结果与RLO相运算，并把运算结果存于RLO清除：执行输出指令（S、R、=）或与逻辑运算有关的转移指令时FC被清0（表示逻辑串结束）,逻辑操作结果(RLO),ResultofLogicOperation，RLO,位置：状态字位“1”作用：存储位逻辑指令或算术比较指令的结果。,FC/RLO的变化示例,RLO、FC的变化示例,3.2.4位逻辑运算指令,PLC中的触点包括常开触点(动合触点)和常闭触点(动断触点)两种形式。按照PLC的规定：常开触点(动合触点)用操作数“1”表示触点“动作”，即认为触点“闭合”，操作数“0”表示触点“不动作”，即触点断开；常闭触点(动断触点)的表示方式则相反。,位逻辑运算指令主要包括“与”A、“与非”AN、“或”O、“或非”ON、“异或”XOR、赋值、置位S、复位R指令及其它们的组合，用来描述触点的状态、决定触点的动作或根据逻辑运算结果控制程序的进程。在语句表中，用A指令表示串联的常开触点，用O指令表示并联的常开触点在语句表中，用AN指令表示串联的常闭触点，用ON指令表示并联的常闭触点。,串联逻辑,在PLC梯形图中的串联逻辑是用逻辑“与”和“与非”表示常开触点（动合触点）：若操作数是“1”，则常开触点“动作”，即认为触点“闭合”，若操作数是“0”，则常开触点“不动作”，即触点仍打开；常闭触点（动断触点）：若操作数是“1”，则常闭触点“动作”，即触点“断开”；若操作数是“0”，则常闭触点“不动作”，即触点保持闭合。如果串联回路里的所有触点皆闭合，该回路就通“电”了,图中如果所有触点闭合，即I0.0、I1.0为“1”，M2.1为“0”，则输出Q4.0信号状态就为“l”（继电器触点接通）,A、AN指令,对信号状态进行“1”扫描，并做“与”运算，用助记符“A”来标识，当操作数的信号状态是“1”时，其扫描结果是“l”。对信号状态进行“0”扫描，并做“与”运算，用助记符“AN”来标识取反的“与”逻辑操作当操作数的信号状态是“0”时，其扫描结果是“1”。,并联逻辑,在PLC梯形图中的并联触点是用逻辑“或”和“或非”表示在触点并联的情况下，若有一个或一个以上的触点闭合，则该回路就“通电”。图中如果有一个触点闭合（I0.0为“1”或Q1.0为“1”或M2.1为“0”）则Q1.2为“l”；如果有三个触点全部是打开的，则输出Q1.2为“0”（继电器触点打开）。,O、ON指令,对进行“l”扫描，并做“或”运算，用助记符“O”来标识对进行“0”扫描，并做“或”运算，用助记符“ON”来标识取反的“或”逻辑操作（或非）,串并联的复合达式和先“与”后“或”,当逻辑串是串并联的复合组合时，CPU的扫描顺序是先“与”后“或”。,A(AI0.0AI0.1OANI0.0ANI0.1)AI0.2=Q1.2,A(OI0.0ONI0.3)A(OI0.1ONI0.4)AI0.2=Q1.2,输出指令(),该操作把状态字中RLO的值赋给指定的操作数（位地址）把首次检测位（FC位）置0，来结束一个逻辑串一个RLO可以驱动多个输出元件若RLO为“l”，则操作数被置位，否则操作数被复位。,AI0.0=Q1.2=Q1.3,置位复位指令,置位复位指令根据RLO的值，来决定被寻址位的信号状态是否需要改变。若RLO的值为1，被寻址位的信号状态被置l或清0；若RLO是0，则被寻址位的信号保持原状态不变，这一特性又被称为静态的置位复位赋值输出（）被称为动态赋值输出。,3.2.5数字操作运算指令,装入和传送指令比较指令算术运算指令字逻辑运算指令移位和循环移位指令其它操作指令,数字指令：按字节、字、双字对存储区访问并对其进行运算的指令,编程应用实例1,三相异步电动机的正反转控制,编程应用实例2,图中的小车开始时停在左边，左限位开关SQ1的常开触点闭合。要求按下列顺序控制小车：1按下右行启动按钮SB2,小车右行。2走到右限位开关SQ2处停止运动，延时8s后开始左行。3回到左限位开关SQ1处时停止运动。,小车控制程序的设计,作业,电机的优先启动控制工艺要求：有五个电机M1M5，每个电机都有启动和停止按钮（无自锁），但要求按顺序启动，即M1不开，M2不能开，M2不开，M3不能开，前级电机停止，则后面的电机也停止。,3.3程序结构,STEP7有二种编程方法：线性编程、结构化编程,线性编程将整个用户程序指令逐条编写在一个连续的指令块中，CPU线性地扫描每条指令(适用于简单的控制任务),结构化编程*适合编制并组织复杂的控制程序。,结构化编程的“块”,STEP7,C语言,3.3.1数据块,PLC可定义的数据类型：bool、byte、int、dint、real、date、time等基本数据类型，还可定义数组、结构等复式数据类型,数据块定义的原则：先定义后访问S7CPU允许在存储器中建立不同大小的多个数据块不同的CPU对允许定义的数据块数量及数据总量有限制例如：CPU314允许定义用作数据块的存储器最多8KByte，用户定义的数据总量不能超过8K，否则将造成系统错误。,数据块定义,用STEP7开发软件包定义，使用前作为用户程序的一部分下载到CPU,允许用户程序运行过程中动态定义数据块（调用系统函数）注意：如果定义的数据块数量或数据总量超过限制，则动态定义过程失败，可能导致系统崩溃，应慎重使用动态定义数据块。,有2种定义方式:,数据块访问,直接访问，指令中写明数据块号、类型、位置LDB1.DBD2/块号1，双字，数据块中25字节ADB2.DBX0.2/块号2，位，0字节第2位L“Temp”T0/符号地址,“先打开后访问”OPNDB1LDBD2/访问DB1.DBD2OPNDI2TDBD4/访问DI2.DBD4,注：数据块没有专门的关闭指令，在打开一个块时，先前打开的块自动关闭因CPU只有DB和DI两个数据块地址寄存器，所以最多可同时打开两个块,背景数据块和共享数据块,数据块可以是附属与某个FB块的背景数据块，也可以是通用的共享数据块背景数据块是FB运行时的工作存储区，调用FB时必须指定一个相关的背景数据块，被调用的背景数据块必须与FB所要求的格式相符，作为规则，只有FB块才能访问存放在背景数据块中的数据。共享数据块中的数据可以被任何FB，FC或OB块进行读写访问数据块在CPU的存储器中是没有区别的，只是由于打开方式不同，才在打开时有背景数据块和共享数据块之分。原则上，数据块都可以当作共享数据块或背景数据块使用。,3.3.2逻辑功能块,S7PLC程序在采用结构化编程中，一个程序由许多逻辑功能块（子程序）组成，这些逻辑功能块允许相互调用。调用块可以是任何逻辑块（OB、FB、FC），被调用块只能是功能块（除OB外的逻辑块FB、FC、SFB、SFC）。,OB块不可以被调用,变量声明表（局部数据）,功能块由两个主要部分组成：一是变量声明表；二是指令程序,FC功能块,_,FB功能块,_,FB块的变量声明表,FC块的变量声明表,临时变量仅在逻辑块运行时有效，逻辑块结束时存储临时变量的内存被操作系统另行分配。,变量声明表中的变量类型,inoutin_out,实现调用块和被调用块间的数据传递。实参在调用功能块时给出，实参的数据类型必须与形参一致。,stat,静态变量定义在背景数据块中，当被调用块运行时，能读出或修改静态变量；被调用块运行结束后，静态变量保留在背景数据块中。,temp,_,FB功能块有一个数据块附属于该功能块，并随功能块的调用而打开，功能块的结束而关闭，该数据块称背景数据块（InstanceDataBlock）,1.背景数据块的数据结构与FB块的变量声明表（除临时变量）完全相同2.为变量声明表中声明的in、out、in_out和stat4种类型局部数据分配的存储空间是背景数据块，当FB结束时背景块中的数据继续保存“记忆”3.为临时变量分配存储空间的是L堆栈。,CALLFB4,DB33a1:=a2:=b1:=c1:=,FB块的调用：,FB块与背景块的关系,FC功能块没有背景数据块，因此不能使用静态变量，在变量声明表中可以声明包括in、out、in_out和temp4种类型局部数据,CALLFC1a1:=a2:=b1:=c1:=,FC块的调用：,1.操作系统在L堆栈中给FC的临时变量分配存储空间2.FC块的参数表中的各参数在块操作结束前应被使用（或存放到特定位置），否则它们将不会被自动保存。,功能块调用的内存分配,当发生块调用或更高优先级的中断时，CPU提供块堆栈（B堆栈）来保存被中断块的有关信息：块号，块类型，优先级，被中断块的返回地址,S7CPU中可使用的B堆栈大小是有限制的，对于S7300CPU可在B堆栈中存储8个块的信息，因此在控制程序中最多可同时激活8个块。,3.3.3组织块及中断优先级,S7提供了各种不同的组织块（OB），这些组织块允许用户创建在特定时间或对特定事件响应的程序，这些OB可分为四种：主循环块OB1（任何时候都需要）硬件中断块（响应一个来自I/O模块的信号）同步响应块（响应一个来自程序中指令的错误）异步响应块（响应CPU操作或模块状态异常）,1.CPU中的这些组织块分有优先级2.OB1是主循环块，任何S7PLC系统都需要OB1，所以OB1被分配为最低优先级,部分OB块的优先级：,中断过程,CPU只有有限的L堆找空间供程序使用，如：CPU314的L堆栈为1536Byte，供程序中的所有优先级划分使用。对于CPU314，允许每个优先级使用256Byte，所以在嵌套调用中所有激活块的临时变量所占空间总数不能超过256Byte。由于操作系统已为每个OB声明了20Byte的L堆栈，该优先级下其它被调用块的所有临时变量必须小于236Byte。当调用一个新块，新块的临时变量在L堆栈中生成，在多层嵌套调用时，若临时变量定义不当，L堆栈会溢出，导致CPU有RUN模式变为STOP模式。,两个常用组织块,(a)主循环块（OB1）,OB1是最重要的组织块，当PLC从STOP状态切换到RUN状态后，CPU首先调用OB100一次，OB100调用结束后，操作系统开始周而复始地调用OB1，这称为扫描循环。调用OB1的时间间隔称为扫描周期，扫描周期的长短，主要由OB1中的程序执行所需时间决定。为防止程序陷入死循环，S7设有看门狗定时器（WDT），WDT的定时间隔（可以设置）确定了主循环的最长时间。正常情况下，扫描周期小于该时间，如果扫描周期大于设定主程序最大允许循环行时间，操作系统调用OB80（循环时间超时），若OB80中未编写程序，CPU将转入停止（STOP）状态。,S7300PLC允许设计一个以固定间隔运行的定时中断组织块OB35，定时时间间隔可以在lmslmin的范围内设置，当允许循环中断时，OB35以固定的间隔循环运行，但要求确保设置的定时时间间隔大于OB35的执行时间，否则将造成系统异常，操作系统将调用异步错误OB80。,(b)循环中断（OB35）,3.3.4逻辑块的调用关系,3.4S7PLC的网络通信,现代计算机控制系统已不再是自动化的“孤岛”，而是集过程控制、生产管理、网络通信、IT技术等为一体的综合自动化系统，系统最主要的结构特征表现为一个多层次的网络体系。,S7PLC的网络功能很强，它可以适应不同控制需要的网络体系，也为各个网络层次提供互联模块或接口装置，通过通信子网把PLC、PG、PC、OP及其它控制设备互联起来。,S7PLC可以提供：MPIMultipointInterfacePROFIBUSDPIndustrialEthernet这3种通信方式都有各自的技术特点和不同的适应面。,MPI通信,MPI子网的物理层符合RS485标准，它具有多点通信的性质，是一种低成本的网络系统，用于连接多个不同的CPU或设备。,多数SIMATIC产品都集成有MPI接口，它们可以直接组网，实现网上各PLC间的数据共享。,采用专用的通信处理器模块或通信接口板可以把S5PLC、PC以及其它没有MPI接口的外设连接到MPI网上。,MPI通信,接入到MPI网的设备称为一个站点或节点，一个MPI网最多允许连接32个网络站点，它的传输速率是187.5Kbps，因此，MPI子网主要适用于站点数不多、数据传输量不大的应用场合。,对于MPI网络，节点间的连接距离是有限制的，从第一个节点到最后一个节点最长距离仅为50m。对于一个要求较大区域的信号传输，采用两个中继器可以将MPI通信电缆最大长度延伸到1100m。,PROFIBUSDP,PROFIBUSDP是用于现场级或控制单元级的开放式、标准化高速现场总线系统，存取协议是结合令牌技术和主从方式的混合介质存取技术。,传输介质是屏蔽双芯电缆或者是光缆，每一个网段可以挂接126个站点设备，站点之间的最大连接距离与总线上的数据传输速率有关。如以1.5Mbps不加中继的网段距离是200m,利用PROFIBUSDP总线组网的各种站点设备需要有PROFIBUSDP接口。不具备内置DP接口的站点设备，需要通过相关的通信接口设备进行扩展。,IndustrialEthernet,IndustrialEthernet子网主要用于控制层或管理层之间大量的数据交换。,在控制层或管理层中采用工业以太网作为主干网通信是当今工业自动化系统（包括现场总线控制系统）的发展趋势,4可编程控制器的应用示例,4.1PLC系统的基本设计内容,关于计算机控制系统的设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为四点：最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求完整