电气控制与PLC应用 课件 07-S7-1200PLC的编程规范和程序设计

第7章S7-1200PLC的编程规范和程序设计7.4数据寻址7.5编程指令7.3S7-1200PLC的编程元件7.1S7-1200PLC的编程语言7.2S7-1200PLC的数据类型与存储区域7.6典型PLC程序设计7.1S7-1200PLC的编程语言7.1S7-1200PLC的编程语言编程语言是PLC核心组件，各厂家提供梯形图、功能块图、语句表等多样语言以适配不同用户需求。虽同厂家不同编程语言程序可转换，但跨厂家同类型程序不可互换，限制了PLC的开放性、可移植性和互换性。为此，IEC制定了IEC61131-3国际标准，整合各厂家语言优势，形成工业控制系统通用编程标准，推动PLC编程语言全球化规范。目前，多数PLC厂商已遵循此标准。IEC61131-3涵盖三种图形化语言（梯形图、功能块图、顺序功能图）及两种文本语言（指令表、结构化文本）。S7-1200PLC支持梯形图、功能块图和结构化控制语言（SCL）。鉴于不同语言特点及应用场景差异，以及国内用户对LAD的偏好和SCL在数据处理方面的优势，本教材将重点基于LAD和SCL介绍S7-1200PLC指令与程序。7.2S7-1200PLC的数据类型与

存储区域7.2.1数据类型S7-1200PLC中数值数据类型包括位、位序列、整数、浮点数及时间等,见表7-1。7.2.1数据类型举例:在PLC中创建一个DB块,并将属性设置为标准DB块,在DB1块中创建字符串“string1”“string2”和字符“char1”,并赋予起始值,如图7-1所示。数据类型为String的字符串“string1”,没有定义具体字符数量。通过仿真查看DB块偏移地址可见该字符串占用256字节;查看字符串第一个字节,最多存储字符总数量为254个,第二个字节有效字符数量为7个(simatic),其余位置填充空字符“$00”,填满254个字符,如图7-2所示。7.2.2数据存储区1.存储区的分类S7-1200的内部存储区分为装载存储区、工作存储区和保持性存储区三种。CPU的M存储区、全局数据块中的数据可以使用保持性存储区存储。(1)M存储区用户可以在“PLC变量”标签页中,单击“保持”按钮来设定M存储区的保持范围,为从MB0开始的连续字节数,例如设置10,则保持范围为MB0~MB9共10个字节,无法设置多个保持范围,如图7-3所示。(2)全局数据块全局数据块也分为优化和标准两种。使用优化的全局数据块能够最优化地利用CPU内部的数据存储区,可以分别指定其内部每个变量的保存特性。使用标准的全局数据块,只能对其整体指定一种保持特性。新建的数据块默认为优化的全局数据块,可以在数据块右键属性中修改,将“优化的块访问”选择框取消,就设置为标准

的块访问,如图7-4所示。打开数据块,通过勾选“保持”设置变量的保持特性,如图7-5所示。7.2.2数据存储区2.存储区的编址格式存储器是由许多存储单元组成的,每个存储单元都有唯一的地址,可以依据存储器地址来存取数据。S7-1200PLC的存储单元按字节进行编址,数据区存储器地址的表示格式有位、字节、字、双字地址格式。数据区存储器区域的字节、字、双字地址格式由区域标识符、数据长度以及该字节、字或双字的起始字节地址构成。例如,IB2表示输入字节,由I2.0~I2.7这8位组成。图7-6中,用MB100、MW100、MD100分别表示字节、字、双字的地址。MW100表示由MB100、MB101相邻的两个字节组成的一个字,MD100表示由MB100~MB103四个字节组成的一个双字,100为起始字节地址。7.3S7-1200PLC的编程元件7.3S7-1200PLC的编程元件PLC的数据区存储器区域在系统软件的管理下,划分出若干小区,并将这些小区赋予不同的功能,由此组成了各种内部元件,这些内部元件就是PLC的编程元件。软继电器的特点如下:软继电器是看不见、摸不着的,没有实际的物理触点。每个软继电器可提供无限多个常开触点和常闭触点,可放在同一程序的任何地方,即其触点可以无限次地使用。体积小、功耗低、寿命长。S7-1200PLC提供的编程元件地址区分类及表示符号见表7-2。寻址的有效范围见表5-1。7.4数据寻址7.4.1I/O寻址S7-1200CPU提供两种I/O访问方法:过程映像访问和直接物理访问,如图7-7所示。过程映像访问是使用地址标识符I/Q访问CPU的过程映像区。采用过程映像访问,可以保证在一个扫描周期内的信号一致性。直接物理访问是在I/O地址后附加“:P”,直接访问物理输入、输出点。对于实时性要求高的输入、输出地址访问可以采用直接物理访问。不论过程映像访问还是直接物理访问,都可以按位、字节、字或双字进行I/O访问。过程映像是可读可写的。对过程映像I区的写访问可能会造成扫描周期内I区信号的不一致现象。I:P为只读访问,使用I:P访问不会影响存储在过程映像I区的相应值。Q:P为只写访问,使用Q:P访问会同时更新过程映像Q区的相应值。7.4.2存储区寻址1.全局DB访问设置数据块访问方式的设置,参考图7-4。不同访问方式的DB,内部变量的访问也不同,如图7-8所示。2.背景DB访问设置背景DB的访问方式由其所属的FB的访问方式决定:如果FB为标准访问,则其背景DB是标准DB;如果FB为优化访问,则其背景DB是优化DB。FB的访问方式在其“属性”中设置,如图7-9所示,选中“优化的块访问”则该FB块是优化访问的。7.4.2存储区寻址3.L区访问设置S7-1200CPU的所有OB都是优化访问的,FB/FC的访问方式在其“属性”中设置,如图7-9所示。优化访问的程序块中的L区变量只能使用符号访问;标准访问的FB/FC中L区变量可以使用符号访问和绝对地址访问。SCL语言编辑的程序块中,只能使用符号访问。4.标准DB和优化DB对比在TIA博途软件中,为S7-1200CPU添加一个DB时,其默认属性为优化DB,标准DB与优化DB的整体对比,见表7-3。S7-1200CPU中,标准DB与优化的DB在PLC中按照图7-10所示方式存储。在优化DB中地址偏移不可见,大的数据类型在块的开始区域放置,小的数据类型在块的末端优化放置。7.4.3间接寻址1.普通数组间接寻址S7-1200PLC之前,比如S7-200PLC,是没有数组格式数据的,只能用寄存器存放地址,通过寄存器数据的加减改变地址,访问对应地址的数据,这就是间接寻址。S7-1200PLC从固件版本V2.0开始就支持数组下标使用变量的方式,这就意味着数组是最方便的间接寻址的方法,通过改变下标变量实现各式各样的功能。通常数组间接寻址都是使用SCL进行编程,因为这往往伴随着FOR循环方便实现。但这不意味着LAD无法实现,只是没有SCL编程方便。例如,实现将DB中整数数组“DataIn_1”中数值元素1~10和“DataIn_2”中数值元素11~20,如图7-11所示,分别送入“DataOut_1”和“DataOut_2”中。7.4.3间接寻址1.普通数组间接寻址首先定义创建函数FC1,并定义形参,如图7-12(a)所示。编写的LAD程序和SCL程序如图7-12(b)所示。在OB1中调

用FC1的程序如图7-12(c)所示。仿真结果如图7-12(d)所示。从LAD程序和SCL程序的结构可以明显看出,SCL在PLC的程序控制和数据处理上的优势。图7-12LAD和SCL编程数组寻址7.4.3间接寻址2.输入I、输出Q数组间接寻址在PLC变量表中I、Q是不能直接定义为数组的,但是从CPUV4.0固件以后,I、Q可以定义为PLC数据类型,这样在PLC数据类型中定义数组,间接使得I、Q成为数组数据类型,方便间接寻址,无须再使用PEEK指令。输入I变量定义数组步骤包括:创建PLC数据类型,如图7-13所示;添加PLC变量,如图7-14所示。定义之后,在程序中就可以对输入I进行数组寻址操作。将CPU1214C本体的起始地址I0.0的10个I点的值,分别送入DB1的10个Bool的数组的每一个元素,程序如图7-15所示。7.4.3间接寻址3.Slice访问(片段访问)Slice访问支持I/Q/M/DB等地址区,使用符号方式对操作数按位、字节、字进行访问,而无须对访问的目标地址进行定义。通常针对Byte、Word及DWord等数据类型的变量进行片段访问,此外也可以对INT、DINT等整数数据类型的变量进行片段访问。DB中变量“Variable”的数据类型是DWord,如图7-16所示,可以通过Variable.w1访问其第二字,可以通过Variable.x3访问其第四位。7.4.3间接寻址4.PEEK/PORK指令S7-1200PLC的PEEK/POKE指令,可以实现对I/O、M存储器和数据块的读取或写入。而通过POKE_BLK指令,还可以实现数据区域的复制或移动。将CPU1214C本体的起始地址I0.0的14个I点的值,分别送入DB1的14个Bool的数组的每一个元素,程序以及仿真结果如图7-17所示。本示例和图7-15所示的示例效果是一致的,采用了两种方法。使用POKE_BLK指令编写程序,将DB2.DBW0开始的10个整数值(1~10)写入MW10开始的地址中,程序以及仿真结果如图7-18所示。7.5编程指令7.5编程指令1.位逻辑运算2.定时器和计数器3.比较指令4.移动指令5.程序控制指令使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。7.5编程指令1.位逻辑运算3.比较指令4.移动指令5.程序控制指令使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。S7-1200PLC的定时器为IEC定时器,用户程序中可以使用的定时器数量仅仅受CPU的存储器容量限制。使用定时器需要使用定时器相关的背景数据块或者数据类型为IEC_TIMER的DB变量。定时器指令汇总见表7-5。S7-1200PLC的计数器和定时器一样为IEC计数器,用户程序中可以使用的计数器数量也是受CPU的存储器容量限制。S7-1200PLC的计数器包含3种计数器:加计数器(CTU)、减计数器(CTD)、加减计数器(CTUD),对于每种计数器,计数值可以是任何整数数据类型,并且需要使用每种整数对应的数据类型的DB结构或背景数据块来存储计数器数据。2.定时器和计数器7.5编程指令1.位逻辑运算2.定时器和计数器3.比较指令4.移动指令5.程序控制指令使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。比较指令主要用于数值的比较以及数据类型的比较,具体指令说明见表7-6。7.5编程指令1.位逻辑运算2.定时器和计数器3.比较指令4.移动指令5.程序控制指令使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。移动操作指令主要用于各种数据的移动、相同数据的不同排列的转换,以及实现S7-1200PLC的间接寻址功能部分的移动操作。常用的移动操作指令汇总见表7-7。7.5编程指令1.位逻辑运算2.定时器和计数器3.比较指令4.移动指令使用位逻辑运算指令,可以实现最基本的位逻辑的操作,包括常开、常闭、置位、复位、沿指令等。位逻辑运算指令汇总见表7-4。程序控制指令包含程序跳转、程序退出、SCL的主要控制语句、错误处理等指令,具体指令汇总见表7-8。5.程序控制指令7.6典型PLC程序设计7.6.1开关量逻辑控制程序设计1.确定输入、输出点2.选择S7-1200PLC的CPU型号3.输入、输出点分配4.画出PLC的输入输出接线图5.编写程序根据继电器接触器原理图的分析,自动正反转循环控制的输入点和输出点统计见表7-9。7.6.1开关量逻辑控制程序设计1.确定输入、输出点3.输入、输出点分配4.画出PLC的输入输出接线图5.编写程序选用CPU1212CDC/DC/RLY进行控制。该CPU本体集成有8个DI,6个DQ,满足需要。2.选择S7-1200PLC的CPU型号7.6.1开关量逻辑控制程序设计1.确定输入、输出点2.选择S7-1200PLC的CPU型号3.输入、输出点分配4.画出PLC的输入输出接线图5.编写程序输入、输出点分配见表7-10。7.6.1开关量逻辑控制程序设计1.确定输入、输出点2.选择S7-1200PLC的CPU型号3.输入、输出点分配5.编写程序I/O接线图如图7-19所示。4.画出PLC的输入输出接线图7.6.1开关量逻辑控制程序设计1.确定输入、输出点2.选择S7-1200PLC的CPU型号3.输入、输出点分配4.画出PLC的输入输出接线图5.编写程序在用TIAPortal软件编写程序之前,需要在“PLC变量表”里添加所用到的变量,并写上具体名称,如图7-20所示。编写的程序如图7-21所示,在变量表里

添加的输入点和输出点名称全部映射到LAD程序中,对于理解和后期维护非常方便。7.6.2模拟量控制程序设计1.数据转换模拟量数据转换原理见第5章的5.3.2节模拟量模块,用PLC程序实现时,首先需要对通道进行组态,如图7-22所示。测量类型选择是“电压”还是“电流”,本例选择电流。电流范围选择是“0~20mA”还是“4~20mA”,本例选择“0~20mA”,其他参数默认设置。与开关量相似的操作不再赘述,比如添加变量名称。其次进行程序编写,如图7-23所示。7.6.2模拟量控制程序设计2.PID控制PID功能用于对闭环过程进行控制。PID控制适用于温度、压力、流量等物理量,是工业现场中应用最为广泛的一种控制方式,其原理是对被控对象设定一个给定值,然后将实际值测量出来,并与给定值比较,将其差值送入PID控制器,PID控制器按照一定的运算规律,计算出结果,即为输出值,送到执行器进行调节,其中的P、I、D指的是比例、积分、微分,是闭环控制的一种算法。通过这些参数,可以使被控对象追随给定值变化并使系统达到稳定,自动消除各种干扰对控制过程的影响。S7-1200PLC提供的PID控制器回路数量受到CPU的工作内存及支持DB块数量限制。PID指令块与其相对应的工艺对象背景数据块组合使用,形成完整的PID控制器。PID控制器结构如图7-24所示。7.6.2模拟量控制程序设计2.PID控制以恒温控制为例进行S7-1200PLC的设置与程序设计。模拟量输入、输出处理已在数据转换中介绍,下面主要介绍PID的设置和程序设计。新建循环组织块OB30,循环时间选择默认值100ms,如图7-25所示。新建PID指令,在TIAProtal软件中使用PID功能,有两种方式添加PID的指令。方式一:通过在工艺对象中添加新对象,在弹出的“新增对象”对话框中,左侧竖列选择“PID”后,对话框中间部分对于“CompactPID”版本的选择,如图7-26所示。方式二:当程序处于编程界面时,右侧指令栏中在工艺>PID控制>CompactPID指令>版本选择,如图7-27所示。7.6.2模拟量控制程序设计2.PID控制对工艺对象进行组态,如图7-28所示,包括基本设置、过程值设置和高级设置。在基本设置中定义温度控制类型[图7-28(a)];定义PID输入、输出实际过程值来源为模拟量通道[图7-28(b)];定义过程值的转换标准[图7-28(c)];定义PID参数[图7-18(d)]。还有其他参数根据需要设置。7.6.2模拟量控制程序设计2.PID控制调用通用PID控制器PID_Compact函数,完成程序编写,如图7-29所示,写入恒温的温度值50℃。根据图7-28(b)所示写入输入、输出通道。其他参数根据需要设置。PID控制器能否正常运行,需要设置符合实际运行系统及工艺要求的参数。由于每套系统都不完全一样,所以,每套系统的控制参数也不相同。可通过参数访问方式手动调试,在调试面板中观察曲线图后修改对应的PID参数。也可使用系统提供的参数自整定功能,PID自整定是按照一定的数学算法,通过外部输入信号激励系统,并根据系统的反应方式来确定PID参数。7.6.3通信数据程序设计1.通信模块与设备通信设备端通信接口主要是RS485串口,也有CAN接口。如果是CAN接口,在具体工程应用中一般采用CAN转485串口模块,将其转换成RS485串口通信接口。RS485串口的主要通信协议为ModbusRTU。S7-1200PLC系列CPU能够扩展的串口数量有4个,本节首先介绍采用PLC通信模块和设备进行ModbusRTU通信。Modbus具有两种串行传输模式:分别为ModbusASCII和ModbusRTU。TIAPortalV13SP1版本开始,软件中提供了两个版本的ModbusRTU指令集,如图7-30所示。7.6.3通信数据程序设计1.通信模块与设备通信以某船舶主发电机控制箱的Modbus通信协议为例(图7-31)进行S7-1200PLC的设置与程序设计。7.6.3通信数据程序设计1.通信模块与设备通信首先在TIAPortal软件中进行RS485通信模块组态,如图7-32所示。组态的信息要和图7-31所示的协议一致。其次设置系统存储器,S7-1200PLC提供了系统和时钟存储器功能,为了便于后续指令使用,需要使能该功能。如图7-33所示。7.6.3通信数据程序设计1.通信模块与设备通信在OB31中拖入Modbus_Comm_Load指令和Modbus_Master指令。如图7-34所示。程序段1是初始化,定义通信模块和通信接口;程序段2是读取站点10,起始地址是30001的10个数据,并将数据存放在数据块DB4中的数组“ReadData”中;程序段3是当5s内接收不到新的数据时,将“ReadData”的数据复位为0。7.6.3通信数据程序设计1.通信模块与设备通信当ModbusRTU网络中存在多个ModbusRTU从站或一个ModbusRTU从站同时需要多个作业,例如需要读和写或者读多个区域等,则需要调用多个Modbus_Master指令,Modbus_Master指令之间需要采用轮询方式调用,并且使用相同背景数据块。如图7-35所示,用于描述两个Modbus_Master指令轮询调用的方式。7.6.3通信数据程序设计2.添加串口服务器与设备通信以图7-31所示的船舶主发电机的通信协议作为示例。首先添加一个以太网设备,如图7-36所示。添加后将以太网口连接到子网“PN/IE_1”,并设置以太网地址“192.168.0.100”,与CPU在同一局域网段中。7.6.3通信数据程序设计2.添加串口服务器与设备通信在通信指令中选择“TCON”指令,拖动到LAD程序段1中,单击“TCON”指令右上角图标“”进行组态。在“连接参数”组态窗口中选择“未指定”伙伴;设置IP地址与图7-36所示一致;建立连接数据“PLC_1_Connection_DB”;设置本地端口为“2000”,伙伴端口为“3001”,如图7-37所示。7.6.3通信数据程序设计2.添加串口服务器与设备通信创建新的DB“ModbusSend”,并在其中创建“Send_1”数组,根据Modbus标准请求格式依照图7-31的协议将数组起始值设定为“0A040000000A7176”,如图7-38所示。并在程序段2中写入“TSEND”指令的DATA接口,接收的数据同样存放在数据块DB4中的数组“ReadData”中。程序段4是当5s内接收不到新的数据时,将“ReadData”的数据复位为0,如图7-39所示。7.6.3通信数据程序设计3.与S7-1200PLC通信与S7-120