电气控制线路设计、安装与调试-项目五交通灯控制系统

任务1天塔之光控制系统☆引言PLC是现代工业自动控制的一种通用计算机,与继电接触器控制相比,其能够实现更复杂的系统控制。PLC应用系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面,任何一种电气控制系统的目的都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的控制要求和工艺需要,从而提高产品质量和生产效率。本任务将重点学习如何应用语句表编写程序。☆学习目标(1)位操作指令。(2)电路块操作指令。(3)堆栈操作指令。(4)置位和复位指令。下一页返回任务1天塔之光控制系统(5)边沿触发指令。(6)取非指令。(7)空操作指令。(8)定时器指令。(9)计数器指令。(10)比较指令。(11)指令编程法。(12)梯形图和指令表的相互转换方法。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统☆任务提出1.任务要求每当夜晚来临时,城市中的装饰彩灯都闪烁着美丽的光芒,装饰着大街小巷。本次任务就是应用PLC系统设计并完成天塔之光的控制(天塔之光如图5-1所示),并要求写出I/O口的分配、出梯形图和指令表,同时画出接线图,具体要求如下:按下启动按钮,小灯L1亮1s灭;接着L2、L3、L4、L5亮1s灭;然后L6、L7、L8、L9亮1s灭;按照此顺序循环下去,直到按下停止按钮,所有灯均灭。2.硬件设备PLC实训装置、计算机。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统☆知识储备1.位操作指令位操作指令是PLC常用的基本指令,梯形图指令有触点和线圈两大类,触点又分常开触点和常闭触点两种形式,语句表指令有与、或以及输出等逻辑关系,位操作指令能够实现基本的位逻辑运算和控制。语句表的基本逻辑指令由指令助记符和操作数两部分组成,操作数由可以进行位操作的寄存器元件及地址组成,如LDI1.0。位操作指令格式及功能见表5-1。常用指令助计符的定义:(1)LD(Load):取指令,表示一个与梯形图左母线相连的常开触点指令。(2)LDN(LoadNot):取反指令,表示一个与梯形图左母线相连的常闭触点指令。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统这两条指令也用于梯形图程序中的分支开始。(3)A(And):与指令,用于串联单个常开触点。(4)AN(AndNot):与非指令,用于串联单个常闭触点。(5)O(Or):或指令,用于并联单个常开触点。(6)ON(OrNot):或非指令,用于并联单个常闭触点。(7)=(Out):输出指令,线圈输出。在执行输出指令时,映像寄存器中的指定参数位被接通。(8)LDI:立即取指令,表示一个与梯形图与左母线相连的立即常开触点。(9)LDNI:立即取反指令,表示一个与梯形图与左母线相连的立即常闭触点。(10)AI:立即与指令,用于串联单个立即常开触点。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统(11)ANI:立即与非指令,用于串联单个立即常闭触点。(12)=I:立即输出指令,线圈立即输出。在执行立即类指令时,立即指令获取实际输入值,但不更新输入映像寄存器。立即指令不依赖S7-200系列PLC的扫描周期进行更新,而是会立即更新,并将新值写入实际输出和对应的过程映像寄存器中。比如,用PLC实现电动机长动控制梯形图见图5-2。用指令表编写电动机长动控制指令表如表5-2。再比如:某控制梯形图如图5-3所示。与图5-3所示梯形图对应的指令表见表5-3。2.电路块操作指令电路块操作指令包含电路块的串联指令ALD(AndLoad)和电路块的并联指令OLD(OrLoad),电路板块操作指令格式及功能见表5-4。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统含有两个以上触点并联连接的电路称为并联连接块。当并联电路块串联连接时,支路的起点以LD或LDN指令开始,而支路的终点要用ALD指令。ALD指令是一种独立指令,其后不带操作元件号,因此,ALD指令不表示触点,而可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块串联连接,应在每个串联电路块之后使用一个ALD指令,在用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制,也可将所有要串联的电路块依次写出,然后在这些电路块的末尾集中写出ALD的指令。串联电路块的举例如图5-4所示。与图5-4所示串联电路块对应的指令表见表5-5。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统含有两个以上触点串联连接的电路称为串联连接块。当串联电路块并联连接时,支路的起点以LD或LDN指令开始,而支路的终点要用ORB指令。与ALD指令一样,ORB指令也是一种独立指令,其后不带操作元件号。如需要将多个电路块并联连接,应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令,在用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制,也可将所有要并联的电路块依次写出,然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令。并联电路块的举例如图5-5所示。与图5-5所示并联电路块对应的指令表见表5-6。3.堆栈操作指令在使用梯形图编程时,并不是所有的触点都是简单的串、并联关系,当遇到复杂的连接关系时,可以使用堆栈指令(或称为多分支回路指令)。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统在S7-200系列PLC中,有一个9层堆栈,其用于处理逻辑操作,故称为逻辑堆栈。PLC的堆栈与一般计算机的堆栈结构是一致的,它是一组临时存取数据的存储单元,并是由9个堆栈位存储器组成的串联堆栈,堆栈的结构如图5-6所示。堆栈操作的原则是:“先进后出”、“后进先出”。进栈时,数据由栈顶压入,堆栈中原有的数据串行下移一位,栈底(STACK8)的原有数据丢失。出栈时数据从栈顶被取出,所有数据向上串行上移一位,所以在栈底(STACK8)中,应装入一个随机数据。S7-200系列PLC提供的堆栈指令及功能见表5-7。指令说明:(1)当使用LPS指令时,本指令为分支的开始,以后必须有分支结束指令LPP作为结束,即LPS与LPP指令必须成对出现。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统(2)逻辑堆栈指令可以嵌套使用,但最多只可嵌套9次。(3)LPS、LRD和LPP指令无操作次数限制。堆栈举例如图5-7所示。与图5-7所示堆栈对应的指令表如表5-8所示。4.置位和复位指令1)置位和复位指令格式及功能在PLC的控制电路中也可以用置位线圈实现自保持功能。置位和复位指令格式及功能见表5-9。2)指令说明(1)置位和复位线圈通常成对使用,但也可以单独使用或与其他指令配合使用。(2)置位和复位指令操作数n的范围是0~255。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统(3)因为与PLC的循环扫描工作方式有关,当置位和复位线圈的输入端同时有效时,位于后边的指令具有优先权。(4)同一编程元件可以多次使用置位和复位指令。(5)立即置位和立即复位指令操作数n的范围是1~128。置位和复位指令举例如图5-8所示。如图5-8所示置位和复位指令对应的指令表见表5-10。如图5-8所示,当I0.0闭合,对Q0.0、Q0.1进行置位,即Q0.0、Q0.1线圈得电(变为高电平),即使I0.0断开,Q0.0、Q0.1依然保持高电平;当I0.1闭合,对Q0.0、Q0.1进行复位,即Q0.0、Q0.1线圈失电,恢复为低电平。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统5.边沿触发指令在梯形图中,边沿触发指令均为常开触点。边沿触发指令的功能是:EU(EdgeUp)指令在输入脉冲的上升沿到来时会产生一个扫描周期宽度的脉冲;ED(EdgeDown)指令在输入脉冲的下降沿到来时会产生一个扫描周期宽度的脉冲。可见,边沿触发指令可用来捕捉上升沿和下降沿信号。对于PLC一进入RUN模式就是接通状态的输入条件,EU指令不被执行。边沿触发指令EU/ED的格式及功能见表5-11。边沿触发指令举例如图5-9所示。图5-9所示边沿触发指令对应的指令表如表5-12所示。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统6.取非指令取非指令指将左边电路的逻辑运算结果取反。在执行取非指令时,若该指令输入端的逻辑运算结果为1,经该指令取非后结果为0,这表示能流截止,即能流不能到达右侧,输出无效。若该指令输入端的逻辑运算结果为0,经该指令取非后结果为1,则能流可以通过触点向右侧传递。取非指令的格式及功能见表5-13。7.空操作指令空操作指令有增加程序容量的作用。在能流输入有效时,执行空操作指令将稍微延长扫描周期长度,而不影响用户程序的执行,且不会使能流输出断开。操作数N为执行空操作指令的次数,N=0~255。空操作指令的格式及功能见表5-14。取非和空操作指令举例如图5-10所示。与图5-10所示取非和空操作指令对应的指令表见表5-15。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统8.定时器指令S7-200系列PLC共有256个定时器,其均为增量型定时器,可实现时间的控制。按照工作方式分类,其可分为接通延时定时器、断开延时定时器和有记忆接通延时定时器3种。定时器指令格式及功能见表5-16。定时器举例如图5-11所示。与图5-11所示定时器对应的时序图如图5-12所示。与图5-11所示定时器对应的指令表见表5-17。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统9.计数器指令(1)计数器指令格式及功能。计数器指令用来累计输入脉冲的数量。S7-200系列PLC的普通计数器有3种:递增计数器CTU、递减计数器CTD和增减计数器CTUD,可根据实际编程的需要,选择不同类型的计数器指令。指令编号为C0~C255,共计256个,且每个计数器线圈只能使用一次。计数器指令的格式及功能见表5-18。(2)指令说明。①在递增计数器指令中,CU为加计数脉冲输入端,R为复位输入端,PV为设定值输入端。②在递减计数器指令中,CD为减计数脉冲输入端,LD为装载端,PV为设定值输入端。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统③在增减计数器指令中,CU为加计数脉冲输入端,CD为减计数脉冲输入端,R为复位输入端,PV为设定值输入端。计数器举例如图5-13所示。10.比较指令(1)比较指令格式及功能。比较指令用于完成两个相同类型数据的比较。比较运算符有=(等于)、>=(大于等于)、<=(小于等于)、>(大于)、<(小于)、<>(不等于)。在梯形图中,用带参数和运算符的动合触点表示比较指令,比较结果为真时,触点闭合,否则断开。比较触点可以装入,也可以串、并联。比较指令为工程中常见的上限、下限控制提供了便利。比较指令格式及功能见表5-19。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统(2)指令说明。①比较指令输出的寻址范围是Q、M、SM、T、C、V、S、L及使能位。②注意参与运算的数据类型,其包括字节(Byte)(无符号整数)、整数(Integer/Word)(有符号整数)、双字整数(DoubleInteger)(有符号整数)、实数(Real)(有符号的双字浮点数)。并可根据数据类型的不同选择相应的比较指令。☆知识拓展复杂梯形图与指令表的相互转换。1.梯形图转换为指令表看似复杂的梯形图要转换成指令表其实并不难,其方法是:把复杂的电路逐步划分成简单的小电路块,划分过程如图5-14所示的梯形图。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统梯形图转换所得的指令表见表5-20。2.指令表转换为梯形图将复杂的程序逐步划分成简单的小程序块,划分的指令表见表5-21。指令表经转换后所得的梯形图如图5-15所示。☆知识应用1.任务要求应用PLC设计并完成天塔之光的控制(如图5-1所示),并要求写出I/O口的分配、给出梯形图和指令表,同时画出接线图,具体要求如下:按下启动按钮,小灯L1亮1s灭;接着L2、L3、L4、L5亮1s灭;然后L6、L7、L8、L9亮1s灭;按照此顺序循环下去,直到按下停止按钮,所有灯均灭。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统2.实施步骤(1)输入、输出口的分配(I/O口分配)。I/O口的分配见表5-22。(2)梯形图及指令表。重点解决三组小灯循环闪烁的问题。天塔之光的梯形图如图5-16所示,相关指令表见表5-23。(3)接线图。天塔之光的接线如图5-17所示。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统☆知识提升1.任务要求应用PLC设计并完成下述控制功能,要求写出I/O口的分配、给出梯形图、指令表并画出接线图,控制要求如下:用一个按钮控制三盏灯。按四下按钮,第一盏灯亮;再按三下按钮,第二盏灯亮;再按两下按钮,第三盏灯亮;再按一下按钮,三盏灯全灭。2.实施步骤(1)输入输出口的分配(I/O口分配)。I/O口的分配见表5-24。(2)梯形图及指令表。实现三盏小灯控制的梯形图如图5-18所示,相关指令表见表5-25。上一页下一页返回任务1天塔之光控制系统(3)接线图。电动机控制的接线如图5-19所示。☆任务完成按班级人数情况将学生分组,每组4人。每个小组学生根据该任务的学习情况选出一位组长,由组长带领该小组全体成员完成天塔之光的详细设计、资料整理以及本任务的学习总结记录。☆任务评价本任务建议评分标准和能力、素质评价标准见表5-26、表5-27。上一页返回任务2交通灯控制系统☆引言PLC程序的编写没有固定的方法和步骤可以遵循,试探性和随意性很大。对于复杂的程序往往要经过多次修改和调试才能完成,所以对于初学者来说,一定要通过大量的练习和实践来形成编程思路,找到适合自己的编程方法。本任务以难度较大的交通控制系统为例进行PLC编程的深入学习。☆学习目标(1)通信基本知识。(2)S7-200系列PLC通信协议与通信实现。(3)其他指令应用。(4)交通灯工作过程分析。(5)梯形图、指令表、接线图、说明书等资料的绘制、撰写与整理。下一页返回任务2交通灯控制系统☆任务提出1.任务要求应用PLC设计并完成对交通灯的控制,交通灯示意如图5-20所示,要求写出输入输出口的分配、给出梯形图并画出接线图。控制要求:闭合开关后,东西方向的指示灯绿灯亮4s后闪2s,灭,黄灯亮2s后灭,红灯亮8s后灭,如此循环;南北方向的指示灯,南北红灯亮8s后灭(此时对应东西方向绿灯亮4s后闪2s,灭,黄灯亮2s后灭),绿灯亮4s后闪2s,灭,黄灯亮2s后灭,如此循环。断开开关,所有指示灯全灭。2.硬件设备PLC实训装置、计算机。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统☆知识储备随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展,通信的功能越来越重要。很多企业开始大量使用工业控制计算机、可编程序控制器、变频器、机器人等设备,并将这些不同厂家生产的不同设备连接在同一个网络上进行数据通信,并实现整个系统的自动化与智能化。通信是指计算机与外界的信息传输。工业现场PLC的通信主要包括PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与人机界面、PLC与智能设备之间的联网通信。1.通信基本知识1)并行通信和串行通信在通信领域内,数据通信按每次传送的数据位数,其通信方式可分为并行通信和串行通信。并行通信和串行通信的区别如图5-21所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)并行通信(ParallelTransmission)。并行通信是指所传送数据的各位在多条通道上同时被传送或接收。其特点是数据传输速度快,但由于一个并行数据有多少位二进制数,就需要多少根传输线,因而成本较高,故不宜进行远距离通信。通常并行通信用于传输速率高的近距离传输,如用于计算机和打印机之间及其外设之间的通信。(2)串行通信(SerialTransmission)。串行通信是指所传送的数据按顺序一位一位地发送或接收。其特点是通信线路简单,一般只需要一根到两根的传输线,因而成本低,适用于远距离传输,比如PLC与计算机之间以及PLC与PLC之间的通信。2)异步通信和同步通信在数据通信中,必须保持数据的发送端和接收端同步。这个问题解决不好将会导致误码增加,甚至使系统不能正常运行。为此,串行通信采用了两种通信方式,即异步通信和同步通信。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)异步通信。异步通信是利用起止法来达到收发同步的。在异步通信方式下,每一个字符的发送都是独立和随机的,它以不均匀的传输速率发送,字符间距也是任意的,所以这种方式被称为异步传输。异步串行通信的缺点是传输效率低,每个字符都要加上冗余的起始位和终止位,所以其主要用于中、低速通信(小于2000b/s)。例如:传输一个ASCII码字符(7位),若选用2位终止位、1位校验位和1位起始位,则传输的7位ASCII码字符就需要11位。异步通信数据传输格式如图5-22所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(2)同步通信。在同步通信过程中,数据的传输是以一组数据(数据块或帧)为单位进行传输的,每次传送1~2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。同步字符起联络作用,它用来通知接收方开始接收数据。在同步传输中,发送端和接收端必须保持完全同步,这意味着发送方和接收方应使用同一个时钟脉冲。而现实中可以通过调制解调方式在数据流中提取同步信号,使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。由于在同步通信方式中,数据块的每个字节之间不需要附加起始位和停止位,因而传输效率高,但所需的软件和硬件价格是异步通信的8~12倍。3)信息交互方式数据在通信线路上的传输具有方向性,按照数据传送方向可将串行通信分为:单工通信、半双工通信和全双工通信方式。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)单工通信。单工通信是指信息始终由发送端传输到接收端,而不能进行反方向传输。单工通信如图5-23所示。常见的单工通信类型如无线电广播、电视广播等。(2)半双工通信。半双工通信是指在一条传输线上相互进行通信的两端既可以作为发送端,也可以作为接收端。数据流可以在两个方向上传送,但任一时刻只限于一个方向传送,其又称为双向交替通信,半双工通信如图5-24所示。(3)全双工通信方式。全双工通信有两条传输线,相互通信的双方能够同时进行数据的发送和接收,全双工通信如图5-25所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统4)工业局域网在计算机网络中每个计算机或交换信息的智能设备称为网络的站点或节点,根据计算机网络的站间距离可将计算机网络分为全域网、广域网和局域网。全域网:通过卫星通信并覆盖世界各地。广域网:其又称为远程网,站点分布从几千米至几千千米,一般借用公共电话网和电报网进行通信,且各种规程限制很严格。局域网:地理范围有限,站间距离一般在几十米至几千米,数据通信传输速率高,网络拓扑结构规则。PLC控制网络利用局域网进行数据通信。拓扑是节点间的物理连接结构。常用的网络拓扑结构有3种,即星型、环型和总线型。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)星型网络结构。星型网络的结构特点是以中央节点为中心,网络上的其他站点都与中央节点相连接。通信由中央节点管理,网络中任何两个站点不能直接进行通信,数据传输都要由中央节点中继转发。星型网络结构如图5-26所示。星型网络结构简单,建网容易,便于程序集中开发和资源共享。但是上位机的负荷重,线路利用率低,系统费用高。如果上位机发生故障,整个通信系统将瘫痪。(2)环型网络结构。环型网络的结构特点是各个站点通过环路接口首尾相连,形成环形。各个站点均可以请求发送信息,请求批准后,数据沿环路穿越各个环路接口,单向或双向发送,直至到达接收站点。环型网络结构如图5-27所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统环型网络结构简单,安装费用低,某个站点发生故障时,可以自动旁路,对整个系统的影响较小。自动化系统经常采用环型网络结构。(3)总线型网络结构。总线型网络是利用总线连接所有的站点,任何站点都可以在总线上传输数据,并且能被总线上任意站点接收,即所有的站点对总线有同等的访问权。总线型网络结构如图5-28所示。总线型网络结构简单,易于扩充,可靠性高,灵活性好,网络响应速度快,特别适用于工业控制局域网。在底层S7-200系列PLC的网络中,一般使用总线型网络结构。5)传输速率传输速率是指单位时间内传输的信息量,它是衡量系统传输性能的主要指标,常用波特率(BaudRate)表示。波特率是指每秒传输二进制数的位数,单位为bit/s或b/s。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统6)信号的调制和解调串行通信通常传输的是数字量信号,这种信号包括从低频到高频极其丰富的谐波信号,其要求传输线的频带很宽。而在进行远距离传输时,为降低成本,选用传输线频带往往不够宽,因而使信号严重失真、衰减,常采用调制解调技术解决这一问题。调制就是发送端将数字信号转换成适合传输线传送的模拟信号,而完成此任务的设备叫调制器。接收端将接收到的模拟信号还原成数字信号的过程称为解调,而完成此任务的设备叫解调器。显然,一个设备工作起来既需要调制又需要解调,将调制、解调功能集中在一个设备里,这一设备称为调制解调器。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统7)数据传输介质在PLC网络中,数据传输的介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆,如果传送距离较远,还可以利用电话线,而如电磁波、红外线、微波等其他介质应用较少。(1)双绞线。双绞线(见图5-29)是将两根线扭绞在一起,这样可以减少外部电磁波的干扰,如果再加上屏蔽套,则抗干扰能力更好。双绞线的成本低,安装简单,RS485通信多用双绞线电缆实现连接。(2)同轴电缆。同轴电缆(见图5-30)由中心导体、电解质绝缘层、外屏蔽导体及外绝缘层组成。可以用于基带传送,也可以用于宽带传送。同轴电缆的传速率高、传输距离远,成本比双绞线高。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(3)光缆。光缆(见图5-31)的尺寸小,质量轻,传输速率及传输距离比同轴电缆更好,但是成本高,安装需要专门仪器。8)串行通信接口标准PLC网络的通信接口多采用串行接口,主要进行数据的并行与串行转换、控制传送的比特率及字符格式、电平转换等。在工业网络中经常采用RS232C、RS422及RS485标准的串行通信接口进行数据通信。(1)RS232C串行通信接口。RS232C串行通信接口标准是1969年由美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustriesAssociation)公布的串行接口标准,RS(RecommendStandard)是推荐标准,232是标志号,C是修改的次数。它既是一种协议标准,也是一种电气标准,它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(2)RS422串行通信接口。RS422接口采用了两对平衡差分信号线,以全双工方式传输数据,通信速率可达10Mb/s,最大传输距离为1200m,抗干扰能力较强,适用于远距离传输数据。(3)RS485串行通信接口。RS485接口是RS422的变形,与RS422相比,它只有一对平衡差分信号线,以半双工方式传输数据,在远距离高速通信中,能以最少的信号线完成通信任务,因此在PLC的控制网络中应用广泛。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统2.S7-200系列PLC通信协议与通信实现1)S7-200系列PLC网络层次结构S7-200系列PLC的网络金字塔模型由4个层次、3级总线复合而成。网络层次结构从上到下依次为:管理级、车间级、现场级、执行器与传感器级。3级工业控制总线将4级网络连接起来,从上到下依次为:工业以太网(Ethernet)、现场总线(Profibus)及执行器级总线(AS-I)。西门子S7-200系列PLC网络金字塔模型的结构如图5-32所示。最高级为工业以太网(Ethernet),其使用通用协议传送生产管理信息。工业以太网是基于国际标准IEEE802.3的开放式网络,其可实现管理、控制一体化,并可集成到互联网,为全球联网提供条件。以太网在局域网领域中的市场占有率高达80%,且通过广域网可实现全球性的远程通信,其网络规模可达1024站。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统最低级为AS-I总线,其负责与现场传感器及执行器的通信,也可以是远程I/O总线,负责PLC主机与分布式I/O系统的通信。传输媒体为未屏蔽的双绞线,最多可接32个从站。2)通信类型主站:可以主动发起数据通信,读或写其他站点的数据。从站:从站只能响应主站的访问、提供或接收数据,而不能主动发起通信,不能进行数据交换,也不能访问其他从站。主站与从站之间有两种连接方式。(1)单主站网络:只有一个主站,连接一个或多个从站,单主站通信连接如图5-33所示。(2)多主站网络:有两个以上的主站,连接多个从站,多主站通信连接如图5-34所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统3)通信协议S7-200系列的PLC拥有出色的通信能力、支持多种通信协议、兼容多种硬件且适应多种应用场合。当S7-200系列PLC用于工业现场控制时,主站和从站之间的通信常采用公司专用协议,即可采用3个标准化协议和1个自由口协议。(1)PPI(PointtoPointInterface)协议。PPI协议(点对点接口协议)是SIEMENS公司专门为S7-200系列PLC开发的通信协议,是主/从协议。利用PC/PPI电缆将S7-200系列的PLC与装有STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机连接起来,并组成PC/PPI(单主站)的主/从网络连接,PC/PPI电缆如图5-35所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(2)MPI(MultiPointInterface)协议。MPI协议(多点接口协议)可以是主/主协议或主/从协议。通过在计算机或编程设备中插入1块多点接口卡(MPI卡,如CP5611),从而组成多主站网络。如果网络中的PLC都是S7-300系列PLC,由于S7-300系列PLC都默认为网络主站,则可建立主/主网络连接,如果有S7-200系列PLC,则可建立主/从网络连接。由于S7-200系列PLC在MPI网络都只被默认为从站,作为从站,S7-200系列PLC之间相互不能进行通信。MPI协议总是在两个相互通信的设备之间建立连接,主站根据需要可以在短时间内建立一个连接,也可以无限期地保持断开状态。在运行时,另一个主站不能干涉两个设备之间已经建立的连接。MPI协议网络如图5-34所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统Profibus协议用于分布式I/O(远程I/O)的高速通信中。在S7-200系列PLC中,CPU222、CPU224和CPU226都可以通过增加EM277ProfibusDP扩展模板支持ProfibusDP网络协议。其最高传输速率可达12Mb/s。ProfibusDP网络通常有一个主站和几个I/O从站,主站初始化网络,核对网络上的从站设备和组态情况。当DP(DistributePeripheral)成功地组态一个从站时,它就拥有该从站。如果网络中有第2个主站,则它只能访问第1个主站的各个从站。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(4)自由口模式通信协议(FreeportMode)。自由口模式通信是S7-200系列PLC独特的一种通信方式。自由口协议是指通过编写用户程序来控制CPU通信端口的操作模式,其可以用自定义的通信协议连接多种智能设备。自由口通信可以使S7-200系列PLC与任何通信协议公开的设备、控制器进行通信,即S7-200系列PLC可以由用户自己定义通信协议(如ASCII协议)。其波特率为1.2~115.2Kb/s。S7-200系列PLC自由口通信协议适用于任何具有串行通信接口的设备,如打印机、变频器、条码阅读器、调制解调器、上位计算机等。当连接的智能设备具有RS485接口时,可以通过双绞线进行连接;如果连接的智能设备具有RS232C接口,可以用PC/PPI电缆连接而进行自由口通信。当两个S7-200系列PLC之间进行简单的数据交换时,用户可以通过编程的方法来编制通信协议,并交换数据。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(5)TCP/IP协议。通过CP-243-1IT通信处理器,可以将S7-200系列PLC系统连接到工业以太网中,再通过工业以太网,一台S7-200系列PLC可以与另一台S7-200、S7-300/400系列PLC进行通信,还可与OPC服务器及PC进行通信。同时其还可通过CP-243-1IT通信处理器的IT功能与其他计算机及控制器系统交换文件,也可以在全球范围内实现控制器与当今办公环境中普通计算机之间的连接。4)通信设备(1)通信端口。在S7-200系列PLC中,CPU221、CPU222和CPU224有1个RS485串行通信端口,定义为端口0,CPU226有两个RS485端口,其分别定义为端口0和端口1。这些通信口是符合欧洲标准EN50170中Profibus标准的RS485兼容9针D型接口,通信端口引脚与Profibus的名称对应关系见表5-28,RS485引脚排列如图5-36所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(2)网络连接器。网络连接器用于将多个设备连接到网络中。网络连接器有两种类型:一种是仅提供连接到主机的接口;另一种是在连接器上增加了编程接口。带有编程接口的连接器可以把编程器或操作员面板直接增加到网络中,编程接口传递主机信号的同时,还为这些设备提供电源。整个网络的始端和末端一定要有终端匹配和偏置才能减少网络信息在通信中的传输错误。因此,位于始端和终端节点网络连接器的网络偏置和终端匹配选择开关应拨在ON位置,而其他节点网络连接器的网络偏置和终端匹配选择开关应该拨在OFF位置,内部连接电缆的偏置与终端如图5-37所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(3)通信电缆。与S7-200系列PLC通信的电缆主要有网络电缆和PC/PPI电缆。网络电缆:ProfibusDP网络使用RS485标准屏蔽双绞线电缆,它允许在一个网络段上最多连接32台设备。根据波特率不同,网络段的最大长度可达到1200m。PC/PPI电缆:S7-200系列PLC主机通过PC/PPI电缆连接计算机及其他通信设备,PLC主机侧是RS485接口,计算机侧是RS232C接口,电缆的中部是RS485/RS232C适配器,在适配器上有4个或者5个DIP开关,用于设置波特率、字符数据格式及设备模式。当数据从RS232C传送到RS485时,PC/PPI电缆是发送模式,但数据从RS485传送到RS232C时,PC/PPI电缆是接收模式。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统5)通信的实现在实际进行S7-200系列PLC通信时,主要准备工作有建立通信方案、选择通信器件、进行参数组态。(1)建立通信方案。在通信前要根据实际需要建立通信方案,主要考虑的是:①主站与从站之间的连接形式。单主站或多主站,其皆可通过软件组态进行设置。在S7-200系列PLC的通信网络中,如果使用了PPI电缆,并安装了编程软件STEP7-Micro/WIN32的计算机或由SIEMENS公司提供的编程器,其均被默认设置为主站。如果网络中还有S7-300系列PLC或HMI等,其可设置为多主站,否则可设置为单主站,该网络中所有的S7-200系列PLC都被默认为从站,有时也可以在程序中指定某个S7-200系列PLC为RUN工作方式下的PPI主站模式。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统②站号。站号是网络中各个站的编号,网络中的每个设备(PC、PLC、HMI等)都要分配唯一的编号(站地址)。站号0是安装编程软件STEP7-Micro/WIN32的计算机或编程器默认站地址,操作面板(如TD200、OP3和OP7)的默认为站号1,与站号0相连的第1台PLC默认为站号2。一个网络中最多可以有127个站地址(站号0到站号126)。③实现通信的器件。在STEP7-Micro/WIN32中,支持通信的器件见表5-29。(2)进行参数组态。在编程软件STEP7-Micro/WIN32中,对通信硬件参数进行设置,即进行通信参数组态,其涉及通信设置、通信器件的安装/删除、PC/PPI(MPI、MODEM)参数设置。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统☆知识拓展1.其他指令应用除了前面学习的基本指令外,在PLC编程时还经常会用到加减运算指令、乘除运算指令、逻辑运算指令、数据传送指令、数据移位指令、跳转指令、子程序调用指令以及循环指令等。1)加减运算指令加减运算指令可以完成对符号数的加、减运算。其指令格式及功能详见表5-30和表5-31。2)乘除运算指令乘除运算指令可以完成对符号数的乘、除运算,包括整数乘除运算、双整数乘除运算、完全整数乘除运算、实数乘除运算。其指令格式及功能详见表5-32和表5-33。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统3)逻辑运算指令逻辑运算指令是对逻辑数(无符号数)按位进行与、或、异或和取反操作。操作数的长度包括字节型B、字型W、双字型DW等。逻辑运算指令格式及功能见表5-34所示。4)数据传送指令传送指令用于在各个编程元件之间进行数据传送。根据每次传送数据的数量,可将其分为单个数据传送指令和数据块传送指令。(1)单个数据传送指令。单个数据传送指令用来传送单个的字节、字、双字、实数。单个数据传送指令格式及功能见表5-35。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统指令说明:影响始能输出ENO正常工作的出错条件是SM4.3(运行时间)、0006(间接寻址)。(2)数据块传送指令。数据块传送指令可以一次进行多个(最多255个)数据的传送,其是包括字节块、字块和双字块的传送。数据块传送指令格式及功能见表5-36。指令说明:影响始能输出ENO正常工作的出错条件是SM4.3(运行时间)、0006(间接寻址)。5)数据移位指令上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)移位指令。移位指令包括左移指令和右移指令两种。移位数据的长度分为字节型、字型、双字型3种。左移、右移指令格式及功能见表5-37。指令说明:①被移位的数据是无符号的。②在移位时,存放移位数据的存储单元的移出端与特殊标志位寄存器SM1.1相连,最后一个移出位保存在“溢出”存储器位SM1.1中,另一端自动补0。③如果移位结果为0,零标志位SM1.0置1。④移位位数N和移位数据的长度有关,一般N≤数据类型对应的位数。如果N小于实际的数据长度,则执行N位移位。如N大于实际的数据长度,则执行移位的位数等于实际数据长度的位数。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统⑤移位位数N为字节型数据(0~255)。⑥影响始能输出ENO正常工作的出错条件是SM4.3(运行时间)、0006(间接寻址)。⑦IN和OUT可使用相同的存储单元,否则语句表指令中将多一条传送指令。例如:MOVIN,OUTSLBOUT,N⑧使能输入端尽量使用边沿触发指令,否则在EN有效的每个扫描周期都将移位一次。左移、右移指令的功能示例见表5-38所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(2)循环移位指令。循环移位指令包括循环左移和循环右移两种。循环移位位数的长度分别为字节、字和双字。循环左移、右移指令格式及功能见表5-39所示。循环左移、右移指令的功能分别见表5-40、表5-41。6)跳转指令程序控制类指令主要用于程序结构的优化。S7-200系列PLC的程序控制指令包括暂停、结束、看门狗复位、跳转、循环以及子程序调用等几组指令。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)暂停、结束及看门狗复位指令。暂停和结束指令在程序中通常用来对突发紧急事件进行处理,以避免在实际生产中产生重大损失。WDR(WatchDogReset)称为看门狗复位指令,也称为警戒时钟刷新指令,它可以刷新警戒时钟,即延长扫描周期,从而有效地避免看门狗超时错误。暂停、结束、看门狗复位指令格式及功能见表5-42。(2)跳转和跳转标号指令。跳转指令可以使PLC编程的灵活性大大提高,使主机可根据对不同条件的判断,选择不同的程序段执行。跳转和跳转标号指令的格式及功能见表5-43。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统7)子程序调用通常将具有特定功能、并被多次使用的程序段设置为子程序。主程序中一般设置有子程序调用指令,由子程序调用指令来决定子程序是否被执行。当满足调用条件时,程序的执行将转移到指定编号的子程序处,执行完子程序,系统返回到主程序中的子程序调用处,继续扫描主程序。子程序用于为程序分段和分块,使其成为较小的、更易于管理的程序块。在程序中调试和维护时,通过使用较小的程序块,对这些区域和整个程序简单地进行调试和故障排除。同时,因为程序体分成若干个较小的块,这些子程序块只是在被调用时才扫描,所以节省了扫描时间。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统在程序中使用子程序,必须进行下列3项任务:建立子程序;在子程序局部变量表中定义参数(带参数的子程序调用中有该项);在主程序或另一个子程序中设置子程序调用指令。子程序调用及子程序返回指令格式及功能见表5-44。8)循环指令循环指令应用为解决重复执行相同功能的程序段提供了极大的方便,并且优化了程序结构,特别是在进行大量相同功能的计算和逻辑处理时,循环指令非常有用。(1)循环指令格式及功能。循环指令有两条:循环开始指令FOR和循环结束指令NEXT。循环指令格式及功能见表5-45。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统2.顺序控制方法1)功能图的定义在20世纪80年代初,法国科技人员根据PetriNet理论,提出了PLC设计的Grafacet法。Grafacet法是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能性说明语言,即顺序功能图(SequentialFunctionChart,SFC)语言。功能图又称为顺序功能图、功能流程图或状态转移图,它是一种描述顺序控制系统的图形表示方法,是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能性说明语言。它能够完整地描述系统的工作过程、功能和特性,是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。2)功能图的组成功能图主要由“步”“有向连线”“转移”和“动作”四部分组成。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(1)步(状态)。步也称为状态,用来说明控制系统的一个稳定状态(稳定阶段)。步用矩形框表示,方框中的数字是该步的编号。步按照状态可分为初始步和工作步两种。初始步表示控制系统的初始状态,是顺序控制的起点,也是功能图运行的起点,一个控制系统至少要有一个初始步。规定初始步用双线的矩形框表示,如图5-38所示梯形图中的“0步”。工作步是控制系统正常运行时的状态(即除初始状态以外的各个稳定阶段)。规定工作步用单线矩形框表示,如图5-38所示梯形图中的“1步”、“2步”。(2)有向连线。在画顺序功能图时,将代表各步的矩形框按它们成为活动步的先后顺序排列,并用带有箭头的有向连线将它们连接起来。带有箭头的有向连线则表示状态转移的路线,该路线表明了步转移的方向。从上到下,从左向右转移时,通常可省略有向线段的箭头。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(3)转移。在有向连线上且与有向连线垂直的短画线称为转移。转移是用来表示从一步(状态)到另一步(状态)的转换条件(即结束某一步动作而启动下一步动作的条件),如图5-38所示梯形图中“X1”“X2”“X3”。(4)动作。在每个稳定的步下要进行的动作。用该步右边一个带说明的矩形框表示,如图5-38所示梯形图中“动作1”“动作2”“动作3”。3)顺序功能图中实现转换的基本规则要实现步与步之间的转换,必须同时满足两个条件:(1)该转换的前级步必须都为活动步。(2)相应的转换条件得到满足。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统实现步与步的转换后将完成以下两个操作:(1)使后续步变为活动步。(2)使前级步变为非活动步。在顺序功能图中,当某一步的前级步是活动步时,该步才有可能变为活动步。如果用没有断电保持功能的编程元件来代表各步,则在PLC进入RUN模式时,它们均处于OFF状态,必须用SM0.1的常开触点作为转换条件,将初始步预置为活动步,以保证顺序功能图的正常运行。4)顺序功能图程序设计法的基本思想和设计思路顺序功能图程序设计法的最基本思想:将控制系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段,这些阶段称为步(Step),并用编程元件内部标志位存储器M或顺控继电器S来代表各步。顺序功能图程序设计法的设计思路:用“转移”控制代表各步的“编程元件”,再用代表各步的“编程元件”去控制“输出继电器”。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统5)绘制功能图的注意事项控制系统功能图的绘制需要注意以下几点:(1)步与步不能直接相连,必须用转移分开。(2)转移与转移不能相连,必须用步分开。(3)步与转移、转移与步之间必须采用有向连线。当有向连线从下向上画时,不能省略箭头。(4)一个功能图至少要有一个初始步。这一步可能没有输出,而仅表示系统的初始状态。(5)顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。对于单周期操作,即在完成一次工艺过程的全部操作之后,应从最后一步返回到初始步。对于循环工作方式,应从最后一步返回到下一个工作周期开始运行的第一步。即顺序功能图中不能有“到此为止”的死胡同。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(6)程序若要从初始步开始运行,需使用SM0.1的常开触点作为转换条件,将初始步预置为活动步;否则会因顺序功能图中没有活动步而导致系统无法工作。比如:3盏小灯的顺序运行控制系统,若启动按钮I0.0为ON,则L1亮;延时10s,L1灭,L2亮;再延时10s,L2灭,L3亮。若停止按钮I0.1为ON,3盏小灯同时均灭。此功能可运用S7-200系列PLC提供的顺控指令来完成。3盏小灯的顺序工作流程如图5-39所示。3盏小灯顺序工作的梯形图如图5-40所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统☆知识应用实施步骤:1.输入、输出口的分配(I/O口分配)交通灯控制I/O口的分配见表5-46。2.梯形图交通灯控制梯形图如图5-41所示。3.指令表交通灯控制指令表见表5-47。4.接线图交通灯控制接线图如图5-42所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统☆知识提升1.任务要求在交通灯控制的基础上增加手动控制,实现在特殊情况下人工控制东西或南北方向的指示灯常亮。在交通灯正常运行时,若按下开关SA2,则东西方向红灯常亮,南北方向绿灯常亮;若按下开关SA3,则南北方向红灯常亮,东西方向绿灯常亮。2.实施步骤(1)输入、输出口的分配(I/O口分配)。交通灯控制I/O口的分配见表5-48。(2)梯形图。交通灯控制的梯形图如图5-43所示。上一页下一页返回任务2交通灯控制系统(3)指令表。交通灯控制的指令表见表