【文章內(nèi)容簡介】 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁CPU 模塊聯(lián)系，實現(xiàn)人機對話。使用編程軟件不僅可以設(shè)置可編程序控制器的各種參數(shù)，還可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯下載到可編程序控制器，也可以將可編程序控制器中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，還可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程編程和傳送。 電源可編程序控制器使用 220V 交流電源或 24V 直流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供 DC 5V、177。12V、24V 等直流電源。驅(qū)動可編程序控制器負載的直流電源一般有用戶提供。 西門子 S7200 PLC 簡介 西門子 S7200 PLC 的功能概述西門子 S7200 PLC 系列屬于小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7200 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的CPU 模塊和豐富的擴展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床 、印刷機械 、中央空調(diào) 、電梯控制 、運動系統(tǒng)等等。 S7200 系列除了具有 PLC 的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨到之處：（1）功能強大的指令集指令內(nèi)容包括位邏輯指令、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算指令、PID 指令、字符串指令、時鐘指令、通訊指令以及和智能模塊配合的專用指令等。（2）豐富強大的通訊功能S7200 提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡單的 S7 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁200 之間的通訊到 S7200 通過 ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到 S7200 通過以太網(wǎng)通訊。（3）編程軟件的易用性STEP7Micro/WIN32 編程軟件為用戶提供了開發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。Windows 的界面風(fēng)格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔ⅲ軌蚴褂脩艨焖偕鲜?。西門子 S7200 系列 PLC 具有極高的性價比，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 西門子 S7200 PLC 的特點S7200 系列具有鮮明的特點：（1）極高的可靠性；（ 2）極豐富的指令集；（3）數(shù)據(jù)安全性；（4）易于掌握，操作便捷；（5）豐富的內(nèi)置集成功能；（6）實時特性；（7）強勁的通訊能力；（8）豐富的擴展模塊。 西門子 S7200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)西門子 S7200 系列 PLC 具有牢固緊湊的塑料外殼，通過安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標準 DIN 導(dǎo)軌上。利用總線連接電纜，可以把 CPU 模塊和其他擴展模塊，如數(shù)字量 I/O 模塊、模擬量 I/O 模塊、通訊模塊等等，連接起來。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。S7200 CPU 外形如圖 所示。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁圖 S7200 CPU 外形示意圖S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，組成一個功能強大的 PLC。西門子提供了多種類型的 CPU，以適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。目前，提供的 S7200 CPU 有：CPU22CPU22CPU224 、CPU224XP、CPU22CPU 226XM。我們使用的是具有較強控制功能的 CPU 226。 可以利用 PC/PPI 電纜和自由口通訊功能把 S7200 CPU 連接到許多和RS232 標準兼容的設(shè)備。目前有兩種不同型號的 PC/PPI 電纜：帶有 RS232口的隔離型 PC/PPI 電纜，用 5 個 DIP 開關(guān)設(shè)置波特率和其它配置項；帶有RS232 口的非隔離型 PC/PPI 電纜，用 4 個 DIP 開關(guān)設(shè)置波特率。 西門子 S7200 PLC 的工作原理S7200 PLC 具有兩種工作模式，分別是：運行（RUN）模式和停止（STOP ）模式。在運行模式下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在停止模式下，S7200 CPU 不執(zhí)行用戶程序，此時可設(shè)置 CPU 系統(tǒng)的硬件功能，并將用戶程序、數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)置信息下載到 S7200 CPU。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建和編輯。CPU 模塊上的模式開關(guān)用于改變和轉(zhuǎn)換 S7200 PLC 的工作模式。開關(guān)撥到 RUN 位置時，CPU 運行，啟動用戶程序的運行；當(dāng)開關(guān)撥到 STOP 位置 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁時，CPU 停止，用戶程序的運行也停止；開關(guān)撥到 TERM 位置時，不改變當(dāng)前操作模式。此外還可以通過 Step7Micro/MIN32 編程軟件控制 S7200 CPU 的運行和停止。S7200 CPU 前面板上的 LED 顯示著當(dāng)前的工作模式。S7200 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化的工作。為了使 PLC 的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號。初始化后，S7200 CPU 按照循環(huán)掃描的方式，完成包括執(zhí)行用戶程序在內(nèi)的各項不同的任務(wù)。S7200 CPU 周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行依次稱為一個掃描周期。在一個掃描周期內(nèi)，CPU 執(zhí)行如圖 所示。（1）讀輸入在 PLC 的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出寄存器。CPU 以字節(jié)為單位來讀寫輸入/輸出映像寄存器。在讀輸入階段，S7200 CPU 讀取物理輸入點上的 ON/OFF（1/0）狀態(tài)并復(fù)制到輸入映像寄存器。圖 S7200 CPU 的工作掃描過程示意圖（2）執(zhí)行用戶程序用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實現(xiàn)控制邏輯。一般情況下，用戶程序從輸入映像寄存器獲得外部控制和狀態(tài)信號，把運 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁算結(jié)果寫入輸出映像寄存器，或者存入到不同的數(shù)據(jù)保存區(qū)。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其 0 或 1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中。因此，除只讀的輸入映像寄存器外，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。S7200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。（3）處理通訊任務(wù)在處理通訊任務(wù)階段， S7200 CPU 處理通信口接收到的信息，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑿畔鬟f給通信請求方。（4）執(zhí)行自診斷S7200 CPU 檢查整個系統(tǒng)是否工作正常。自診斷測試包括定期檢查EEPROM、用戶程序存儲器、I/O 模塊狀態(tài)以及 I/O 擴展總線的一致性，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。（5）寫輸出復(fù)制輸出過程映像寄存器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點。過程映像寄存器是S7200 CPU 中的特殊存儲區(qū)，專門用于存放從物理輸入/ 輸出點讀取或?qū)懙轿锢磔斎?輸出點的狀態(tài)。（6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點上被執(zhí)行。 西門子 S7200 PLC 的編程語言西門子 S7200 PLC 系列采用的編程語言常用的有以下三種：梯形圖（LadderDiagram） 、功能塊圖（Function Block Diagram） 、語言表或稱指令表（Instruction/Statement List） 。1. 梯形圖梯形圖（LAD）是使用最多的可編程序控制器編程語言。梯形圖由觸點、線 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時器、計數(shù)器或者數(shù)學(xué)運算等附加指令。觸點和線圈等組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡(luò)（Network） ，用編程軟件生成的梯形圖和語言表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位，給梯形圖加注釋。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運算按從左到右的方向執(zhí)行。各網(wǎng)絡(luò)按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的網(wǎng)絡(luò)后，返回最上面的網(wǎng)絡(luò)重新執(zhí)行。梯形圖比較適合有電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人使用。2. 功能塊圖功能塊圖（FBD）與數(shù)字邏輯門電路的編程語言相類似，用一種功能方框來表示一種特定的功能，方框圖中的符號表示著該功能塊圖的功能。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非” 運算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號從左到右流動。把所需的功能塊連接起來，用來實現(xiàn)控制功能。功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人使用。3. 語句表S7200 系列可編程序控制器將指令表稱為語句表。語句表是一種助記符表達式，與計算機的匯編語言的指令相似。盡管語言表比梯形圖、功能塊圖抽象，但可以實現(xiàn)某些梯形圖或功能塊圖無法實現(xiàn)的功能。語言表比較適合有邏輯程序設(shè)計經(jīng)驗的人使用。 Step 7Micro/WIN 編程軟件簡介供 S7200 使用的 Step 7Micro/WIN32 編程軟件提供了兩種指令集：SIMATIC 指令集與 IEC11313 指令集。通常 SIMATIC 指令豐富，且執(zhí)行時間短，可使用梯形圖、功能塊圖和語句表語言；而 IEC11313 指令集只提供梯形圖、功能塊圖，且指令較少。所以我們選用 SIMATIC 指令集來完成編程。STEP 7Micro/WIN32 兼容所有的 S7200 系列，是我們選用的編程軟件，可以對 CPU 226 進行編程。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 西門子 S7200 PLC 的程序結(jié)構(gòu)S7200 PLC 系列的控制程序是由主程序（ OB1） 、子程序和中斷程序組成。主程序是整個程序的主體，每個項目都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可調(diào)用子程序和中斷程序。主程序通過指令控制整個應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次 CPU 掃描都要執(zhí)行一次主程序。子程序是一個可選的指令集合，僅在被其他程序調(diào)用時執(zhí)行。同一子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用，使用子程序可以簡化程序代碼、減少掃描時間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強移植性。中斷程序也是一個可選的指令集合，中斷程序不是被主程序調(diào)用，而是在中斷事件發(fā)生時由可編程序控制器的操作系統(tǒng)調(diào)用。中斷事件會在 S7200 CPU程序循環(huán)周期中任何時刻發(fā)生。中斷程序是用來處理預(yù)先規(guī)定的中斷事件，執(zhí)行中斷程序前后，S7200 系統(tǒng)會自動保護和恢復(fù)被中斷的程序運行環(huán)境。因為不能預(yù)知何時出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲器。中斷程序不會再被中斷。4 PID 控制器的設(shè)計本文是利用在生產(chǎn)過程中最普遍采用的控制方法——串級控制作為系統(tǒng)的控制方法來設(shè)計控制軟件的。 算法概述在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。系統(tǒng)有模擬 PID 控制器和被控對象組成。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 與實際輸出值 構(gòu)成控)(tr)(tc制偏差： （4—)()(tcrte??1）將偏差的比例（P ） 、積分（ I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為： （4—])()(1)([)(0dteTtetKtutip???2）離散化連續(xù)時間 PID 控制器便可得到數(shù)字 PID 控制器如下： （4—)]1()[)()()(0 ?????keTKieTkeKudpkipp3）式中： —比例系數(shù)；pK —積分時間常數(shù)；iT —微分時間常數(shù)。dPID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 ，偏差一旦產(chǎn))(te生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) ， 越大，積分作用越弱，反之則越強。iTi（3）微分