【文章內(nèi)容簡介】 以在實驗室模擬調(diào)試PLC的用戶程序，用小開關(guān)來模擬輸入信號，通過個輸出點對應(yīng)的發(fā)光二極管的狀態(tài)來觀察輸出信號的狀態(tài)，調(diào)試的時間比繼電器系統(tǒng)少的多。維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。體積小，能耗低：對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，由于減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，開關(guān)柜的體積比繼電器控制系統(tǒng)小的多。 PLC的工作原理 PLC的循環(huán)處理過程CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的起動、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務(wù)。用戶程序由用戶生成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。STEP7將用戶程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標準子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當于用戶程序中的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動組織塊”O(jiān)B100，完成用戶指定的初始化操作。以后進入周期性的循環(huán)運行。圖32是掃描過程。結(jié)合圖簡要介紹下掃描過程：（1）操作系統(tǒng)啟動循環(huán)時間監(jiān)控；（2）CPU將輸出過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊；（3）CPU讀輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)；（4）CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序中的指令；（5）在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)；（6）CPU返回第一階段，重新啟動循環(huán)時間監(jiān)控。 圖32掃描過程在啟動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其他邏輯塊（FB、SFB、FC、SFC）。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)。在寫輸出模塊階段，CPU將輸出過程映像區(qū)的狀態(tài)傳送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出過程映像位為1狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中的線圈“斷電”，對應(yīng)的輸出過程映像位為0狀態(tài)，在寫輸出模塊階段之后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。在讀輸入模塊階段，PLC把所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀入輸入過程映像區(qū)。外部輸入電路接通時，對應(yīng)的輸入過程映像位為1狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入位的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外部輸入觸點電路斷開時，對應(yīng)的輸入過程映像位為0狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入位的常開觸點斷開，常閉觸點通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了改變，輸入過程映像位的狀態(tài)也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令和塊調(diào)用指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入過程映像區(qū)或別的存儲區(qū)中將有關(guān)編程元件的0、1狀態(tài)讀出來，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)果寫入到對應(yīng)的存儲區(qū)中，因此，各編程元件的存儲區(qū)（輸入過程映像區(qū)除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。，包括執(zhí)行OB1中的程序段和中斷該循環(huán)的系統(tǒng)操作的時間，也稱掃描循環(huán)時間或掃描周期。循環(huán)時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。 S7300簡介 S7300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，維修時更換模塊也很方便。S7300有很高的電磁兼容性和抗振動抗沖擊能力，有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，可以使用多種編程語言。S7300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，各個模塊都安裝在導(dǎo)軌上，用螺栓鎖緊即可。數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安。 數(shù)字量輸出模塊SM 322數(shù)字量輸出模塊將S7300的內(nèi)部電平信號轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平，同時具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動直流負載的大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動交流負載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動交流負載又可以驅(qū)動直流負載的小型繼電器。~2A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。SM323是S7300的數(shù)字量輸入/輸出模塊，它由兩種型號可供選擇。一種是8點的輸入和8點輸出的模塊，輸入點和輸出點均只有一個公共端。另外一種有16點輸入（8點一組）和16點輸出（8點一組）。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電流為7mA,，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護功能。模擬量變送器：生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強電電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如DC0~10V和4~20mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)：S7300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出模塊的技術(shù)參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時最大距離為200m。都有短路保護，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。 熱電偶工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出420mA、010V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應(yīng)用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應(yīng)溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長短粗細無關(guān)。根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關(guān)，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應(yīng)也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導(dǎo)線來傳輸信號，這種導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應(yīng)的溫度值。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出420mA標準電流信號或010V標準電壓信號，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標準。分度號Pt100的含義為在0℃時的名義電阻值為100Ω，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有PtPt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。本設(shè)計選用鎳鉻鎳硅N型熱電偶。 概述 固態(tài)繼電器（Solid State Relay，簡稱SSR）與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關(guān)元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖33所示。 圖33 固態(tài)繼電器模塊示意圖當輸入端有控制信號，輸出端從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；控制信號撤消后，輸出端變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)自動控制的用途。 固態(tài)繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術(shù)，使得弱電和強電隔離，因此從計算機等弱電設(shè)備輸出的信號可以直接加在固態(tài)繼電器的控制端上，無需另外的保護電路。 固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點 固態(tài)繼電器的優(yōu)點 （1）高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，由固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件