【文章內容簡介】 er)是可編程控制器的簡稱，是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術運算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 的特點 PLC 是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設計制造的，這就使 PLC 具有許多其他控制器所無法相比的特點。 歸納如下 :(1)可靠性高，抗干擾能力強 (2)配套齊全，功能完善，適用性強 (3)易學易用，伸手工程技術人員歡迎 (4)系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易 (5)體積小，重量輕，能耗低 PLC 的基本工作原理 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)、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務。用戶程序由用戶生成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務。 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 14 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容，復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” OB100，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。 在啟動完成后，不斷地循環(huán)調用 OB1，在 OB1 中可以調用其他邏輯塊（ 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。 S7400 簡介 S7400 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域的自動控制任務，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。 S7400 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 STEP 7 功能強大，可以使用多種編程語言。 S7400 采用緊湊的、無槽 位限制的模塊結構，各個模塊都安裝在導軌上，用螺栓鎖緊即可。 S7400 的構成模塊 S7400 模塊式 PLC，主要由機架、 CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝的機架上。通過CPU 模塊或通信模塊上的通信接口， PLC 被連接到通信網絡上，可以與計算機、其它 PLC 或其它設備通信。 CPU 模塊： CPU 模塊主要由微處理器和存儲器組成， S7400 將 CPU 模塊簡稱為 CPU。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶 程序，刷新系統(tǒng)的輸出，模塊中的存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 信號模塊：輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊一般簡稱為 I/O 模塊，開關量輸入 /輸出模塊簡稱為 DI 模塊和 DO 模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡稱為AI 模塊和 AO 模塊，在 S7400 中統(tǒng)稱為信號模塊。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數(shù)字撥碼開關、限位開關、接近開關等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥 、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。 功能模塊：為了增強 PLC 的功能，擴大應用領域，減輕 CPU 的負擔， PLC 15 廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務。 接口模塊： CPU 模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現(xiàn)中央機架和擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。 通信處理器：通信處理器用于 PLC 之間、 PLC 與遠程 I/O 之間、 PLC 與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將 PLC 接入 MPI、 PROFIBUSDP、 ASi和工業(yè)以太網，或者用于點對點通信。 電源模塊： PLC 一般使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源，電源模塊用于將輸入電壓轉換為 DC 24V 和背板總線上的 DC 5V 電壓，供其他模塊使用。 編程設備： S7400 使用安裝了編程軟件 STEP7 的個人計算機作為編程設備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機。程序可以存 盤或打印，通過網絡，可以實現(xiàn)遠程編程。編程軟件還具有對網絡和硬件組態(tài)、參數(shù)設置、監(jiān)控和故障診斷等功能。 S7400 的輸入輸出模塊 （ 1）數(shù)字量輸入模塊 SM 421 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和接近開關等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉換為 PLC 內部的信號電平。輸入電路中一般設有 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。 （ 2）數(shù)字量輸出模塊 SM 422數(shù)字量輸出模塊將 S7400的內部電平信號轉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動直流負載的大功率晶體管和場效應晶體管、驅動交流負載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅動交流負載又可以驅動直流負載的小型繼電器。輸出電流典型值為 ~2A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。 （ 3）模擬量輸入模塊 模擬量變送器：生產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換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如 DC0~10V 和 4~20mA。 16 SM 431 模擬量輸入模塊的基本結構：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉換為 CPU 內部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是 A/D（ Analog/Digit）轉換器。 SM 431 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)的結構也更加緊湊。 （ 4）模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊的基本結構： S7400 的模擬量輸出模塊 SM 432 用于將 CPU送給的數(shù)字信號轉換為成比例的電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構進行調節(jié)或控制，其主要組成部分是 D/A 轉換器。 模擬量輸出模塊的技術參數(shù)： SM 432 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。 其它器件介紹 調節(jié)閥： 采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA 通訊協(xié)議的氣動調節(jié)閥，用來進行控制回 路流量的調節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點。由 CPU 直接發(fā)送的數(shù)字信號控制閥門的開度 ， 本氣動調節(jié)閥自動進行零點校正， 使用和校正 都 非常方便。 電磁閥： 在本裝置中作為氣動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為： ZS15； 工作壓力：最小壓力為 0Kg/㎝ 2，最大壓力為 10Kg/㎝ 2 ； 工作溫度：－ 5～ 80℃ 。 水泵： 本裝置采用磁力驅動泵，型號為 16CQ8P，流量為 32 升 /分，揚程為8 米，功率為 180W。 泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長， 為三相 380V 恒壓驅動 。 三相移相 調壓裝置： 采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為 4～ 20mA標準電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 控制器 ： 采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU，型號為 4123H，本 CPU 既具有能進行多點通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通訊功能的 DP 通訊接口。 流量傳感器、轉換器： 流量傳感器用來對調節(jié)閥支路的流量進行測量。調節(jié)閥支路的流量檢測采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA 通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。 溫度傳感器： 本系統(tǒng) 采用 2 個 Pt100 傳感器，分別用來檢測鍋爐 內膽、鍋爐夾套 。 2 個 Pt100 傳感器 的檢測信號中檢測鍋爐內膽溫度的到 SIEMENS 帶PROFIBUSPA 通訊協(xié)議的 溫度變送器 ，直接轉化成數(shù)字信號。 Pt100 傳感器精 17 度高，熱補償性能較好 。 模擬鍋爐： 此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 管道： 整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能 性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底有一個出水閥，當水箱需要更換水時，將球閥打開讓水直接排出。 靜音式空氣壓縮機 ： 用于給氣動調節(jié)閥提供氣源，電動機的動力通過三角膠帶傳帶動空壓機曲軸旋轉，經連桿帶動活塞做往復運動，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產生周期變化，完成吸氣、壓縮、排氣的空氣壓縮過程，壓縮空氣經繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進入儲氣罐?？諌簷C設有氣量自動調節(jié)系統(tǒng)，當儲氣罐內的氣壓超過額定排氣壓力時，壓力開關會自動切斷電源使空壓機自動停止工作，當儲氣罐內的氣體壓力因外部設備的使用而下降 到額定排壓以下 時，氣壓開關自動復位，空壓機又重新工作，使儲氣罐內壓縮空氣壓力保持在一定范圍內。 18 4 STEP 7 簡介及組態(tài)硬件、程序編寫 STEP 7 簡介 STEP 7 編程軟件用于 SIMATIC S M C7 和基于 PC 的 WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。 STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7 中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。 STEP 7 用 SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽 SIMATIC S M C7 和 WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn) STEP 7 各種功能所需的 SIMATIC 軟件工具都集成在 STEP 7 中。 STEP 7 的硬件接口 PC/MPI適配器用于連接安裝了 STEP 7的計算機的 RS232C接口和 PLC的 MPI接口。計算機一側的通信速率為 kbit/s 或 kbit/s， PLC 一側的通信速率為 kbit/s~。除了 PC 適配器，還需要一根標準的 RS232C通信 電纜。使用計算機的通信卡 CP 561 CP 5511 或 CP 5512，可以將計算機連接到 MPI 或 PROFIBUS 網絡，通過網絡實現(xiàn)計算機與 PLC 的通信。也可以使用計算機的工業(yè)以太網通信卡 CP 1512 或 CP 1612，通過工業(yè)以太網實現(xiàn)計算機與PLC 通信。在計算機上安裝好 STEP7 后，在管理器中執(zhí)行菜單命令“ Option”→“ Setting the PG/PC Interface”，打開如圖 所示對話框，在中間的選擇框中，選擇實際使用的硬件接口。點擊 “選擇” 按鈕，打開“ Install/Remove Interfaces”對話框，可以安裝選擇框中沒有列出的硬件接口的驅動程序。點擊“屬性” 按鈕，可以設置計算機與 PLC 通信的參數(shù)。 19 圖 硬件接口選擇 STEP 7 的 編程功能 STEP 7 的標準版只配置了 3 種基本的編程語言，梯形圖（ LAD）、功能塊圖（ FDB）和語句表（ STL），有鼠標拖放、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。 STEP 7 專業(yè)版的編程語言包括 S7SCL（結構化控制語言）、 S7GRAPH（順序功能 圖語言）、S7 HiGraph 和 CFC，這四種語言對于標準版是可選的。 STEP 7 用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化。