【文章內(nèi)容簡介】 ④ 輸入輸出元件 (1/O 模塊 ) 1/O 模塊是 CPU 與現(xiàn)場 UO 裝置或其它外部設(shè)備之間的連接部件。將外部輸入信號變換成 CPU能接受的信號，或?qū)?CPU的輸出信號變換成需要的控制 信號去驅(qū)動控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常工作。 ⑤ 編程器和外部設(shè)備 （ 4） PLC 的工作原理 PLC 采用了一種不同于一般計算機的運行方式即掃描方式。 ① 工作過程 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖 4 所示。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段 圖 4 PLC 的工作過程 ② 掃描周期 PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖 5 所示。一個周期等于自診斷、通訊、輸入 采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間之和。 第 N 個掃描周期第 （ n 1 ） 個掃描周期第 （ n + 1 ） 個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行輸入采樣輸出刷新 圖 3 . 2 PLC 的工作過程河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 9 頁 共 42 頁 圖 5 PLC 的掃描周期 (5)可編程序控制器的主要功能和應用 可編程控制器的設(shè)計思想是盡可能地利用當前先進的計算機技術(shù)去滿足用戶的需要， PLC 與繼電器接觸器控制電路的一個本質(zhì)區(qū)別就是除了必要的與外部物理世界的接口 (即 I/0 點 )外，其它的邏輯功能均在其內(nèi)部實現(xiàn)。這些邏輯功能不僅可以取代，而且遠遠超過諸如中間繼電器、時間繼電器等硬件邏輯所能達到的功能，從而為 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基礎(chǔ)。 PLC 的功能可分類如 下 : ① 邏輯控制 ② 定時控制 ③ 計數(shù)控制 ④ 步進 (順序 )控制 ⑤ PID 控制 ⑥ 數(shù)據(jù)控制 :PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力 ⑦ 通信和聯(lián)網(wǎng) ⑧ 其它 :PLC 還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如 :定位控制模塊， CRT 模塊。 (6)PLC 的編程語言 PLC 與微機一樣，是以指令程序的形式進行工作的，各種型號的 PLC 一般均以梯形圖語言為主，同時也兼顧一些其它形式的編程語言。以下列出了三種編程語言。 ① 梯形圖 (LAD) ② 指令語句表 (STL) ③ 邏輯功能圖 ((FBD) 圖 6 PLC 的編程語言 故障上電RUN自診斷通訊輸入采樣用戶程序執(zhí)行輸出刷新河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 10 頁 共 42 頁 S7300 簡介 PLC 選型依據(jù) ： 1)具有足夠大的暫存器空間且獨家提供檔案暫存器空間，保證系統(tǒng)的配料配方量足夠多足夠大，透過專用指令操作保證配方的絕對安全 2)通訊功能強大，通訊協(xié)議編程簡單方便 3)可擴展多個通訊口，為系統(tǒng)延伸控制與聯(lián)網(wǎng)提供硬件支持 4)經(jīng)濟實惠，運行可靠穩(wěn)定性要好 (1)概述 西門子 S7300 可編程序控制器是模塊化小型 PLC 系統(tǒng)，各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展，能滿足中等性能要求。 (2)S7300 的組成 S7300 主要組成部分有 :導軌、中央處理單元模板、接口模板 (IM)、信號模板 (SM)、功能模板 (FM)等。 S7300 組成如圖 7 所示。 圖 7 S7300 的組成 ① 負載電源模塊 (PS):用于將 SIMATIC S7300 連接到 120/220 V 交流電源，或 24/48/60/110 V 直流電源。 ② 中央處理單元 (CPU) 不同的 CPU 有不同的性能，有的 CPU 上集成有輸入 /輸出點，有的 CPU 上集成有 PROPIBUSDP 通訊接口等 。 ③ 信號模塊 (SM):用于數(shù)字量和模擬量輸入 /輸出。 ④ 通訊處理器 (CP):用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接 ⑤ 功能模塊 (FM):用于高速計數(shù)，定位操作 (開環(huán)或閉環(huán)定位 )和閉環(huán)控制。 ⑥ 接口模塊 (IM):用于多機架配置時連接主機架 (CR)和擴展機架 (ER) 。 S7300通過分布式的主機架 (CR)和 3 個擴展機架 (ER)，可以操作多達 32 個模塊。運行時無需風扇。 （ 3） S7300 的類型 CPUPS SM SM SM SM SMSMSM SM河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 11 頁 共 42 頁 ① 標準型 :溫度范圍從 0℃到 60 ℃ ②環(huán)境條件擴展型 :溫度范圍從 25℃ 到 +60℃更強的耐 受振動和污染特性。 （ 4） S7300 的功能 SIMATIC S7300 的大量功能支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護。 ① 高速的指令處理 :~ s 的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應用領(lǐng)域。 ② 浮點數(shù)運算 :用此功能可以有效地實現(xiàn)更為復雜的算術(shù)運算 ③ 方便用戶的參數(shù)賦值 :一個帶標準用戶接口的軟件工具給所有模塊進行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓的費用。 ④ 人機界面 (HMI):方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機對話的編程要求大大減少。 SIMATIC 人機界面 ((HMI)從 S730O 中取得數(shù)據(jù)， S7300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。 S7300 操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送 。 ⑤ 診斷功能 :CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件 (例如 :超時，模塊更換，等等 )。 ⑥ 口令保護 :多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改。 ⑦ 操作方式選擇開關(guān) :操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序 (5) S7300 的通訊 方便用戶的 STEP7 的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。 SIMATIC S7300 具有多種不同的通訊接口 : ① 多種通訊處理器用來連接 AS1 接口、和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)。 ② 串行通訊處理器用來連接點到點的通訊系統(tǒng)。 ③ 多點接口 (MPI)集成在 CPU 中，用于同時連接編程器、 PC 機、人機界面系統(tǒng)及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自動化控制系統(tǒng)。 CPU支持下列通訊類型 : ① 過程通訊 ② 通過總線 (AS1 或 PROFIBUS)對 u0 模塊周期尋址 (過程映象交換 ) ③ 數(shù)據(jù)通訊 在自動控制系統(tǒng)之間或人機界面 (HMI)和幾個自動控制系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)通訊會周期河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 12 頁 共 42 頁 地進行或被用戶程序或功能塊調(diào)用 [1,2]。 PLC 的選型要點 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用 PLC應是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序 控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC 和設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。 （ 1）輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 I/O 點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10%～ 20%的可擴展 余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行調(diào)整。 （ 2）存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的 總字數(shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 （ 3）機型的選擇 ① PLC 的類型 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU 字長分為 1 位、 4位、 8位、 16 位、 32 位、 64 位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。 整體型 PLC 的 I/O 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 13 頁 共 42 頁 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 ② 輸入輸出模塊 的選擇 輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。 可根據(jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程 I/O 機架等。 ③電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進 PLC 應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般 PLC 的供電電源應設(shè)計選用 220V 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出 信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 ④ 存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正 常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 [3] PLC 的中央處理器 CPU 的選型 根據(jù)輸入輸出點數(shù)的要求選擇 CPU315（ 6ES73152AG100AB0）作為本次設(shè)計的中央處理器。 CPU315 是 S7300 的大腦，其裝載存儲器的基本容量為 48K 字節(jié)或 80K字節(jié)，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量可達到 512KB。每執(zhí)行 1000 條二進制指令約需 ，最大可擴充 1024 點數(shù)字量 I/0 或 128 路 模擬量通道。 CPU315 內(nèi)裝硬件實時時鐘。 河北 聯(lián)合 大學 學士學位論文 第 14 頁 共 42 頁 圖 9 CPU315模塊面板布置示意圖 CPU315 的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的用戶程序掃描過程。 CPU 響應哪個事件，操作系統(tǒng)自動調(diào)用該事件的組織塊 OB。 CPU315 可調(diào)用 128 個功能塊 FB (0127)。128 個功能調(diào)用 FC (0127)。 127 個數(shù)據(jù)塊 DB (1127, 0 保留 )。 OB, FB, FC,DB 的容量均不大于8KB。此外，還有 38 個系統(tǒng)功能塊 SFC 集成在操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用 。有 9個系 統(tǒng)數(shù)據(jù)塊 SDB 裝載 S7300 系統(tǒng)參數(shù)。 CPU315 適用于要求高速處理和中等 I/0 規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中等規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。 CPU315 滿足系統(tǒng)的要求。 PLC 數(shù)字量輸入 /輸出模塊的選型與線路連接 在皮帶秤配料自動控制系統(tǒng)中，由于 PLC 的 CPU 本身沒有輸入輸出接口，需要使擴展模塊作為系統(tǒng)的 I/O 口。在本系統(tǒng)中我們采用 SM321 以及 SM323 來滿足系統(tǒng)的要求。SM 321 為 DI 16 x DC 24 V， SM323 數(shù)字量的輸入 /輸出模塊 (6ES7 3231BL000AA0)