【文章內(nèi)容簡介】 體積小，維護(hù)操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 5 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 在種類繁多的 PLC 中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用 PLC 實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入 /輸出轉(zhuǎn)換，并將 這個(gè)轉(zhuǎn)換給予物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。 PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入 /輸出接口電路等組成。 1. 中央處理器 (CPU) 中央處理器 (CPU)一般由控制器運(yùn)算器和寄存器組成。它們都集成在一個(gè)芯片內(nèi)， CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元輸入 /輸出接口電路相連接。與一般計(jì)算機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按照 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC 有條不序地進(jìn)行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，當(dāng) PLC 處于運(yùn)行方式時(shí)， CPU 按循環(huán)掃描方 式執(zhí)行用戶程序。 CPU 的主要任務(wù)如下： (1) 按 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或 PLC 內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。 (4) 在 PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時(shí)地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動(dòng)作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果 更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2. 存儲(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。 (1)系統(tǒng)存儲(chǔ)器 系統(tǒng)存儲(chǔ)器是指用來存放 PLC 的系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)器。它由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。其主要內(nèi)容包括 3 個(gè)部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。 (2)用戶存儲(chǔ)器 用戶存儲(chǔ)器由用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來存 放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。 PLC 使用的存儲(chǔ)器有 3 種類型：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)、只讀存儲(chǔ)器 (ROM)和可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPRO)。 3. 輸入 /輸出接口單元 PLC 的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入 /輸出接口單元從廣義上可分為 2 個(gè)部分：一部分是與被控制設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 6 4. 擴(kuò)展接口和通信接口 PLC 具有擴(kuò)展接口和通信接口的能力，其作用如下： (1)擴(kuò)展接口的作用是將擴(kuò)展單元和功能模塊與基本單元相連， 是 PLC 的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。 (2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機(jī)和其他的， PLC 或計(jì)算機(jī)相連從而實(shí)現(xiàn) ”人 機(jī) ”或 ”機(jī) 機(jī) ”之間的對話。 5. 電源部分 PLC 一般使用 220 交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位 PLC 的中央處理器、存儲(chǔ)器等。電路提供 5V、 177。 12V、 24V 等直流電源使 PLC 能正常工作。 6. 編程設(shè)備 編程設(shè)備的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 7. 其他部件 有些 PLC 還可以有 ERROM 寫入器、存儲(chǔ)器卡等其他外部設(shè)備，用于增強(qiáng) PLC的存儲(chǔ)容量和擴(kuò)展 功能。 PLC 的工作原理 PLC 在程序運(yùn)行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮 [2]。 1. PLC 的 3 個(gè)工作階段 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個(gè)階段完成。上述 3 個(gè)階段即為一個(gè)周期。在整個(gè)運(yùn)行期間 PLC 的CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述 3 個(gè)階段。 (1)輸入采樣階段 PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時(shí)，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序 執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號(hào)如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。 (2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描規(guī)則， PLC 以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當(dāng)指令中涉及輸入 /輸出時(shí)， PLC 從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個(gè)元件的狀態(tài)會(huì)隨程序的執(zhí)行過程而變化 。 (3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通 /斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對于小型 PLC， I/O 點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 2. PLC 對輸入 /輸出的處理規(guī)則 PLC 對輸入 /輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點(diǎn)在上有個(gè)刷新期間的通 /斷狀。 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 7 西門子 S7200 系列 PLC 的硬件 西門子公司的 PLC 產(chǎn)品包括 S7200、 S7300、 S7400、 LOGO、 HMI 人機(jī)界面、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)軟件等。 S7 系列 PLC 具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)。 S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC（ S7200）、小規(guī)模性能要求的 PLC（ S7300）和中高規(guī)模性能要求的 PLC（ S7400）等。其中S7200 系列的 PLC 的出色主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性 ， 極豐富的指令集 ， 易于掌握 ， 便捷的操作 ， 豐富的內(nèi)置集成功能 ， 實(shí)時(shí)特性 ， 強(qiáng)勁的通信能力 ，豐富的擴(kuò)展模塊 。 S7200 系列 PLC 主要由下面幾個(gè)部分組成 1. 基本單元 基本單元又稱為 CPU 模塊，有的也稱為主機(jī)或本機(jī)。它包括 CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入 /輸出點(diǎn)和電源等，是 PLC 的主要部分。實(shí)際上它就是個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的任務(wù)。 2. 擴(kuò)展單元 S7200 CPU22*系列 PLC 具有 2 到 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O 模塊。 3. 特殊功能模塊 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控任務(wù)時(shí)，需要擴(kuò)展模塊和功能模塊。它是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置。 4. 相關(guān)設(shè)備 為了充分利用系統(tǒng) 硬件和軟件資源而開發(fā)的相關(guān)設(shè)備，主要包括編輯設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和人機(jī)操作界面等。 5. 為了能夠更好地使用以上設(shè)備開發(fā)的配套程序。 它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口軟件等幾大類構(gòu)成。 主機(jī) S7200 CPU22*系列的 CPU 模塊主要包括一個(gè)中央處理器、電源、通信口及 I/O接口。它的主要作用有：執(zhí)行程序；從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號(hào)；輸出控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 S7200 CPU22*系列的 PLC 具有以下 5 種不同的結(jié)構(gòu)配置： (1)CPU221 具有 6 個(gè)輸入點(diǎn)和 4 個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì) 10 個(gè) I/O 點(diǎn)。無擴(kuò)展能力。有 4路高速計(jì)數(shù)器（ 30KHZ）， 2 路高速脈沖輸出， 1 個(gè) RS485 通信 /編程口， 2 個(gè)獨(dú)立的輸入端，可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接 2 個(gè)相位差為 90 度的 A/B 相增量編碼器。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，適用于少點(diǎn)的控制系統(tǒng)。 (2)CPU222 具有 8 個(gè)輸入點(diǎn)和 6 個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì) 14 個(gè) I/O 點(diǎn)。 1 個(gè)模擬量電位器，最多可擴(kuò)展 10AI/AO 點(diǎn)。 4KB 用戶程序區(qū)和 2KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。有 4 路高速計(jì)數(shù)器（ 30KHZ）， 2 路高速脈沖輸出， 1 個(gè) RS485 通信 /編程口， 2 個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接 2 個(gè)相位差為 90 度 的 A/B 相增量編碼器?？梢赃M(jìn)行一定模擬 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 8 量的控制和 2 個(gè)模塊的擴(kuò)展，因此是應(yīng)用更廣泛全功能控制器。 (3)CPU224 具有 14 個(gè)輸入點(diǎn)和 10 個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì) 24 個(gè) I/O 點(diǎn)。 2 個(gè)模擬量電位器，最多可擴(kuò)展 35AI/AO 點(diǎn)。 8KB 用戶程序區(qū)和 5KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。有 6 路高速計(jì)數(shù)器（ 30KHZ）， 2 路高速脈沖輸出， 1 個(gè) RS485 通信 /編程口，有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊。它具有更強(qiáng)的模擬量處理能力，是 S7200 系列產(chǎn)品中使用最多的。 (4)CPU226。具有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì) 40 個(gè) I/O 點(diǎn)。 2 個(gè)模擬量電位器，最多可擴(kuò)展 35AI/AO 點(diǎn)。 8KB 用戶程序區(qū)和 5KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。有 6 路高速計(jì)數(shù)器（ 30KHZ）， 2 路高速脈沖輸出， 2 個(gè) RS485 通信 /編程口。它主要用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 (5)CPU226XM。這是西門子公司推出的一種增強(qiáng)型主機(jī)。它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和 CPU226 相同。 CPU 的主要特點(diǎn) 1. 內(nèi)部集成的具有強(qiáng)勁的通信能力的 PPI 接口是 S7200 的用戶口， CPU 接口物理特性為 RS485，可在三種方式下工作。 (1)PPI 方式：通過 PPI 方式， S7200 系列 PLC 與計(jì)算機(jī)之間或者是 PLC 相互之間可通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。 (2)MPI 方式：通過 MPI 方式， S7200 可以通過內(nèi)置接口連接到 MPI 網(wǎng)絡(luò)上，它可以與 S7300/S7400CPU 進(jìn)行通信。 (3)自由口通信方式；通過自由口通信方式， S7200 系列 PLC 可以與任何通信協(xié)議公開的其他設(shè)備、控制器進(jìn)行通信。 2. 豐富的內(nèi)置集成功能 (1)集成的 24V 負(fù)載電源，可直接連接到傳感器和變送器 (2)對于不同的設(shè)備類型，其 CPU 各有 2 個(gè)類型，具有不同的電源電壓和控制電壓。 (3)中斷輸 入，允許以極高的速度對過程信號(hào)的上升沿作出響應(yīng)。 (4)具有 4 到 6 個(gè)高數(shù)計(jì)數(shù)器（ 30KHZ）。 (5)2 路脈沖輸出由于控制步進(jìn)電機(jī)，或伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位任務(wù)。 3. 豐富的擴(kuò)展模塊對數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊可方便選用。 4. 具有易于掌握，便捷的操作以及豐富的指令集。 存儲(chǔ)系統(tǒng) S7200 系列 PLC 的存儲(chǔ)系統(tǒng)由 RAM 和 EEPROM 兩種類型的存儲(chǔ)器構(gòu)成， CPU模塊內(nèi)部配備了一定容量的 RAM 和 EEPROM。同時(shí)， S7200 系列 PLC 的 CPU 模塊支持可選的 EEPROM 存儲(chǔ)器卡。在 CPU 模塊內(nèi)部的超級(jí)電容和電池模塊用于長時(shí)間的保存數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)可通過主機(jī)的超級(jí)電容存儲(chǔ)若干天。 擴(kuò)展單元 當(dāng) CPU 需要進(jìn)行某種特殊的功能控制或其 I/O 的擴(kuò)展，通常 I/O 擴(kuò)展包括 I/O 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 9 的點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展兩類。 1. I/O 擴(kuò)展模塊 S7200 系列 PLC 提供了五大類擴(kuò)展模塊： (1)數(shù)字量輸入擴(kuò)展模板 EM221（ 8 路擴(kuò)展輸入）。 (2)數(shù)字量輸出擴(kuò)展模板 EM222（ 8 路擴(kuò)展輸出）。 (3)數(shù)字量輸入和輸出混合擴(kuò)展模板 EM223（ 8I/O， 16I/O， 24I/O）。 (4)模擬量輸入擴(kuò)展模塊 EM231，每個(gè) EM231 可擴(kuò)展 3 路模擬量輸入通道， A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間 25uS，分辨率為 12 位。 (5)模擬量輸入擴(kuò)展模塊 EM235，每個(gè) EM235 可同時(shí)擴(kuò)展 3 路模擬輸入和 1 路模擬量輸出通道，其中 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間 25uS， D/A 轉(zhuǎn)換時(shí)間 100uS，分辨率均為 12 位。 2. 熱電偶 /熱電阻擴(kuò)展模塊 3. 通信擴(kuò)展模塊 表 21 S7200 I/O編址 信息類型 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 I_數(shù)字量輸入 Q_數(shù) 字量輸出 M_中間標(biāo)志位 C_計(jì)數(shù)器 0255 0255 0255 0255 T_計(jì)時(shí)器 0255 0255 0255 0255 AIW_模擬輸入字 —— 030 030 030 AQW_模擬輸出字 —— 030 030 030 特殊功能模塊 S7200 系列 PLC 的特殊功能模塊有數(shù)字量擴(kuò)展模板、模擬量擴(kuò)展模塊 、熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊、通信擴(kuò)展模塊和現(xiàn)場設(shè)備接口模塊。 1. 數(shù)字量擴(kuò)展模板 (1)EM221 數(shù)字量輸入模板， 24V， 8 輸入。 (2)EM222 數(shù)字量輸出模板， 24V， 8 輸出。 (3)EM223 數(shù)字量混合模板， 24V。 2. 模擬量擴(kuò)展模塊 (1)EM231 4 模擬輸入點(diǎn)， 2W， 12 位。 (2)EM232 2 模擬輸入點(diǎn)， 2W， 12 位。 (3)EM235 4 模擬輸入點(diǎn)， 1 模擬輸出點(diǎn)， 2W， 12 位。 3. 熱電偶 /熱電阻擴(kuò)展模塊 EM231 為常用的熱電偶 /熱電阻擴(kuò)展模塊。其功率損失為 ， 15 位加符號(hào)位，WM231 AI4 熱電偶有 4 模擬量輸入點(diǎn)， EM231 AI2 熱電阻有 2 模擬量輸入點(diǎn)。 4. 通信擴(kuò)展模塊 EM277 JPROFIBUDP 模塊是常用的通信擴(kuò)展模塊，它用于 PLC 現(xiàn)場總線通信 東北石油大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)論文 10 連接。其波特變化范圍為 9600~11500 波特。 5. 現(xiàn)場設(shè)備接口模塊 CPU2432 通信處理器是 ASI 主站連接部分，專用于 S7200 CPU22*，連接的同時(shí)顯著增加了 S7200 可利用的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 內(nèi)部軟元件 用戶使用的 PLC