【導(dǎo)讀】[1]本交通燈可持續(xù)無故障工作時(shí)間一年；[2]本交通信號(hào)燈使用S7-300PLC作為控制核心；[3]系統(tǒng)輸出用200瓦的燈泡模擬調(diào)試；[4]具備更大的靈活性和通用性，簡(jiǎn)單明了，便于掌握。8秒之后滅，黃燈亮3秒之后滅，紅燈亮10秒后閃2秒然后綠燈亮??[1]秦益霖.西門子S7-300PLC應(yīng)用技術(shù)[M],北京：電子工業(yè)出版社，[2]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M],北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[3]崔堅(jiān),李佳，楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M],北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[4]劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M],北京：北京航空航天大學(xué)出版社,交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制。對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交。通道路事故有明顯效果。通過這道題的設(shè)計(jì)能夠讓我們更加了解PLC的定時(shí)器指令、計(jì)數(shù)器指令。盡快掌握PLC應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并能動(dòng)手進(jìn)行實(shí)際開發(fā)。介紹PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：組成、工作原理、I/O模塊;掌握系統(tǒng)的I/O接線圖.

　　

【正文】 戶程序，可以接受全局?jǐn)?shù)據(jù)和檢查系統(tǒng)。 常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 ② STARTUP 模式：可以用模式選擇開關(guān)或編程軟件 CPU。如果模式選擇開關(guān)在 RUN 或 RUNP 位置，通電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入啟動(dòng)模式。 ③ RUN 模式：執(zhí)行用戶程序，刷新輸入和輸出，處理中斷和故障信息服務(wù)。 ④ HOLD 模式：在 STARTUP 和 RUN 模式執(zhí)行程序時(shí)遇到調(diào)試用的斷點(diǎn)，用戶程序的執(zhí)行被掛 起（暫停），定時(shí)器被凍結(jié)。 （ 3）操作模式選擇開關(guān)?？墒褂媚Ｊ竭x擇開關(guān)設(shè)置當(dāng)前的 CPU 運(yùn)行模式。開關(guān)有 4個(gè)位置即 RUNP、 RUN、 STOP、 MERS。 （ 4） SIMATIC 微存儲(chǔ)卡，插槽。 Flash EPROM 微存儲(chǔ)卡用于在斷電時(shí)保存用戶程序和某些數(shù)據(jù)。它可以擴(kuò)展 CPU 的存儲(chǔ)器的容量，也可以將有些 CPU 的操作系統(tǒng)包括在 MMC 中，這對(duì)于操作系統(tǒng)的升級(jí)是非常方便的。 MMC 用作裝載存儲(chǔ)器或便攜式保存媒體，它的讀、寫直接在 CPU 內(nèi)進(jìn)行，不需要專用的編程器。由于 CPU31xC 沒有安裝集成的裝載存儲(chǔ)器，在使用 CPU 時(shí) 必須插入 MMC。 CPU 與 MMC 是分開訂貨的。 如果再寫訪問過程中拆下 SIMATIC 微存儲(chǔ)卡，卡中的數(shù)據(jù)會(huì)被破壞。在這種情況下，必須將 MMC 插入 CPU 中并刪除它，或在 CPU 中格式化存儲(chǔ)卡。只有在斷電狀態(tài)或 CPU 處于“ STOP”狀態(tài)時(shí)，才能取下存儲(chǔ)卡。 存儲(chǔ)器區(qū)域 PLC 的系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，它使 PLC 具有基本的智能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并固化在 ROM 中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它使 PLC 完成用戶要求的特定功能。用戶程序存儲(chǔ)器的容量以字節(jié) 為單位，不同的程序?qū)?yīng)不同的存儲(chǔ)區(qū)域。 CPU 的存儲(chǔ)器可以分為 3 個(gè)區(qū)域，如圖 32 所示。 圖 32 CPU 的存儲(chǔ)器 （ 1）裝載存儲(chǔ)器。裝載存儲(chǔ)器位于 SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡 (MMC)中，裝載存儲(chǔ)器的容量一致，用于保存程序指令塊和數(shù)據(jù)塊以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)，也可以將項(xiàng)目的整個(gè)組態(tài)數(shù)據(jù)保存在 MMC 中。 （ 2）工作存儲(chǔ)器（ RAM）。 RAM 集成在 CPU 中，不能被擴(kuò)展。它可用于運(yùn)行程序指令，并處理用戶程序數(shù)據(jù)。程序只能在 RAM 和系統(tǒng)存儲(chǔ)器中運(yùn)行。 CPU 的 RAM 都具有保持功能。 （ 3）系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)。 RAM 系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)集成 在 CPU 中，不能被擴(kuò)展。它包括： ① 標(biāo)志位、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的地址區(qū)。 ② I/O 的過程映像。 ③ 局域數(shù)據(jù)。 常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 I/O 模塊及特殊 I/O 模塊 I/O 模塊是 PLC 的 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)用戶設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系的橋梁。 PLC 系統(tǒng)通過其 I/O 接口模板檢測(cè)被控對(duì)象的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為控制器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的信息。同時(shí)，控制器通過 I/O 模板將控制器的處理結(jié)果送給被控對(duì)象，以驅(qū)動(dòng)各種之心和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制。 由于被控對(duì)象狀態(tài)參量和控制參量的多樣性，及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的不同，一般的 PLC都提供了具有各種操作電平與輸出驅(qū)動(dòng)能力 的 I/O 模塊和各種用途的功能模塊，以方便用戶的選擇。這些模板一般都插在模板框架中，框架后面有連接總線板，每塊模板與 CPU 的相對(duì)插入位置，據(jù)頂 I/O 地址號(hào)，這些地址號(hào)是用戶編程的重要參數(shù)。通常，這些模板的前面板上均有狀態(tài)顯示及接線端子。 從信號(hào)類型上看， PLC 的 I/O 模塊通常包括：開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊和模擬量輸出模塊等類型，這些模板又有直流和交流、電壓和電流類型之分，每個(gè)類型又有不同的參數(shù)等級(jí)，分別用于聯(lián)系不同類型的及大小的外部信號(hào)。 一般 PLC 均配置 I/O 電平轉(zhuǎn)換及電氣隔離，如下所示： ● 輸入電 平轉(zhuǎn)換。將輸入端的不同電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 所能接收的低電平信號(hào)。 ● 輸出電平轉(zhuǎn)換。將微處理器控制的低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備所需要的電流或電壓信號(hào)。 ●電氣隔離。指在 CPU 與 I/O 回路之間采用的防干擾措施，以隔離 CPU 與 I/O 回路之間的聯(lián)系，在強(qiáng)的外部干擾的情況下防止 PLC 故障或誤操作。 大型 PLC 中有一類特殊 I/O 模板，如高速計(jì)算模板、 PID 控制模板、中斷控制模板等，他們一般是為了提高 PLC 的實(shí)時(shí)控制功能和過程控制功能而專門設(shè)計(jì)的。這些模板本身就是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有自己的 CPU、系統(tǒng)程序和存儲(chǔ)器 。，它們通過系統(tǒng)總線與 PLC 的 CPU 相連，并在 CPU 模版的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立的進(jìn)行工作。 通信接口模塊 幾乎所有的 PLC 都具有聯(lián)網(wǎng)通信功能。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，由于控制對(duì)象的增加、控制功能的復(fù)雜，有可能由兩臺(tái)或多臺(tái) PLC 組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)；在有些情況下，也需要有 PLC 和其他的計(jì)算機(jī)組成控制系統(tǒng)。 在上述情況下， PLC 之間、 PLC 與其他計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換就是整個(gè)系統(tǒng)中不可缺少的部分。為了方便用戶使用，各公司都開發(fā)了自己的通信接口和數(shù)據(jù)通信模塊，只需要少量的用戶程序就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信。 PLC 的工作原理 CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。如下圖所示， CPU 的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請(qǐng)求、執(zhí)行 CPU 自診斷測(cè)試及寫輸出等內(nèi)容。 PLC 可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。它一直周而復(fù)始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)， PLC 也在掃描，只不過在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內(nèi)容。典型的 PLC 在一個(gè)周期中可完成以下 5 個(gè)掃描過程。 自診斷測(cè)試掃描過程。為保證設(shè)備的可靠性，及時(shí)反應(yīng)所出現(xiàn)的 故障， PLC 都具有自監(jiān)視功能。自監(jiān)視功能主要由時(shí)間監(jiān)視器完成。 WDT 是一個(gè)硬件定時(shí)器，每一個(gè)掃描周期開始前都被復(fù)位。 WDT 的定時(shí)可由用戶修改，一般在 100～ 200ms 之間。其常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 它的執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤可由程序設(shè)計(jì)者通過標(biāo)志位進(jìn)行處理。 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的掃描過程。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有網(wǎng)絡(luò)的 PLC系統(tǒng)才有通信掃描過程，這一過程用于 PLC 之間及 PLC 與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。 用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一掃描周期內(nèi)部包換掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是可控的，即用戶可以通過軟件 進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長(zhǎng)短，會(huì)影響過程所用的時(shí)間 . 讀輸入與寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一時(shí)間。掃描周期內(nèi)都包含這個(gè)掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。 CPU 在處理用戶程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映像寄存器：一個(gè)為輸入映像寄存器，另一個(gè)為輸出映像寄存器。用戶程序中所用的輸入值是輸入映像寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器中。在輸入掃描過程中， CPU 把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器；在輸出過程中， CPU把 輸出映像寄存器的值鎖定到實(shí)際輸出點(diǎn)。為了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便， PLC 具有 I/O 控制功能，用戶可以通過編程器封鎖或開放 I/O。封鎖 I/O 就是關(guān)閉 I/O 掃描過程。 在讀輸入階段， CPU 對(duì)各個(gè)輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入輸入映像寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段， CPU 按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像寄存器中。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變 — 輸入端子狀態(tài)變化只能 在下一個(gè)工作周期的輸入階段才被集中讀入。在寫輸出階段，將輸出映像寄存器的狀態(tài)集中鎖定到輸出鎖存器，再經(jīng)輸出電路傳遞到輸出端子。 由上述分析得出循環(huán)掃描有如下特點(diǎn)： （ 1） 掃描過程周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、寫輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。 （ 2） 輸入映像寄存器的內(nèi)容是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，在程序執(zhí)行過程中的一個(gè)工作周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變， CPU 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像積存的值來控制程序的執(zhí)行。 （ 3） 程序執(zhí)行完后的輸出映像寄存器的值決定了下一個(gè)掃描周期的輸出值，而在程序執(zhí)行階段，輸出映像寄存器 的值即可以作為控制程序執(zhí)行的條件，同時(shí)又可以被程序修改用于存儲(chǔ)中間結(jié)果或下一個(gè)掃描周期的輸出結(jié)果。此時(shí)的修改不會(huì)影響輸出鎖存器的現(xiàn)在輸出值，這是與輸入映像寄存器完全不同的。 （ 4） 對(duì)同一個(gè)輸出單元的多次使用、修改次序會(huì)造成不同的執(zhí)行結(jié)果。由于輸出映像寄存器的值可以作為程序執(zhí)行的條件，所以程序的下一個(gè)掃描周期的集中輸出結(jié)果是與編程順序有關(guān)的，即最后一次的修改決定了下一個(gè)周期的輸出值，這是編程人員要注意的問題。 各個(gè)電路和不同的掃描階段會(huì)造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要缺點(diǎn)。各PLC 廠家為了縮小延遲采取了 很多措施，編程人員應(yīng)對(duì)所使用型號(hào)的 PLC 的延遲時(shí)間的長(zhǎng)短很清楚，它是進(jìn)行 PLC 選型時(shí)的重要指標(biāo)。 常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 第 4 章 STEP 7 的編程語言 本章介紹 STEP 7 的編程語言與指令系統(tǒng)，著重介紹 STEP 7 的編程語言梯形圖的特點(diǎn)、指令格式和指令系統(tǒng)，并給出實(shí)現(xiàn)常見功能的梯形圖實(shí)例。 STEP 7 的標(biāo)準(zhǔn)軟件包支持 3 種編程語言 （ 1）梯形圖編程語言（ Ladder Logic Programming Language, LAD） （ 2）語句表編程語言（ Statement List Programming Language, STL） （ 3）功能圖編程語言（ Function Block Diagram Programming Language, FBD） 每種編程語言各有特點(diǎn)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇不同的編程語言。這 3 種語言，梯形圖語言和功能圖語言大部分可以相互轉(zhuǎn)換，而且可全部轉(zhuǎn)換為語句表語言。但語句表語言較為復(fù)雜，編程也較為靈活，不一定能夠轉(zhuǎn)換為梯形圖或功能圖語言。 STEP 7 支持這 3 種語言的混合編程。 梯形圖 梯形圖和繼電器控制電路原理圖很相似，采用觸點(diǎn)和線圈等符號(hào)，這種編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)，便于掌握 ，對(duì)于沒有微機(jī)基礎(chǔ)而對(duì)繼電器控制電路比較熟悉的技術(shù)人員很容易學(xué)會(huì)。梯形圖編程語言舉例如圖 41 所示。 圖 41 梯形圖語言 語句表 語句表包含豐富的 STEP 7 指令，采用文本編程的方式，對(duì)于熟悉其他編程語言的程序員，這種編程語言比較容易理解。 STL 更接近程序員的語言，能夠使用所有指令，靈活性較強(qiáng)。但 STL 語言不夠直觀，需要記憶大量的編程指令，而且要求對(duì) CPU 內(nèi)部的寄存器等結(jié)構(gòu)了解清楚。圖 41 對(duì)應(yīng)的語句表如圖 42 所示。 A( 0 I 0 Q ) AN I AN I = Q 圖 42 語句表語言 功能圖 功能圖語言類似數(shù)字電路里的邏輯功能圖，指令是不同的功能盒，根據(jù)一定的邏輯關(guān)系連接功能盒，實(shí)現(xiàn)一定的控制功能。圖 41 中的梯形圖程序?qū)?yīng)的 FBD 程序如圖 43 所示 . 梯形圖和功能圖兩種語言都是圖形化的編程語言，容易理解、便于掌握、易于使用，但靈活性相對(duì)較差。 常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 編程時(shí)用戶可根據(jù)自己的習(xí)慣選擇編程語言。 STEP 7 支持這 3 種語言的混合編程，3 種語 言的轉(zhuǎn)換可以通過程序編輯器中查看（ View）菜單下的 LAD/STL/FBD 選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。 圖 43 功能圖語言 常州 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 第 5 章 交通燈系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 位邏輯指令 位邏輯指令是處理布爾變量的指令，處理的數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度為 1 位。位邏輯指令掃描信號(hào)的狀態(tài)，并根據(jù)布爾邏輯對(duì)它們進(jìn)行組合邏輯運(yùn)算。運(yùn)算出來的邏輯運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在狀態(tài)字中的 RLO。 常開觸點(diǎn) 表 51 常開觸點(diǎn)指令和參數(shù) LAD 參數(shù) 數(shù)據(jù)類型 存儲(chǔ)區(qū) 說明 地址 BOOL TIMER COUNTER I、 Q、 M、 T、 C、 D 、 L 指令說明被檢查的信號(hào)狀態(tài)的位 這里的常開觸點(diǎn)與繼電器控制電路的常開出點(diǎn)是有所不同的。在繼電器控制電路中，常開觸點(diǎn)動(dòng)作，觸點(diǎn)導(dǎo)通，狀態(tài)為“ 1”；常開觸點(diǎn)不動(dòng)作，節(jié)點(diǎn)斷開，狀態(tài)為“ 0”。而在 PLC 程序中，進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)，碰到常開觸點(diǎn)， PLC 檢查制定的