【導(dǎo)讀】基于PLC的高速全自動包裝機(jī)畢業(yè)論文。5．3現(xiàn)場總線信號與系統(tǒng)監(jiān)控軟件之間橋梁一OPC.....60

　　

【正文】 控制要求設(shè)計。 可靠物理實現(xiàn)主要靠輸入 (input)及輸出 (output)電路。 PLC 的 IYO 電路，都是專門設(shè)計的。輸入電路要對輸入信號進(jìn)行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內(nèi)部計算機(jī)電路在電上是隔離的，靠光耦合元件建立聯(lián)系。輸出電路內(nèi)外也是電隔離的，靠光耦合元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。輸出電路還要進(jìn)行功率放大，以足以帶動 一般的工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等。 I／ O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個 I或 0電路。 PLC 有多少 I／ O點，一般也就有多少 I／ O 電路。但由于它們都是由高度集成化的電路所組成的，所以所占體積不大。 輸入電路時刻監(jiān)視著輸入狀況，并將其暫存到輸入寄存器中。每一輸入點都有一個對應(yīng)的存儲信息的寄存器。輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點，輸出鎖存器與輸入點也是一一對應(yīng)的。這里的輸入鎖存器及輸出鎖存器實際就是 PLC 處理器 I／ O 口的寄存器。它們通過總線與內(nèi)存交換信息，并主要由運(yùn)行系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。把輸入暫 存器的信息讀到 PLC 的內(nèi)存中 ,稱輸入刷新。 PLC 內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一35 對應(yīng)位 (bit)稱之為輸入繼電器 ,或稱軟接點。這些位置成“ 1’ *I9 表示接點通，置成“ 0”為接點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。輸出鎖存器與 PLC 內(nèi)存中的輸出映射區(qū)也是對應(yīng)的。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位 (bit)與其對應(yīng)，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。依靠運(yùn)行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)映射到輸出鎖存器，這個映射也稱輸 出刷新。這樣，用戶所要編的程序只是，內(nèi)存中輸入映射區(qū)到輸出映射區(qū)的的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序。圖 41 對以上敘述做出了說明。其中框圖代表信息存儲的地點，箭頭代表信息流向及實現(xiàn)信息流動的手段。這個圖既反映了 PLC 實現(xiàn)控制的兩個基本要點，同時也反映了 PLC 中信息的空間關(guān)系。 圖 4l PLC 內(nèi)部原理示意圖 2． 可編程序控制器實現(xiàn)控制的過程簡單地說， PLC 實現(xiàn)控制的過程，一般是：輸入刷新 — +運(yùn)行用戶程序 — +輸出刷新 — +再輸入刷新 — +再運(yùn)行用戶程序 — ,再輸出刷新??永不停止地循環(huán)反復(fù)進(jìn)行著。有了上述過程，用 PLC實現(xiàn)控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)控得到的輸入信息存入 PLC 的輸入映射區(qū)：經(jīng)運(yùn)行用戶程序，輸出映射區(qū)將得到變換后的信息；再經(jīng)輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀 態(tài)，并通過輸出電路產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。又由于這個過程是永不停止的循環(huán)反復(fù)地進(jìn)行著，所以，輸出總是反映輸入的變化，只是在時間的響應(yīng)上略有滯后。當(dāng)然這個滯后不宜太大，否則所實現(xiàn)的控制不那么及時，也就失去了控制上的意義。為此， PLC 的工作速度要快，速度快、執(zhí)行指令時間短，是 PLC 實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。 3．可編程控制器實現(xiàn)控制的方式 用以上這種不斷重復(fù)運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)控制稱掃描方式。是用計算機(jī)進(jìn)行控制的一種方式。此外，計算機(jī)用于控制還有中斷方式。在這種方式下，需處理的控制先申請中斷，被響應(yīng)后正在運(yùn)行的程序中止，轉(zhuǎn)而去處 理中斷工作36 (運(yùn)行有關(guān)中斷服務(wù)程序 )。待處理完中斷，又返回運(yùn)行原來程序。哪個控制需要處理，哪個就去申請中斷。顯然，中斷方式和掃描方式是不同的。 本系統(tǒng)采用的 PLC 軟件是西門子公司的 Step7， Step7 編程軟件可對硬件和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)組態(tài)，具有簡單、直觀、便于修改等特點。該軟件提供了在線和離線編程的功能，可以對 PLC 在線上載或下載。利用 Step7 可以方便地創(chuàng)建一個自動化解決方案。 圖 4— 2為創(chuàng)建一個自動化項目的基本步驟。 圖 42 創(chuàng)建自動化項目的步驟 項目可用來存儲為自動化任務(wù)解決方案而生成的數(shù)據(jù)和程序。這些數(shù)據(jù)包括：硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模板參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)數(shù)據(jù)；以及為可編程模板編制的程序。它們都被收集在一個項目下。生成一個項目的主要任務(wù)就是為編程準(zhǔn)備這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在 一個項目中以對象的形式存儲。 在生成一項目后，先插入站，然后可以組態(tài)硬件。在組態(tài)硬件時，可經(jīng)借助于模板樣本對可編程控制器中的 CPU及各模板進(jìn)行定義，通過雙擊站來啟動硬件組態(tài)的應(yīng)用程序。一旦存儲并退出硬件組態(tài)，對于在組態(tài)中生成的每一個可編程模板，都會自動生成 S7／ M7 程序及空的連接表。連接表可用37 來定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。硬件組態(tài)完成后就可為編程模板生成軟件。為可編程模板 編制的軟件存儲在對象文件夾中。對 SIMATICs7 模板而言，該對象文件夾稱作“ S7Program”。在子菜單中， 可以選擇要生成的塊的類型 (如：數(shù)據(jù)塊DB，功能 FC，功能塊 FCB，組織塊 OB或變量表 VAT)。打開一個空的塊，然后用語句表，梯形圖或功能圖輸入程序。 要下裝 S7 用戶程序塊，或 S7 可編程控制器上裝程序到編程器和其它操作，需在編程設(shè)備和可編程控制器之間建立連接。為建立在線連接，編程設(shè)備和可編程控制器必須通過合適的接口相連 (如，多點接口 MPI)。然后，可通過一個在線的項目窗口或“ AccessibleNodes(可訪問站點 )”窗口訪問可編程控制器。如果在編程設(shè)備中沒有關(guān)于可編程控制器的項目數(shù)據(jù)，則可選擇通過 “ AccessibleNodes”窗口來建立在線連接。這種訪問方式可快速訪問可編程控制器，可用于測試目的。如果在編程設(shè)備 PG／ PC 的項目中有組態(tài)的可編程控制器，可通過選擇在線的項目窗口建立連接。該窗口顯示可編程控制器中的項目數(shù)據(jù)?？删幊炭刂破髦械?S7 程序或 M7 程序都可以在在線窗口中顯示。 在完成組態(tài)，參數(shù)賦值，程序創(chuàng)建和建立在線連接后，可以下載整個用戶程序或個別塊到一個可編程控制器。在下載完整的或部分用戶程序到 CPU之前，把工作方式從 RUN 模式置到 STOP 模式。可以通過在線連接下載各個塊或整個用戶程 序到 RAM。在可編程控制器中，如果掉電且 RAM沒有被備份則數(shù)據(jù)丟失。也可以下載整個用戶程序到 EPROM存儲卡中。當(dāng)電源關(guān)斷后和 CPU復(fù)位時，保存在他們的數(shù)據(jù)將被保留。另外，可以從可編程控制器中上載一個工作站，或從一個 S7CPU中上載塊到 PG／ PC。這樣，當(dāng)出現(xiàn)故障而不能訪問到程序文檔的符號或注釋時，就可以在 PG／ PC 中編輯它。 4． 1． 3 PLC編程軟件 Step7 簡介 Step7 編程軟件是基于 Windows95／ 98 或 WindowsNT 的為 S7300／400PLC 配置和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。通過 Step7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試，在線診斷 PLC 硬件配置狀態(tài)、控制 PLC 的運(yùn)行狀態(tài)和 I38 ／ O 通道的狀態(tài)等。 SIEMENSS7300 系列 PLC 編程語言有三種：語句表編程語言 (STL)、梯形邏輯編程語言 (LAD)和功能塊圖編程語言 (FBD)，其它編程語言作為可選軟件包使用。通過編程器在 WindowsNT 的環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行配置、程序編制、調(diào)試和監(jiān)視，用戶界面方便友好。 1．梯形邏輯 (LAD)是 STEP7 編程語言的圖形表達(dá)方式。它的指令語法與一個繼電器梯形邏輯圖相似：當(dāng)電信號通過各個觸點、復(fù)合元件以及輸 出線圈時，梯形圖可以讓你追蹤電信號在電源示意線之間的流動。 2． 語句表 (STL)是 STEP7 編程語言的文本表達(dá)方式。與機(jī)器碼相似，如果一個程序是用語句表編寫的， CPU 執(zhí)行程序時則按每一條指令一步一步地執(zhí)行。為使編程更容易，語句表已擴(kuò)展到包括一些高層語言結(jié)構(gòu) (例如，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的訪問和塊參數(shù) )。 3．功能塊圖 (FBD)是 STEP7 編程語言的圖形表達(dá)方式，使用與布爾代數(shù)相類似的邏輯框來表達(dá)邏輯。復(fù)合功能 (如數(shù)學(xué)功能 )可用邏輯框相連直接表達(dá)。 Step7有三種編程方法： A：線性編程； B：分部式編 程； C：模塊化編程。模塊化編程就是把程序分成若干程序塊，各程序塊分別含有一些設(shè)備和任務(wù)的程序指令，每個功能區(qū)被分成不同的塊進(jìn)行編程，這有利于程序的多人同時編程，也利于程序調(diào)試和故障的查找。 廣義的程序塊分為系統(tǒng)程序塊和用戶程序塊。 “ ，如表 41所示。系統(tǒng)程序塊是集成在 CPU操作系統(tǒng)中的預(yù)定義的功能和功能塊，不占用用戶存儲空間，并且在整個系統(tǒng)中都具有相同的接口、相同的名稱和 相同的編號。用戶程序塊是提供給用戶用于管理用戶程序代碼和數(shù)據(jù)的區(qū)域。 STEP 7將用戶程序指令存放在 “ 塊 ” 中。本控制系統(tǒng)用戶程序 ，主要有四類程序塊：功能 FC(Function)、功能塊 FB(Function block)、組織塊 OB (Organizationblock)和數(shù)據(jù)塊 DB(Data block)。其中 FB和 FC作為 0B的子 程 序。全局?jǐn)?shù)據(jù)塊：全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中定義的監(jiān)控量 (地址 )可被所有邏輯塊使用，因而在全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中定義了包裝傳輸設(shè)備、環(huán)境量、電源等所有監(jiān)控量 (地址 )，根據(jù)此地址，邏輯塊可訪問、調(diào)用所有的監(jiān)控量。 根據(jù)卷紙包裝機(jī)的實際情況，我們在編程時作了如下規(guī)定： DBl定義存39 儲放卷分切的所有開關(guān)量和模擬量； DB2定義存儲環(huán)境 設(shè)備的監(jiān)控量； DB3定義存儲包裝過程的所有開關(guān)量監(jiān)控量； DB5定義了所有電源的監(jiān)控量。具體到各站的定義又根據(jù)設(shè)備和通信的需要稍有不同。根據(jù) PLC設(shè)備對定義變量地址的規(guī)定，數(shù)字量模塊都按 4個字 節(jié) (32位 )分配地址，模 塊的起始地址是實際插槽 (SLOT)號減 l乘 4，每個數(shù)字量只占 1位地址；模擬量模塊自動按 16個字節(jié)的地址寄存器分配地址，模擬量模塊的起始地址是實際插槽 (SLOT)號減 1乘 64，再加上 512， 每個模擬量占用 2個字節(jié)的地址。 表 41程序塊的分類和功能 程 序 塊 系統(tǒng)程序塊 系統(tǒng)功能 SFC 支持設(shè)置模塊參數(shù)、數(shù)據(jù)通訊和拷貝等功能 系統(tǒng)功能 SFB 操作系統(tǒng)功能的一部分，需與背景數(shù)據(jù)塊一同使用 系統(tǒng)功能 SDB 由 STEP7 各種工具產(chǎn)生的程序存儲區(qū)，存儲有組態(tài)和通信連接的各項參數(shù) 用戶程序塊 邏輯塊 組織塊 OB CPU 與用戶程序的接口 功能塊 FB 與背景塊一同使用，調(diào)用后數(shù)據(jù)可保持 功能 FC 無背景數(shù)據(jù)塊，調(diào)用后數(shù)據(jù)不能保持 數(shù) 據(jù) 塊DB 全局?jǐn)?shù)據(jù)塊 可被程序所有邏輯塊使用 背景數(shù)據(jù)塊 與特定功能塊對 應(yīng)使用，提供數(shù)據(jù)存儲空間 1．組織塊 (OB)：提供 CPU操作系統(tǒng)與用戶程序的接口。 OBI為執(zhí)行用戶程序的接口。 2．功能塊 (FB)：有相連存儲器區(qū)的邏輯塊。單個 FB 塊可以帶不同的即時數(shù)據(jù)塊，多次調(diào)用。 FB 塊定義為“可再調(diào)用”塊，用戶程序?qū)γ看?FB 調(diào)用提供新參數(shù)。 40 3．功能 (FC)：無相關(guān)聯(lián)的存儲器區(qū)的邏輯塊， Fc 塊定義為“可再調(diào)用”塊。用戶程序?qū)γ看?FC 調(diào)用提供新參數(shù)，由于 FC 塊處理數(shù)據(jù)的不同方法，一個 FC 比 FB 需要 CPU處理開銷較少。 每個 S7CPU中常駐內(nèi)存有系統(tǒng)功能塊 (SFB和 SFC)。 STEP7 提供存儲程序和數(shù)據(jù)的不同類型塊。根據(jù)過程的要求，可以將程序用不同的邏輯塊 (組織塊，功能塊和子功能塊 )加以結(jié)構(gòu)化。也可以管理處理程序的數(shù)據(jù)。 組織塊中有兩種模塊對程序的編制和運(yùn)行十分重要，它們是啟動模塊OBl00 和主循環(huán)模塊 OBl?！啊幽K OBl00 通過調(diào)用功能 FCl22 實現(xiàn)對PLC 設(shè)備的熱啟動。功能 FCl22 必須在每個 CPU 中調(diào)用，實現(xiàn)啟動 DB 塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (BASICDATA)中的起始字節(jié)存儲器，并重新設(shè)置相應(yīng)的正在運(yùn)行的存儲器。 主循環(huán)模塊 OBI中存放所有用戶程序以待執(zhí)行，也可以將用戶 程序存放于不同的功能模塊中，只在 OBl中調(diào)用，需要時才執(zhí)行。 PLC 的 CPU中的操作系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動后將連續(xù)執(zhí)行 OBl，完成用戶程序?qū)崿F(xiàn)實際的控制。 OBl中還可調(diào)用其它的系統(tǒng)功能模塊完成指定的系統(tǒng)工作。 圖 43CPU循環(huán)程序處理過程 Network1 Call FC127 41 Call FC127 Call FC127 FCl27 功能模塊包含啟動階段所要執(zhí)行的主要任務(wù)，如所有通信通道的建立過程，還包括啟動階段的組織任務(wù)，如啟動和監(jiān)視請求，響應(yīng)信號等。每個 CPU中都要在組織模塊中調(diào)用此功能。 FCl21 功能模塊負(fù)責(zé) CPU中連續(xù)數(shù)據(jù)和時間的管理，此功能是在配合 CPU通過本地 TIM同步的情況下使用的。 SFC30 系 統(tǒng)功能模塊用于激活模塊參數(shù)設(shè)置中設(shè)置的每天時間同步控制。圖 43示意了的 CPU循環(huán)程序處理工作過程 o”卷紙包裝機(jī) PLC 控制軟件共有 8個 FC 塊， 2個 DB 塊和及一個 SFC 系統(tǒng)功能塊。 FC 功能塊功能和作用如下所述： FCl：手動自動工作方式功能 FC2：放卷，分切功能 FC3：裝料功能 FC4：夾鉗功能