【正文】 值高達1000V、脈寬 10us 的矩形波空間電磁干擾，具有良好的抗震能力和抗沖擊能力。一般對環(huán)境溫度要求不高，在環(huán)境溫度 20— 65 度、相對濕度為 35%85%情況下仍可正常工作。 可編程序控制器采用 SIEMENS 的 S7200 系列 CPU224 主機， I/O 點數(shù)為 40點 (14 個 輸入點和 10 個輸出點 )，具有 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是 S7200 PLC 的一個很有特色的功能，它使 S7200 PLC 可以由用戶自己定義通訊協(xié)議。利于自由通訊口方式，在本系統(tǒng)中 PLC 可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4 路 12 位 A/D 模擬量輸入的 EM231 模塊，具有較高的精度。 PLC 編程采用STEP7Micro/WIN 編程軟件，它提供一個完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換 . 可 編程控制器能如此迅速的發(fā)展的原因是由于它具有通用計算機所不具備的特點： 1 可靠性 可編程控制器采用了一系列可靠性設(shè)計的方法進行設(shè)計，例如：冗余設(shè)計、掉電保護設(shè)計、故障診斷、和信息保護和恢復等，提高了 MTBF，降低了 MTTR，使可靠性得到提高。可編程序控制器是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用的計算機控制系統(tǒng)更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了簡化的編程語言，變成出錯率大大降低。在可編程控制器的軟件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用軟件過濾；軟件自診斷；簡化編程語言；信息保護 和恢復。報警和運行信息的顯示等。 2 易操作性 著體現(xiàn)在它的操作方便、編程方便、維護方便。 3 靈活性 編程的靈活性。編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊圖、和語句表。這種編程的靈活性是繼電器順序控制所不能比擬的，正是由于編程的柔性特點，再柔性制造單元 FMC、柔性制造系統(tǒng) FMS、計算機集成制造系統(tǒng) CIMS 和計 16 算機集成流程工業(yè)系統(tǒng) CIPS，可編程控制系統(tǒng)成為主要的控制設(shè)備。 擴展的靈活性。它不僅可通過增加輸入輸出卡件增加點數(shù)，通過擴展單元來擴大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統(tǒng) DCS 或其他上位機的 通信來擴展功能，并與外部設(shè)備進行交換等。 可編程控制器的組成 如圖所示， PLC 與通用計算機沒有什么區(qū)別，只是一臺增強了 I/O 功能的可與控制對象方便連接的計算機。其完成控制的實質(zhì)是按一定算法進行 I／ O 變換，并將這個變換物理實現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場 。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按位進行尋址，每一位對應(yīng)一個開關(guān)量，其值反映了開關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由輸入開關(guān)量驅(qū)動，并保持一個掃描周期。 CPU 可以讀其值，但不可以寫或進行修改。 圖 21. PLC 的組成 2. 輸出寄存器 輸出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一個時間段的輸出值 ,而程序循環(huán)執(zhí)行開始時的輸出寄存器的值 ,表明的是上一時間段的真實輸出值。在程序執(zhí)行過程中 ,CPU 可以讀其值 ,并作為條件參加控制 ,還可以修改其值 ,而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個循環(huán)的尾部時的值才影響下一時間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點的真實值產(chǎn)生影響。 3. 存儲器 17 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改， PLC 要在系統(tǒng)程序的管理下運行。用 戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源， I/O 寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復雜的控制功能。 4. CPU 單元 CPU 單元控制著 I／ O 寄存器的讀、寫時序，以及對存儲器單元中程序的解釋執(zhí)行工作，是 PLC 的大腦。 5. 其它接口單元 其它接口單元用于提供 PLC 與其它設(shè)備和模塊進行連接通信的物理條件。 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、處理通信請求、執(zhí)行 CPU 自診斷測試及寫輸出等內(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組成部分，用戶程序不運行時， PLC 也在掃描，只不過在一個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 在一個周期中可完成以下 5 個掃描過程。 。為保證設(shè)備的可靠性，及時反應(yīng)所出現(xiàn)的故障， PLC都具有自監(jiān)視功能。自監(jiān)視功能主要由時間監(jiān)視器完成。 WDT 是一個硬件定時器，每一個掃描周期開始前都被復位。 WDT 的定時可由用戶修改，一般在 100～200ms 之間。其它的執(zhí) 行結(jié)果錯誤可由程序設(shè)計者通過標志位進行處理。 。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 與上位計算機或終端設(shè)備之間的通信。 。機器處于正常運行狀態(tài)下，每一掃描周期內(nèi)部包換掃描過程。該過程在機器運行中是可控的，即用戶可以通過軟件進行設(shè)定。用戶程序的長短，會影響過程所用的時間 . 。機器在正常運行狀態(tài)下，每一時間。個掃描周期內(nèi)都包含這個掃描過程。該過程在機器運行中是 否被執(zhí)行是可控的。 CPU 在 18 處理用戶程序時，使用的輸入值不是直接從輸入點讀取的運算的結(jié)果也不直接送到實際輸出點，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映像寄存器：一個為輸入映像寄存器，另一個為輸出映像寄存器。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 把實際輸入點的狀態(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際輸出點。為了現(xiàn)場調(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。 下圖描述 了信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。 在讀輸入階段， CPU 對各個輸入端子進行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態(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)容也不會改變 — 輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個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： (一 ) 掃描過程周而復始地進行，讀輸入、寫輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。 (二 ) 輸入映像寄存器的內(nèi)容是設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個工作周期內(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。 (三 ) 程序執(zhí)行完后的輸出映像寄存器的值決定了下一個掃描周期的輸出值，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，同時又可以被程序修改用于存儲中間結(jié)果或下一個掃描周期的輸出結(jié)果。此時的修 改不會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。 (四 )對同一個輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執(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周期的輸出值，這是編程人員要注意的問題。 19 各個電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要缺點。各 PLC 廠家為了縮小延遲采取了很多措施，編程人員應(yīng)對所使用型號的 PLC 的延遲時間的長短很清楚，它是進行 PLC 選型時的重要指標。 主要功能 PLC 的外部設(shè)備中，最重要的就是編程器，它用來對用戶程序進行寫入，檢查，修改和調(diào)試，也可以在線監(jiān)視 PLC 的運行，它經(jīng)過編程器接口與 CPU 聯(lián)系，完成人 機對話。目前，有很多 PLC 都可以利用 微型計算機作為編程工具，這時應(yīng)配上相應(yīng)的編程軟件及接口，由于微機的強大功能，使 PLC 的編程和調(diào)試更為方便。 另外， PLC 的外部設(shè)備中還包括打印機：在用戶程序編制階段用來打印帶注解的梯形圖或指令語句表程序，以利于維修和系統(tǒng)的改造 ；外存儲器：存儲部分程序或改變生產(chǎn)工藝流程時需要調(diào)用的程序，它所存的程序也可重新裝入內(nèi)存，有 利于 PLC 的內(nèi)存程序的恢復； EPROM 寫入器：用語將用戶程序?qū)懭氲紼PROM 中去，它提供了一個非易失性的用戶程序保存方法。 PLC 是一種微機控制系統(tǒng)，工作原理也與微機相同，但它在應(yīng)用時一般將其等效成輸入，輸出和內(nèi)部控制電路三部分。輸入部分用于接受被控設(shè)備的信息或操作命令等外部信息或操作命令等外部輸入信息。輸入接線端是 PLC 與外部的開關(guān)，按鈕，傳感器轉(zhuǎn)換信號等連接的端口，每個端子可等效為一個內(nèi)部繼電器線圈，線圈號即輸入接點號，這個由接到輸入端的外部信號來驅(qū)動，其驅(qū)動電源可由 PLC 的電源部件提供，也可由獨立的交 流電源供給，每個輸入繼電器可以有無數(shù)多個內(nèi)部觸電（動合，動斷的形式均可），供用戶設(shè)計 PLC 的內(nèi)部控制電路時使用。 內(nèi)部控制電路是是用戶根據(jù)控制要求編制的程序，作用是運算和處理由輸入部分得到的信息并判斷應(yīng)產(chǎn)生哪些輸出。 PLC 的程序一般用梯形圖表示，而梯形圖是以繼電器控制的電氣原理圖演變而來的， PLC 中的動合、動斷觸點、線圈等概念與繼電器控制電路相同，在 PLC 內(nèi)部還有定時器、技術(shù)器、移位器、內(nèi)部輔助繼電器等。繼電器控制系統(tǒng)中沒有器件，他們的線圈自動合，動斷觸點只能在 PLC 內(nèi)部控制電路中使用，如要與外部電路相連， 則必須通過輸出部分。 輸出部分作用是驅(qū)動外部負載，在 PLC 內(nèi)部，有若干能與外部設(shè)備直接相 20 連的輸出繼電器（有繼電器形、雙向硅形，晶體管形等三種形式），它也有無限多個軟件實現(xiàn)的動合，動斷觸點，可在 PLC 內(nèi)部控制電路中使用，但對應(yīng)每個輸出只有一個硬件的動合觸點與之相連，用以驅(qū)動需要操作的外部負載，外部復雜的驅(qū)動電源接在輸出公共端（ COM）上。 總之，在使用 PLC 時，可以把輸入端為一個繼電器線圈，其相應(yīng)的繼電器結(jié)點可以在內(nèi)部控制電路中使用，而輸出端又可以等效為內(nèi)部輸出繼電器的一個動合觸點，驅(qū)動外部設(shè)備。 PLC 一般 采用循環(huán)掃描方式工作，在 PLC 加電后，先進行初始化處理、開始運行之后，串行執(zhí)行器存儲器中的程序。 PLC 的內(nèi)部工作過程用圖表示為如本章末之圖： 用 PLC 設(shè)計一個控制系統(tǒng)時，必須知道有一個輸入信號后 PLC 要經(jīng)過多長時間才能有一個對應(yīng)的輸出信號，這樣才能精確的解決系統(tǒng)各個不見之間配合問題。從 PLC 受到一個輸入信號到 PLC 向輸出端輸出一個控制信號所需的 PLC I/O 響應(yīng)時間，一般在設(shè)計系統(tǒng)時都要對此進行一定的考慮。 順序控制是 PLC 最基本、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。由于它具有編程設(shè)計靈活、速度快、可靠性高、成本低、便于維 護等優(yōu)點，所以在實現(xiàn)單機控制、多機群控制、生產(chǎn)流程控制中可以完全取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)。如：有色冶金行業(yè)的冶煉廠和選礦廠的物料輸送及配料、井下采礦皮帶輸送系統(tǒng)、選礦廠球磨機及各潤滑站系統(tǒng)、冶煉廠余熱鍋爐振打系統(tǒng)、電收塵輸灰系統(tǒng)、冶煉廠轉(zhuǎn)爐本體聯(lián)鎖和加料系統(tǒng)等，其它行業(yè)如汽車生產(chǎn)線、印刷機械、加工機床、包裝機以及日常生活的電梯控制等。 用于順序控制的 PLC 編程語言既不同于高級語言，也不同于匯編語言，它是面向現(xiàn)場、面向問題、面向用戶的簡單直觀的程序控制語言。它可分為邏輯型和動作型兩大類。前者可由 傳統(tǒng)的繼電器電路變換而來，如梯形圖；后者由機械設(shè)備動作變換而來，如流程圖。梯型圖同繼電器電路相似，易于掌握，便于維修。在順序控制中應(yīng)用的較為廣泛。即使不經(jīng)過特殊的培訓，一般工程技術(shù)人員也能很快掌握。對于過程控制的模擬量均采用硬件電路構(gòu)成的 P