【正文】 的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。” 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)擴(kuò)展到了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可以分為幾類(lèi)，類(lèi)如可編程序控制 器、基于 PC總線(xiàn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、基于單片機(jī)的測(cè)控裝置、用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器、集散控制系統(tǒng)（ DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（ FCS）等。 PLC 的應(yīng)用廣、功能強(qiáng)大、使用方便，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的主要設(shè)備之一。 PLC 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中， PLC 在其他領(lǐng)域，例如民用和家庭自動(dòng)化的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。 的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 的特點(diǎn) 1） 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。 2） 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高。 3） 硬件配套齊全，用戶(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。 4） 可靠性高，抗干擾能 力強(qiáng)。 5） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。 6） 維修工量少，維修方便。 7） 體積小，能耗低。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 1） 數(shù)字邏輯控制 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 2） 運(yùn)動(dòng)控制 。 3） 閉環(huán)過(guò)程控制 。 4） 數(shù)據(jù)處理 。 5） 通信連網(wǎng) 。 的基本結(jié)構(gòu) PLC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 41 所示，其實(shí)物圖如圖 42 所示。 圖 41 PLC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 42 西門(mén)子 S7200CPU226PLC 實(shí)物圖 中央處理單元 CPU CPU 是 PLC 的核心部件，由運(yùn)算器和控制器組成。主要用于：接收并存儲(chǔ)從編程器輸武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 入的用戶(hù)程序；檢查編程過(guò)程是否出錯(cuò)；進(jìn)行系統(tǒng)診斷；解釋并執(zhí)行用戶(hù)程序；完成通信及外設(shè)的某些功能。 存儲(chǔ)器 包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶(hù)程序存儲(chǔ)器和工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 I/O 模塊 I/O 接口是 PLC 與外界連接的接口。輸入接口用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，輸出接口用來(lái)連接被控對(duì)象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等。 電源模塊 用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)變成供 PLC 內(nèi)部的 CPU、存儲(chǔ)器和 I/O 接口等電路工作所需要的直流電源。 編程器 編程器是 PLC 最重要的外圍設(shè)備，是 PLC 不可缺少的部分。編程器的作用是輸入和編輯用戶(hù)程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行過(guò)程。 的工作原理 PLC 采用 “順序掃描，不斷循環(huán) ”的工作方式 ,如圖 43 所示 每次掃描過(guò)程，集中采集輸入信號(hào)，集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。 輸入刷新過(guò)程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新?tīng)顟B(tài)，新?tīng)顟B(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新?tīng)顟B(tài)才被讀入。 一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定。（ 1） CPU 執(zhí)行指令的速度（ 2）指令本身占有的時(shí)間（ 3）指令條數(shù)，現(xiàn)在的 PLC 掃描速度都是非?？斓摹? 由于采用集中采樣 、 輸出的方式，存在輸入 /輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入 /輸出響應(yīng)延遲。 圖 43PLC 的順序掃描循環(huán)工作過(guò)程 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的： 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線(xiàn)圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線(xiàn)路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶(hù)程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線(xiàn)圈或邏輯線(xiàn)圈被接通或斷開(kāi)，該線(xiàn)圈的所有觸點(diǎn)（包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)）不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類(lèi)觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶(hù)程序的時(shí)間一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 — 掃描技術(shù)。這樣在對(duì)于 I/O 響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒(méi)有什么區(qū)別 了。 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以?huà)呙璺绞揭来蔚刈x入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 用戶(hù)程序執(zhí)行階段 在用戶(hù)程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶(hù)程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形 圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線(xiàn)圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線(xiàn)圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用 ；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線(xiàn)圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 西門(mén)子 S7200 編程軟件 的編程語(yǔ)言 PLC 程序是 PLC 指令的有序集合， PLC 運(yùn)行程序就是按一定的順序，執(zhí)行這集合中的一條條指令。指令是指示 PLC 動(dòng)作的文字代碼或圖形符號(hào)。使用的編程語(yǔ)言不同，這些文字武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 代碼和圖形符號(hào)就不相同。但從本質(zhì)上來(lái)講，指令的實(shí)質(zhì)都是二進(jìn)制機(jī)器碼。同普通的計(jì)算機(jī)一樣， PLC 的編程軟件通過(guò)編譯系統(tǒng)把 PLC 程序編譯成機(jī)器代碼。 PLC 提供了功能較為完整的編程語(yǔ)言，以適應(yīng) PLC 在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。利用 PLC 的編程語(yǔ)言，按照不同的控制要求編制不同的控制程序，這相當(dāng)于設(shè)計(jì)和改變繼電器控制的硬件接線(xiàn)，也就是所謂的 “可編程序 ”。 PLC 的編程語(yǔ)言一般有五種：順序功能圖 (Sequential Function Chart)、梯形圖 (Ladder Diagram)、功能塊圖 (Function Block Diagram)、指令表 (Instruction List)和結(jié)構(gòu)文本 (Structured Text)。其中，順序功能圖 (SFC)、梯形圖 (LD)、功能塊圖 (FBD)是圖形編程語(yǔ)言，指令表 (IL)和結(jié)構(gòu)文本 (ST)是文字語(yǔ)言。梯形圖 (LD)是目前使用最廣泛的 PLC 圖形編程語(yǔ)言，梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖相似，比較易于掌握、程序表達(dá)清楚。 本系統(tǒng) PLC 程序的編制采用梯形圖語(yǔ)言，編程軟件為 STEP 7 MicroWIN SP6。該軟件能夠完成制作程序、對(duì)可編程控制器 CPU 的寫(xiě)入 /讀出、監(jiān)控程序運(yùn)行、調(diào)試程序、PLC 錯(cuò)誤診斷等一系列功能。 STEP 7 編程軟件的 編程語(yǔ)言 STEP 7 的概述 STEP 7 是用于西門(mén)子可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，也就是用戶(hù)程序。它是西門(mén)子工業(yè)軟件的組成部分。 STEP 7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包有下列版本 (I)、用于西門(mén)子 S7200 上簡(jiǎn)單單站應(yīng)用的 STEP 7 Micro/DOS 和 STEP 7 Micro/WIN。 (2)、用于使用帶有各種功能的西門(mén)子 S7300/ST 400、西門(mén)子 M7300/M7400 和西門(mén)子的 STEP 7: ①、可通過(guò)選擇 SIMATIC 工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展 。 ②、為功能模板和通訊處理器賦值參數(shù) 。 ③、強(qiáng)制和多處理器模 式 。 ④、全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊 。 ⑤、使用通訊功能塊的事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送 。 ⑥、組態(tài)連接 。 STEP 7 編程軟件的編程語(yǔ)言 標(biāo)準(zhǔn)的 STEP 7 軟件包配 3 種基本編程語(yǔ)言，即梯形圖（ LAD）、功能塊圖（ FBD）、語(yǔ)言表（ STL）和順序功能圖編程語(yǔ)言，它們?cè)?STEP 7 中可以相互轉(zhuǎn)換。本實(shí)驗(yàn)采用梯形圖這種編程語(yǔ)言。 梯形圖結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似地傳統(tǒng)的繼電器控制電路，它是由圖形符號(hào)連接而成，這些符號(hào)分別代表常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、并聯(lián)接線(xiàn)、串聯(lián)接線(xiàn)及繼電器線(xiàn)圈等，每個(gè)觸點(diǎn)和線(xiàn)圈都有一個(gè)編碼。梯形圖具有如下特點(diǎn)： ① 梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列，也是程序的執(zhí)行順序。通常每個(gè)繼電武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 器線(xiàn)圈為一邏輯行，即一層階梯。每一邏輯起始于母線(xiàn)，然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后經(jīng)過(guò)繼電器線(xiàn)圈終止于母線(xiàn)，整個(gè)梯形圖呈現(xiàn)梯形。 ② 梯形圖中的繼電器不同于傳統(tǒng)繼電器控制線(xiàn)路中的物理繼電器，它實(shí)質(zhì)上是內(nèi)部存儲(chǔ)中的位觸發(fā)器，因此稱(chēng)為“軟繼電器”或“軟元件”。這些軟元件輸出繼電器，輔助繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器及狀態(tài)器等，它們均有無(wú)限常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)。在 PLC 內(nèi)部可以自由選取使用。如果某個(gè)位觸發(fā)為“ 1”，表示對(duì)應(yīng)的繼電器線(xiàn)圈接通，相應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)都閉合 ，而常閉觸點(diǎn)都斷開(kāi)。 ③ 梯形圖是一種形象化的編程語(yǔ)言，其兩端的母線(xiàn)是沒(méi)有電源連接。因此核彈頭形圖中不存真實(shí)的物理電流，而具有“概念”電流，是用戶(hù)程序運(yùn)算過(guò)程中滿(mǎn)足輸出執(zhí)行條件的形象化表示方式?！案拍睢彪娏髦荒軓淖蟮接伊鲃?dòng)，層次的改變是從上到下。 ④ 輸入繼電器只能從外部輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而不能由內(nèi)部其他觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。因此在梯形圖中只能出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)而不出現(xiàn)線(xiàn)圈，輸入繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)即表示相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的變化。 ⑤ 輸出繼電器用于 PLC 的輸出控制，它是通過(guò)外輸出觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行器。因此，在梯形圖中的某個(gè)輸出 繼電器的線(xiàn)圈接能時(shí)，表示在對(duì)應(yīng)的輸出端子上有輸出信號(hào)。 ⑥ PLC 內(nèi)部其他軟元件的觸點(diǎn)不能驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行器，它們只供 PLC 內(nèi)部使用。 ⑦ PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， CPU 接梯形圖中元件排列順序從上而下，從左到右逐行處理。 STEP 7 編程軟件的基本指令 STEP 7 編程軟件的基本指令有位邏輯指令、計(jì)數(shù)器與計(jì)時(shí)器指令、傳送與比較指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令、算術(shù)運(yùn)算指令、移位與循環(huán)指令、程序控制指令等。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 5 控制系統(tǒng) 的 程序 及電路圖 PLC