的基本概念
可編程控制器(Programmable Controller)是計算機(jī)家族中的一員,是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC,它主要用來代替
繼電器
實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍,因此,今天這種裝置稱作可編程控制器,簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆,所以將可編程控制器簡稱PLC。
2、PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同:
a. 中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查
電源
、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài),并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時,首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入I/O映象區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后,最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運行,直到停止運行。
為了進(jìn)一步提高PLC的可*性,近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣,即使某個CPU出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)仍能正常運行。
b、存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
C、電源
PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統(tǒng)是無法正常工作的,因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi),可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。
3、PLC的工作原理
一. 掃描技術(shù)
當(dāng)PLC投入運行后,其工作過程一般分為三個階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間,PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。
(一) 輸入采樣階段
在輸入采樣階段,PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(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)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中,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)也不會改變。因此,如果輸入是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。
(二) 用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段,PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時,又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路,并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算,然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果,刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(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,在用戶程序執(zhí)行過程中,只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化,而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(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)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用;相反,排在下面的梯形圖,其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
(三) 輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后,PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路,再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時,才是PLC的真正輸出。
比較下二個程序的異同:
程序1:
程序2:
這兩段程序執(zhí)行的結(jié)果完全一樣,但在PLC中執(zhí)行的過程卻不一樣。
※ 程序1只用一次掃描周期,就可完成對%M4的刷新;
※ 程序2要用四次掃描周期,才能完成對%M4的刷新。
這兩個例子說明:同樣的若干條梯形圖,其排列次序不同,執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外,也可以看到:采用掃描用戶程序的運行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結(jié)果有所區(qū)別。當(dāng)然,如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略,那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。
一般來說,PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等,如下圖所示,即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。
二. PLC的I/O響應(yīng)時間
為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力,提高其可*性,PLC的每個開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。
為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制,PLC采用了不同于一般微型計算機(jī)的運行方式(掃描技術(shù))。
以上兩個主要原因,使得PLC得I/O響應(yīng)比一般微型計算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多,其響應(yīng)時間至少等于一個掃描周期,一般均大于一個掃描周期甚至更長。
所謂I/O響應(yīng)時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間。其最短的I/O響應(yīng)時間與最長的I/O響應(yīng)時間如圖所示:
第(n-1)個
掃描周期
最短I/O響應(yīng)時間:
最長I/O響應(yīng)時間
SIEMENS PLC在中國的產(chǎn)品,根據(jù)規(guī)模和性能的大小,主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三種,下面就簡單介紹一下該三種產(chǎn)品的一些特性。
S7-200
針對低性能要求的摸塊化小控制系統(tǒng),它最多可有7個模塊的擴(kuò)展能力,在模塊中集成背板總線,它的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接有RS-485通訊接口和Profibus兩種,可通過編程器PG訪問所有模塊,帶有電源、CPU和I/O的一體化單元設(shè)備。
其中的擴(kuò)展模塊(EM)有以下幾種:數(shù)字量輸入模塊(DI)——24VDC 和 120/230VAC;數(shù)字量輸出(DO)——24VDC 和 繼電器;模擬量輸入模塊(AI)——電壓、電流、電阻和熱電偶;模擬量輸出模塊——電壓和電流。 還有一個比較特殊的模塊-通訊處理器(CP)——該塊的功能是可以把S7-200作為主站連接到AS-接口(
傳感器
和執(zhí)行器接口),通過AS-接口的從站可以控制多達(dá)248個設(shè)備,這樣就可以顯著的擴(kuò)展S7-200的輸入和輸出點數(shù)。
CPU設(shè)計
有3種手動選擇操作模式:STOP——停機(jī)模式,不執(zhí)行程序;TERM——運行程序,可以通過編程器進(jìn)行讀/寫訪問;RUN——運行程序,通過編程器僅能進(jìn)行讀操作。
狀態(tài)指示器(LED):SF——系統(tǒng)錯誤或(和)CPU內(nèi)部錯誤;RUN——運行模式,綠燈;STOP——停機(jī)模式,黃燈;DP——分布式I/O(僅對CPU-215)。
存儲器卡——用來在沒電的情況下不需要電池就可以保存用戶程序。PPI口用來連接編程設(shè)備、文本顯示器或其他CPU。
S7-300
相比較S7-200,S7-300針對的是中小系統(tǒng),他的模塊可以擴(kuò)展多達(dá)32個模塊,背板總線也在模塊內(nèi)集成,它的網(wǎng)絡(luò)連接已比較成熟和流行,有MPI(多點接口)、Profibus和
工業(yè)以太網(wǎng)
,使通訊和編程變的簡單和多選性,并可以借助于HWConfig工具可以進(jìn)行組態(tài)和設(shè)置參數(shù)。
S7-300的模塊稍微多一點,除了信號模塊(SM)和200的EM模塊同類型之外,它還有接口模塊(IM)——用來進(jìn)行多層組態(tài),把總線從一層傳到另一層;占位模塊(DM)——為沒有設(shè)置參數(shù)的信號模塊保留一個插槽或為以后安裝的接口模塊保留一個插槽;功能模塊(FM)——執(zhí)行特殊功能,如計數(shù)、定位、閉環(huán)控制相當(dāng)于對CPU功能的一個擴(kuò)展或補充;通訊處理器(CP)——提供點對點連接、Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)。
CPU設(shè)計
模式選擇器有:MRES=模塊復(fù)位功能;STOP=停止模式,程序不執(zhí)行;RUN=程序執(zhí)行,編程器只讀操作;RUN-P=程序執(zhí)行,編程器可讀寫操作。
狀態(tài)指示器:SF,BATF=電池故障;DC5V=內(nèi)部5 V DC電壓指示;FRCE=表示至少有一個輸入或輸出被強(qiáng)制;RUN=當(dāng)CPU啟動時閃爍,在運行模式下常亮;STOP=在停止模式下常亮,有存儲器復(fù)位請求時慢速閃爍,正在執(zhí)行復(fù)位時快速閃爍。
MPI接口用來連接到編程設(shè)備或其他設(shè)備,DP接口用來直接連接到分布式I/O。
S7-400
同300的區(qū)別主要?--*婺:托閱萇細(xì)看?,启动类型有冷启动(CRST)和熱啟動(WRST)之分,其他基本一樣。哦,它還有一個外部的電池電源接口,當(dāng)在線更換電池時可以向RAM提供后備電源。
編程設(shè)備
編程設(shè)備主要有PG720 PG740 PG760——可以理解成裝有編程軟件的手提
電腦
;也可以直接用安裝有STEP7(SIEMENS的編程軟件)的PC來完成。而實現(xiàn)通訊(要編程首先要和PLC的CPU通訊上)的要求主要在于接口:1.可以在PC上裝CP5611卡——上面有MPI口,可用電纜直接連接。2.加個PC適配器,把MPI口轉(zhuǎn)換成RS-232口后接到PC上。3.PLC加CP343卡,使它具有以太網(wǎng)口。
一個工程的建立
項目管理
每個自動化過程都是由許多較小的部分和子過程組成,所以工程建立的第一個任務(wù)是分解子任務(wù)。而每個子任務(wù)定義了自動化系統(tǒng)要完成的硬件和軟件要求。其中硬件包括輸入/輸出數(shù)目和類型,對應(yīng)模塊序號和類型,所用機(jī)架號,CPU型號和容量,
hmi
人機(jī)界面
)系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。軟件方面主要是程序結(jié)構(gòu),自動化過程中的數(shù)據(jù)管理,組態(tài)數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)及程序和項目文檔。在SIEMENS的S7中,上述工作都在項目管理(SIMATIC 管理器),包括必須的硬件(+組態(tài)),網(wǎng)絡(luò)(+組態(tài)),所有程序和自動化解決方案的數(shù)據(jù)管理。 F1在線幫助。
SIMATIC管理器管理STEP 7項目,編寫 STEP 7用戶程序的工具,有梯形圖LAD,語句表STL,和功能塊圖FBD,編程語言。利用編程器或外部編程器可以把用戶程序保存到EPROM卡上。
SIMATIC管理器是一個在線/離線編輯S7對象的圖形化用戶界面,這些對象包括項目、用戶程序、快、硬件站和工具。此管理器的用戶界面中工具條和WINDOWS差不多,就是多了幾個PLC菜單——顯示訪問節(jié)點、存儲器卡、下載、仿真模塊。
注::由于目前主流系統(tǒng)是S7-300,所以下面的操作基本以S7-300為主,而實際過程由于配置的不同可能會有所不同。
STEP 7項目結(jié)構(gòu):項目中,數(shù)據(jù)以對象形式存儲,按樹型結(jié)構(gòu)組織。
第一級:包含項目圖表,每個項目代表和項目存儲有關(guān)的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
第二級:站(如S7-300)用于存放硬件組態(tài)和模塊參數(shù)等信息,站是組態(tài)硬件的起點。
S7程序文件夾是編寫程序的起點,所有S7系列的軟件均放在S7程序文件夾下,它包含程序塊文件和源文件夾。
SIMATIC的網(wǎng)絡(luò)圖表(MPI、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng))
第三級和其他級:和上級對象類型有關(guān)。
編程器可離線/在線查看項目——OFFLINE:編程器硬盤上的內(nèi)容;ONLINE:通過網(wǎng)線從PLC讀到的內(nèi)容。
菜單選項: 在OPTIONS-CUSTOMIZE 設(shè)置語言、助記符、常用特性(存儲位置、系統(tǒng)信息顯示)。
創(chuàng)建一個項目:FILE NEW NEW PROJECT
插入 S7程序塊:INSERT PROGRAM S7 PROGRAM
插入 S7 塊: INSERT S7 BLOCK 然后可選:1:組織塊(OB)被操作系統(tǒng)調(diào)用,他們是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口。 2:功能FC和功能塊FB是實際的用戶程序利用他們可以 把復(fù)雜的程序分解成小的,易于調(diào)試的單元。3:數(shù)據(jù)塊存儲用戶的數(shù)據(jù)。選擇所需塊類型后,會打開一個屬性對話框,其中可輸入塊序號和要使用的編程語言,及其他設(shè)置。
補充一下:
1、內(nèi)存總清——MRES=MEMORY RESET,經(jīng)過MRES的模塊相當(dāng)于一個新模塊,所以請務(wù)必謹(jǐn)慎。方法是:放在MRES足夠時間,到STOP指示燈閃2下;彈回到STOP再迅速放到MRES,此時STOP快速閃6下——內(nèi)存清空,將刪除所有用戶程序數(shù)據(jù),硬件測試和初始化,如果此時裝有EPROM卡,把卡內(nèi)容COPY到內(nèi)部RAM區(qū)。
2、SIEMENS的信號模塊(SM)結(jié)構(gòu)設(shè)計,接線非常方便,更換摸板無需接線(可拔下來)。固定方式有彈簧和螺釘連接兩種。
3、對于軟件的授權(quán):在光盤安裝后以后,一定要用軟盤(權(quán)盤)授權(quán),對于重裝系統(tǒng)或軟件的,一定要先”收回“權(quán)到軟盤以后,才進(jìn)行,以便重裝以后再次授權(quán),否則只能聯(lián)系西門子了。
硬件組態(tài)和存儲器概念
S7-300的存儲器概念:
裝載存儲器是一個可編程模塊,它包括建立在編程設(shè)備上的裝載對象(邏輯塊、數(shù)據(jù)塊和其他信息),它可以是存儲器卡或內(nèi)部集成的RAM。存儲器卡一般有兩種,其中,當(dāng)采用RAM存儲器卡時,系統(tǒng)必須配備電池,當(dāng)采用Flash EPROM存儲器卡時,則斷電不會丟失,但內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)仍需電池保持。工作存儲器僅包含和運行時間使用的程序和數(shù)據(jù),RAM工作存儲器集成在CPU中,通過后備電池保持。系統(tǒng)存儲器包括過程映象輸入和輸出表(PII,PIQ),位存儲器,定時器,計數(shù)器和局部堆踐。保持存儲器是非揮發(fā)的RAM,即使沒有安裝后備電池也可用來保持某些數(shù)據(jù),設(shè)置CPU參數(shù)時要指定保持的區(qū)域。
從上述概念可知,假如我們在線修改程序,被修改的塊存放在工作存儲器中,當(dāng)把程序上載到編程器時,就從工作存儲器傳到編程器。由于斷電會導(dǎo)致RAM數(shù)據(jù)的丟失,所以假如要安全保存被修改的程序,就必須保存在FEPROM或硬盤上。
硬件組態(tài)和參數(shù)分配
一些概念:組態(tài)就是指在硬件組態(tài)的站窗口中分配機(jī)架、塊可分布式I/O,可從硬件目錄中選擇部件;參數(shù)分配就是建立可分配參數(shù)模塊的特性,例如啟動特性、保持區(qū)等;設(shè)定組態(tài)就是設(shè)定好的硬件組態(tài)和參數(shù)分配;實際組態(tài)指已存在的實際組態(tài)和參數(shù)分配,一般是在已裝配的系統(tǒng)中,從PLC的CPU中讀出來的。
組態(tài)過程:
啟動硬件組態(tài):新建一個項目(PROJECT),選擇該項目,并插入(INSERT)一個站(STATION),在SIMATIC管理器中選擇硬件站(HARDWARE)雙擊OPEN即可,我們同時可以打開硬件目錄——VIEW-CATALOG,如果選擇標(biāo)準(zhǔn)硬件目錄庫,它會提供所有的機(jī)架、模塊和接口模塊。
產(chǎn)生硬件組態(tài):主要選擇機(jī)架,指定模塊如何在機(jī)架擺放。具體是:
1、 在硬件目錄中打開一個SIMATIC300站的RACK-300(例如是300),雙擊或拖到左邊窗口。這樣在左邊的窗口中就出現(xiàn)兩個機(jī)架表:上面的部分顯示一個簡表,下面的部分顯示帶有定貨號、MPI地址和I/O地址的詳細(xì)信息。
2、 電源:雙擊或拖拉目錄中的“PS-300”模塊,放到表中的一號槽位上。
3、 CPU:從CPU-300的目錄中選擇你所配置的CPU,列入2號槽位。
4、 3號槽—一般接口模塊保留(用于多層組態(tài)),在實際配置中,如果這個位置要保留以后安裝接口模塊,在安裝時就必須插入一個占位模塊。
5、 信號模塊:從4號槽位開始最多可以插入八塊信號模塊(SM卡),包括通訊處理器(CP)和功能模塊(FM)。
CPU——屬性包括通用屬性General(主要提供模塊的類型,位置和MPI地址—如果要把幾個PLC通過MPI接口組成網(wǎng)絡(luò),每個CPU分配不同的MPI地址);啟動項目START.UP(主要選擇三種啟動方式,HOT—從斷電時的語句,也就是程序斷電處開始,WARM—從頭,也就是程序第一步開始,COLD—冷啟動;監(jiān)視時間包括從模塊讀準(zhǔn)備的信息時間和傳遞參數(shù)到模塊的時間;可保存數(shù)量Retentive Memory:用來指定當(dāng)出現(xiàn)斷電或從STOP到RUN切換時需要保持的存儲器區(qū)域;循環(huán)/時鐘存儲器;保護(hù)功能(設(shè)定鑰匙權(quán)限和各種級別及口令);診斷/時鐘。
保存下載及上傳:經(jīng)過上述設(shè)置以后,我們就可以保存、編譯、一致性檢查后,把設(shè)定組態(tài)下載到PLC中。當(dāng)然,對實際運行的PLC,我們也可以通過上傳(Upload Station)把實際組態(tài)讀到編程器。
硬件診斷及組態(tài)中可能出現(xiàn)的問題:在SIMATIC管理器中可以用PLC-Diagnose Hardware來獲得PLC的診斷狀態(tài)。在實際組態(tài)過程中最可能出現(xiàn)的問題是以下幾點:
1、 在S7-300中,組態(tài)中有空位置,此時組態(tài)不能編譯通過;
2、 不正確的CPU(例如:是CPU 315-2DP,不是CPU 314)此時組態(tài)不能下載;
3、 模擬量模塊分配到不正確的槽位置,此時CPU會因為參數(shù)分配錯誤進(jìn)入STOP模式;
4、模擬量模塊不正確的測量范圍,導(dǎo)致模擬量模塊組態(tài)錯誤。
塊的編輯
STEP 7編程語言:LAD 梯形圖/FBD功能塊圖/STL語句表,更加豐富,更加靈活,但對初學(xué)者比較難以理解,當(dāng)然某些語言不能用LAD表達(dá)。
塊編輯的啟動:選擇所需編程語言,雙擊打開需編輯的塊,如OB1或FC1等。當(dāng)采用LAD或FBD編程語言時,可用工具條來插入簡單的程序文件,當(dāng)采用STL,則可用在線幫助得到有關(guān)語言的語法和功能——HELP-Help on STL。
編程器組成:聲明表:屬于塊,為塊聲明變量和參數(shù);代碼區(qū):包含程序本身;編程元件:可選打開或關(guān)閉,內(nèi)容依賴于所選擇的編程語言,雙擊插入或拖拉插入。
VIEW菜單:可切換到另一種語言,并可實現(xiàn)LAD/FBD/STL之間的轉(zhuǎn)換,要知道,LAD/FBD轉(zhuǎn)換成STL的,在語句表中可能不是最有效程序。而STL轉(zhuǎn)換成其他則不一定行,轉(zhuǎn)換不了的仍用語句表示,轉(zhuǎn)換過程絕不會丟失程序。
其他菜單由于篇幅較大,請最好結(jié)合教材及軟件自己熟悉。
在討論調(diào)用塊前先介紹一下OB1塊——主循環(huán)塊,絕對不能改名或刪除,它是由操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用,可以訪問其他的S7程序塊,它包括自身程序和其他塊的調(diào)用。所以,當(dāng)我們編輯好一個塊以后,如FC1,為了讓新塊集成在CPU中的循環(huán)程序中,必須在OB1中調(diào)用。即在OB1中CALL F1。 子程序(新塊FC 1)執(zhí)行的條件有以下三個:已經(jīng)下載到PLC中,必須在OB1調(diào)用,PLC處于運行狀態(tài)。 下載到實際的PLC時,我們可以選擇所有塊或其中的一個或幾個,再Download到PLC中。
程序的執(zhí)行過程:當(dāng)PLC得電或從STOP切換到RUN模式,CPU會執(zhí)行一次全啟動(使用OB100)在全啟動期間,操作系統(tǒng)清除非保持位存儲器、定時器和計數(shù)器,刪除中斷堆箋和塊堆箋,復(fù)位所有保存的硬件中斷,并啟動掃描循環(huán)監(jiān)視時間。
CPU的循環(huán)操作包括三個主要部分:CPU檢查輸入信號的狀態(tài)并刷新過程影象輸入表(PII..);執(zhí)行用戶程序,也就是OB1中的程序及一些事件(中斷等);把過程輸出影象輸出表(PIQ)寫到輸出模塊。上面所提到的PII/PIQ是CPU中特定的存儲器,用來保存輸入模塊/輸出模塊的信號,在用戶程序中檢查時,可以保證在一個掃描周期內(nèi)為同樣的信號狀態(tài)。
程序結(jié)構(gòu):上面曾經(jīng)提到過,一個比較簡單的程序,我們可以不用各種子程序塊(如FC.FB),而是直接把整個程序直接寫在一個塊上(通常是OB1主塊上),CPU逐條的處理指令,我們稱這種叫線形編程;而對稍微有點復(fù)雜的程序,我們可以把它分成幾個塊,每塊包含處理一部分任務(wù)的程序,在每一個塊中可以進(jìn)一步分解、成幾個段,可以為相同類型的段生成段模塊,組織塊OB1包含按順序調(diào)用其他塊的指令,我們把這種方法叫分塊編程;另外,對可重復(fù)使用的功能裝入單個塊中,OB1(或其他塊)調(diào)用這些塊并傳遞相關(guān)參數(shù),這種方法叫結(jié)構(gòu)化編程。用戶塊(程序塊)包括程序代碼和用戶數(shù)據(jù),在結(jié)構(gòu)化程序中,一些塊循環(huán)調(diào)用處理,一些塊需要時才調(diào)用。程序塊共有組織塊(OB)、功能塊(FB)、功能(FC)、系統(tǒng)功能塊(SFB)和系統(tǒng)功能(FC)5種,其中系統(tǒng)塊是在CPU操作系統(tǒng)中預(yù)先定義好的功能和功能塊,這些塊不占用用戶程序空間。
在下節(jié)討論位指令前先討論一下SIEMENS的模塊地址:在不帶DP口的S7-300和不組態(tài)的S7-400采用固定槽位編址,使用帶DP口的S7-300和S7-400,可以分配模塊的起始地址。但要注意,由于CPU存儲器復(fù)位后,參數(shù)和地址會丟失,這就意味著所有地址都回到和槽位有關(guān)的地址或是缺省地址。我們還是以S7-300為例,在S7-300中,機(jī)架上的插槽號簡化了模塊地址,模塊的第一個地址由機(jī)架上的模塊地址決定。一般槽1給電源,槽2是CPU,槽3為IM(接口模板)所用,4~11為I/O卡、CP卡和FM卡。他們的固定地址就是為每個槽位保留4個字節(jié)——就是說,槽4(第一塊I/O卡),地址為0.0~3.7(共32位),槽5(第二塊I/O卡)地址為4.0~7.7,假設(shè)第一卡是DI,那么他們的地址就是I0.0、I0.1、、、I3.7,若第二卡為DO卡,地址為Q4.0、Q4.1、、、、Q7.7,請注意,當(dāng)使用16通道的DI/DO模塊時,每個槽位就會失去兩個字節(jié)(16位)。
基本邏輯指令
與 &(FBD) A(STL) (AND指令)
或 >=1(FBD) O (STL) (OR指令)
異或 XOR(FBD) X(STL) (XOR指令)
注意:異或操作是指:當(dāng)兩個信號中僅有一個滿足時,輸出狀態(tài)才是“1”,這個指令不能使用于多個地址的異或邏輯操作(N個中有一個1時才是1),所以三個及三個以上的異或指令,舊的RLO(邏輯操作結(jié)果)和另一個輸入作異或運算。
賦值語句 =
置位 S 光是置位,一直保持到它被另一個指令復(fù)位為止。
復(fù)位 R 光是復(fù)位,一直保持到它被另一個指令置位為止。
觸發(fā)器的置位復(fù)位:同時有置位輸入和復(fù)位輸入,如果兩個輸入端同時出現(xiàn)RLO=1,根據(jù)優(yōu)先級。在LAD/FBD中,分別有置位優(yōu)先和復(fù)位優(yōu)先的不同符號,在STL中,最后編寫的指令具有高優(yōu)先權(quán)。
注意:如果用置位命令把輸出置位,當(dāng)CPU全啟動時它被復(fù)位,但如果聲明保持,則當(dāng)CPU全啟動時,它就一直保持置位狀態(tài)。
連接器:M0.0(#),為中間賦值元件,它把當(dāng)前RLO保存到指定地址,當(dāng)它和其他元件串聯(lián)時,連接器指令和觸點一樣插入。
注意連接器不能:
直接連接到電源母線
直接跟一個分支;
用在分支末尾。
但連接器可以用“NOT”元件對它進(jìn)行取反操作。
影響RLO的指令:
NOT=取反;CLR=復(fù)位(僅用在STL中);SET=置位(僅用在STL中);SAVE=把RLO保存到狀態(tài)寄存器中的“BR”;BR=用來重新檢查保存的RLO。
主控繼電器功能 MCR:是一個用來接通或斷開電流的邏輯主開關(guān)。如果MCR條件不滿足:0分配給輸出線圈,置位線圈和復(fù)位線圈指令不改變當(dāng)前值,MOVE指令把0傳到目的地址。MCRA指令啟動主控繼電器功能/MCRD指令取消MCR功能,直到另一個MCRA指令起作用。
無條件轉(zhuǎn)移(不依賴于RLO) JMP
在LAD/FBD中,在線圈符號上面輸入作為表示的標(biāo)號或符號,如NEW1,NEW2等,標(biāo)號最多有4個字符,第一個字符必須使用字母或“_”。
跳轉(zhuǎn)規(guī)則:可以向前或向后跳轉(zhuǎn),跳轉(zhuǎn)指令和跳轉(zhuǎn)目的必須在同一個塊中(最大跳轉(zhuǎn)長度為64K字節(jié));在一個塊中跳轉(zhuǎn)目的只能出現(xiàn)一次;跳轉(zhuǎn)指令可以用在FB、FC和OB中。
條件跳轉(zhuǎn):有兩個:JC——當(dāng)RLO=1時,JC才執(zhí)行,當(dāng)RLO=0時,不跳轉(zhuǎn),繼續(xù)執(zhí)行下面的程序,但置RLO=1。 JCN——當(dāng)RLO=0時,JCN才執(zhí)行,當(dāng)RLO=1時,不跳轉(zhuǎn)。
邊沿檢測:RLO-邊沿檢測和信號-邊沿檢測。
RLO-邊沿檢測:當(dāng)邏輯操作結(jié)果變化時,產(chǎn)生RLO邊沿。檢測正邊沿FP——RLO從“0”變化到“1”,“FP”檢查指令產(chǎn)生一個“掃描周期”的信號“1”;檢測負(fù)邊沿FN,則RLO從“1”變化到“0”,“FN”檢查指令產(chǎn)生一個“掃描周期”的信號“1”。上述兩個結(jié)果保存在“FP(FN)”位存儲器中或數(shù)據(jù)位中,如M 1.0…,同時,可以輸出在其他線圈。
信號-邊沿檢測:同上面的RLO指令類似,當(dāng)信號變化時,產(chǎn)生信號邊沿,也有正/負(fù)邊沿之分:POS/NEG。
上述各種指令,最好請結(jié)合實際軟件,掌握其方法、特性和不同之處,其他復(fù)雜指令請參考各種高級編程手冊。
數(shù)字指令
在討論數(shù)字指令前先了解一下各種數(shù)據(jù)格式,關(guān)于二進(jìn)制、十進(jìn)制及其他數(shù)的表示方法,在其他地方都有介紹,這里就不再重復(fù)。
一、數(shù)據(jù)格式(16位):數(shù)據(jù)類型INT是整數(shù)(16位),其中符號(位15)表示是正數(shù)或是負(fù)數(shù)(“0”=正數(shù),“1”=負(fù)數(shù)),16位整數(shù)的數(shù)值范圍是-32768~+32767。在二進(jìn)制格式中,整數(shù)的負(fù)數(shù)形式用正數(shù)的二進(jìn)制補碼表示。(二進(jìn)制補碼利用取反加1得到) 負(fù)數(shù)的位格式,對零的位置加權(quán)求和,再加1,然后在前面放一個負(fù)號。
BCD碼:十進(jìn)制的每一位用四個二進(jìn)制數(shù)表示,因為最大為9,所以需要四位二進(jìn)制才能表示出來(十進(jìn)制的9=1001二進(jìn)制),要注意,從0~9的十進(jìn)制數(shù)的BCD碼表示與二進(jìn)制數(shù)表示相同,但BCD碼一般用作顯示,并非二進(jìn)制。上面的INT(整數(shù))主要是用來運算。
如BCD碼W#16#296,在CPU中表現(xiàn)為0000,0010,1001,0110(直接為+,2,9,6=+296);而整數(shù)+296則表示為0000,0001,0010,1000(即28+25+23=296),再例如整數(shù)-413表示為1111,1110,0110,0011(因為是負(fù)數(shù),所以用補碼,取反加1,所以上面的二進(jìn)制數(shù)=-(28+27+24+23+22+1)=“-413”,而在BCD碼該數(shù)(W#16#F413)則可以簡單的表示為1111,0100,0001,0011。
二、數(shù)據(jù)格式(32位):DINT類型的數(shù)據(jù)——帶符號位的32-位整數(shù),定義為“雙整數(shù)”或“長整數(shù)”,它的表示方法及范圍是:L#-2147483648~L#+2147483647;還有一個是實數(shù)型REAL型(也叫浮點數(shù)),是1.175495*10-38~3402823*1038之間,實數(shù)的通用格式為(Sign)*(1.f)*(2e-127),其中Sign為符號位第31位(即最高位),低位的0~22位為f=底數(shù)位,23~30為e=指數(shù)。STEP 7中的實數(shù)是按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)表示的。
數(shù)據(jù)的裝入和傳遞:MOVE(LAD/FBD)或L和T(STL):如果輸入EN有效,輸入“IN”處的值拷貝到輸出“OUT”。裝載和傳遞指令的執(zhí)行與RLO無關(guān),數(shù)據(jù)通過累加器交換,裝載指令把右邊源地址的值寫到累加器1(不夠32位用0補齊),傳遞指令拷貝累加器中一些或所有內(nèi)容到指定的目的地址。如先裝載L +5 / L L#523312 / L B#16#EF (分別為裝載一個整數(shù)+5/一個雙整數(shù)523312/一個十六進(jìn)制數(shù)EF)到第一累加器(ACCU1),然后再傳輸?shù)侥康牡?,如T MB5等。累加器是CPU中的輔助存儲器,它們用于不同地址之間的數(shù)據(jù)交換、比較和數(shù)學(xué)運算操作。S7-300有兩個32位的累加器,S7-400有四個32位的累加器。在裝載過程中,ACCU 1中的值先移入ACCU 2,在新值寫入前先清零,然后在把要裝入的值寫入ACCU 1,傳遞時則從ACCU 1中讀出。裝載和傳遞指令可以指定32位中的一個字節(jié)或是字及雙字,如果僅傳遞一個字節(jié),只使用右邊的8位。在LAD/FBD中,我們可以使用MOVE的允許輸入(EN)把裝載和傳遞操作和RLO聯(lián)系起來,在STL中,則總是執(zhí)行裝載和傳遞操作,而和RLO無關(guān),但是,我們可以利用條件跳轉(zhuǎn)指令來執(zhí)行和RLO有關(guān)的裝入和傳遞功能。
定時器:STEP 7中,CPU為定時器保留了一個特殊存儲器,這個區(qū)專門為每個定時器地址保留一個16位字。定時器的位0~9包含用二進(jìn)制表示的時間值,12、13位為時間基準(zhǔn)——0表示10ms,1表示100ms,2=1秒,3=10秒,時間基準(zhǔn)定義的是一個單位代表的時間間隔。時間值可以直接用常數(shù)來表示(此時時間基準(zhǔn)自動由系統(tǒng)自動分配),例如S5T#100ms,S5T#2h2m2s20ms。
S5定時器格式:時間的指定可以如上述所說直接輸入固定的時間常數(shù),或由操作人員用撥輪按扭改變或和存儲器字或數(shù)據(jù)字中的時間值有關(guān)的過程和配方。在使用中可以用L命令(讀出)定時器BI輸出端的地址(包含10位二進(jìn)制數(shù)表示的時間值,不帶時間基準(zhǔn)),如 L T5;也可以用LC命令讀出定時器BCD端的地址(3位BCD數(shù)表示的時間值和12、13位的時間基準(zhǔn))。具體介紹幾種常用的定時器:下面只介紹功能,具體符號可以在元件表中找。
接通延時(SD)定時器:當(dāng)定時器的“S”輸入端的RLO從0變到1時,定時器啟動。只要輸入S=1,定時器起作用,當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的TV值(預(yù)設(shè)值)時定時器啟動(輸出Q=1),同時該定位器還有一個復(fù)位端R端,當(dāng)?shù)扔?時,就清除定時值并且復(fù)位Q輸出。當(dāng)前時間可以在BI輸出端以二進(jìn)制數(shù)讀出,在BCD端以BCD碼形式讀出,當(dāng)前時間值是TV的初始值減定時器啟動以來的經(jīng)過時間。
帶保持接通延時定時器(SS):與上面SD定時器基本一致,唯一不同的就是具有保持功能,也就是說:一旦S輸入端的RLO從0變到1,定時器便啟動,即使定時過程中出現(xiàn)輸入S端=0,定時器仍繼續(xù)記時。但有一點,在保持過程中,如果S輸入端再次從0變1,則定時器重新開始。
關(guān)斷延時定時器(SF):從某些方面說,和上面提到的SD接通延時定時器狀態(tài)正好相反。當(dāng)定時器的S輸入端的RLO從“1”變到“0”時,定時器啟動,輸出信號Q=0,其他功能和輸出與SD一樣。個人理解,是否SD接通延時定時器,較多的用于正邏輯,而SF更多的用于事故安全型(有時也叫反邏輯,就是在正常的工況中,輸入輸出都為1或是帶電情況)中。
脈沖(SP):這個比較好理解,當(dāng)“S”輸入端從0變到1時,啟動定時器,輸出Q=1(最多一個脈沖。輸出Q復(fù)位的情況為:定時器時間到或啟動信號從1變到0或復(fù)位輸入R信號=1。
擴(kuò)展脈沖(SE):當(dāng)輸入端的RLO從0變到1時,定時器啟動,輸出Q置1,即使當(dāng)中S端輸入變到0,輸出Q仍保持1。當(dāng)定時器正在運行,如果啟動信號從0變到1,定時器被再次啟動。它的復(fù)位情況是定時器時間到或復(fù)位R端有信號1。
位指令定時器:所有的定時器也可以用簡單的位指令啟動,這種方法和前面討論的定時器功能的相似處在于:啟動條件在S端,指定時間值,復(fù)位條件在R端輸入,信號響應(yīng)在Q端。不同的是(對LAD/FBD)不能檢查當(dāng)前時間值(沒有BI/BCD輸出)。
西門子S7-300 plc具有非常強(qiáng)大的故障診斷功能,通過STEP 7編程軟件可以獲得大量的硬件故障與編程錯誤的信息,使用戶能迅速地查找到故障。
這里的診斷是指西門子S7-300 PLC內(nèi)部集成的錯誤識別和記錄功能,錯誤信息在CPU的診斷緩沖區(qū)內(nèi)。有錯誤或事件發(fā)生時,標(biāo)有日期和時間的信息被保存到診斷緩沖區(qū),時間保存到系統(tǒng)的狀態(tài)表中,如果用戶已對有關(guān)的錯誤處理組織塊編程,CPU將調(diào)用該組織塊。
在SIMATIC管理器中用菜單命令“查看”→“在線”打開在線窗口。打開所有的站,查看是否有CPU顯示了指示錯誤或故障的診斷符號。
診斷符號用來形象直觀地表示模塊的運行模式和模塊的故障狀態(tài),如圖所示。如果模塊有診斷信息,在模塊符號上將會增加一個診斷符號或者模塊符號的對比度降低。
診斷符號
診斷符號
圖 診斷符號
診斷符號“當(dāng)前組態(tài)與實際組態(tài)不匹配”表示被組態(tài)的模塊不存在或者插入了與組態(tài)的模塊型號不同的模塊。
診斷符號“無法診斷”表示無線上連接或該模塊不支持模塊診斷信息,例如電源模塊或子模塊。
“強(qiáng)制”符號表示在該模塊上有變量被強(qiáng)制,即在模塊的用戶程序中有變量被賦予一個固定值,該數(shù)據(jù)值不能被程序改變?!皬?qiáng)制”符號可以與其他符號組合在一起顯示,如圖中“強(qiáng)制與運行”符號。
從在線的SIMATIC管理器的窗口、在線的硬件診斷功能打開的快速窗口和在線的硬件組態(tài)窗口(診斷窗口),都可以觀察到診斷符號。
通過觀察診斷符號,町以判斷CPU模塊的運行模式是否有強(qiáng)制變量,CPU模塊和功能模塊(FM)是否有故障。
打開在線窗口,在SIMATIC管理器中執(zhí)行菜單命令“PLC”→“診斷/設(shè)置”→“硬件診斷”,將打開硬件診斷快速瀏覽窗口。在該窗口中顯示PLC的狀態(tài),看到診斷功能的模塊硬件故障,雙擊“故障模塊”可以獲得詳細(xì)的故障信息。
盡管梯形圖與繼電器電路圖在結(jié)構(gòu)形式、元件符號及邏輯控制功能等方面相類似,但它們又有許多不同之處,plc梯形圖有自己的編程規(guī)則。
1)每一邏輯行總是起于左母線,最后終止于線圈或右母線(右母線可以不畫出),如圖1所示。
2)無論選用哪種機(jī)型的PLC,所用元件的編號必須在該機(jī)型的有效范圍內(nèi)。例如西門子S7- 300 PLC中沒有M99000.0。
圖1 梯形圖
a)錯誤b)正確
3)梯形圖中的觸點可以任意串聯(lián)或并聯(lián),但繼電器線圈只能并聯(lián)而不能串聯(lián)。
4)觸點的使用次數(shù)不受限制。例如,輔助繼電器M0.0可以在梯形圖中出現(xiàn)無限制的次數(shù),而實物繼電器的觸點一般少于8對,只能用有限次。
5)在梯形圖中同一線圈只能出現(xiàn)一次。如果在程序中,同一線圈使用了兩次或多次,稱為“雙線圈輸出”。對于“雙線圈輸出”,有些PLC將其視為語法錯誤,絕對不允許(如三菱FX系列PLC);有些PLC則將前面的輸出視為無效,只有最后一次輸出有效(如西門子PLC);而有些PLC在含有跳轉(zhuǎn)指令或步進(jìn)指令的梯形圖中允許雙線圈輸出。
6)西門子PLC的梯形圖中不能出現(xiàn)Ⅰ線圈。
7)對于不可編程的梯形圖必須經(jīng)過等效變換,變成可編程梯形圖。
8)在有幾個串聯(lián)電路相并聯(lián)時,應(yīng)將串聯(lián)觸點多的回路放在上方,歸納為“多上少下”的原則,如圖2所示。在有幾個并聯(lián)電路相串聯(lián)時,應(yīng)將并聯(lián)觸點多的回路放在左方,歸納為“多左少右”原則,如圖3所示。因為這樣所編制的程序簡潔明了,語句較少。但要注意圖2a和圖3a的梯形圖邏輯上是正確的。
梯形圖
梯形圖
圖2 梯形圖
a)不合理b)合理
9) PLC的輸入端所連的電器元件通常使用常開觸點,即使與PLC對應(yīng)的繼電器一接觸器系統(tǒng)原來使用的是常閉觸點,改為PLC控制時也應(yīng)轉(zhuǎn)換為常開觸點。如圖4所示為繼電器接觸器系統(tǒng)控制的電動機(jī)的起/??刂?,如圖5所示為電動機(jī)的起/??刂频奶菪螆D??梢钥闯觯豪^電器一接觸器系統(tǒng)原來使用常閉觸點SB1和FR,改用PLC控制時,則在PLC的輸入端變成了常開觸點。
梯形圖
梯形圖
圖3 梯形圖
a)不合理b)合理
電動機(jī)起/??刂茍D
電動機(jī)起/??刂茍D
圖4 電動機(jī)起/??刂茍D
電動機(jī)起/??刂频奶菪螆D
電動機(jī)起/停控制的梯形圖
圖5 電動機(jī)起/??刂频奶菪螆D
圖5的梯形圖中I0.1和I0.2用常閉觸點,否則控制邏輯不正確。若讀者一定要讓PLC的輸入端的按鈕為常閉觸點輸入也可以(一般不推薦這樣使用),但梯形圖中I0.1和I0.2要用常開觸點,對于急停按鈕必須使用常閉觸頭,若一定要使用常開觸頭,從邏輯上講是可行的,但在某些情況下,有可能急停按鈕不起作用而造成事故,這是讀者要特別注意的。另外,一般不推薦將熱繼電器的常開觸點接在PLC的輸入端,因為這樣做占用了寶貴的輸入點,最好將熱繼電器的常閉觸點接在PLC的輸出端,與KM的線圈串聯(lián)。
功能圖(SFC)是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特征的一種圖解表示方法。它具有簡單、直觀等特點,不涉及控制功能的具體技術(shù),是一種通用的語言,是IEC(國際電工委員會)首選的編程語言,近年來在plc的編程中已經(jīng)得到了普及與推廣。
功能圖的基本思想是:設(shè)計者按照生產(chǎn)要求,將被控設(shè)備的一個工作周期劃分成若干個工作階段(簡稱“步”),并明確表示每一步要執(zhí)行的輸出,“步”與“步”之間通過制定的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換,在程序中,只要通過正確連接進(jìn)行“步”與“步”之間的轉(zhuǎn)換,就可以完成被控設(shè)備的全部動作。
PLC執(zhí)行功能圖程序的基本過程是:根據(jù)轉(zhuǎn)換條件選擇工作“步”,進(jìn)行“步”的邏輯處理。組成功能圖程序的基本要素是步、轉(zhuǎn)換條件和有向連線,如圖所示。
功能圖
功能圖
圖 功能圖
1.步
一個順序控制過程可分為若干個階段,也稱為步或狀態(tài)。系統(tǒng)初始狀態(tài)對應(yīng)的步稱為初始步,初始步一般用雙線框表示。在每一步中施控系統(tǒng)要發(fā)出某些“命令”,而被控系統(tǒng)要完成某些“動作”、“命令”和“動作”都稱為動作。當(dāng)系統(tǒng)處于某一工作階段時,則該步處于激活狀態(tài),稱為活動步。
2.轉(zhuǎn)換條件
使系統(tǒng)由當(dāng)前步進(jìn)入下一步的信號稱為轉(zhuǎn)換條件。順序控制設(shè)計法用轉(zhuǎn)換條件控制代表各步的編程元件,讓它們的狀態(tài)按一定的順序變化,然后用代表各步的編程元件去控制輸出。不同狀態(tài)的“轉(zhuǎn)換條件”可以不同,也可以相同。當(dāng)“轉(zhuǎn)換條件”各不相同時,在功能圖程序中每次只能選擇其中一種工作狀態(tài)(稱為“選擇分支”),當(dāng)“轉(zhuǎn)換條件”都相同時,在功能圖程序中每次可以選擇多個工作狀態(tài)(稱為“選擇并行分支”)。只有滿足條件狀態(tài),才能進(jìn)行邏輯處理與輸出。因此,“轉(zhuǎn)換條件”是功能圖程序選擇工作狀態(tài)(步)的“開關(guān)”。
3.有向連線
步與步之間的連接線稱為“有向連線”,“有向連線”決定了狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方向與轉(zhuǎn)換途徑。在有向連線上有短線,表示轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)條件滿足時,轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn),即上一步的動作結(jié)束而下一步的動作開始,因而不會出現(xiàn)動作重疊。步與步之間必須要有轉(zhuǎn)換條件。
圖中的雙框為初始步,M0.0和M0.1是步名,I0.0、I0.1為轉(zhuǎn)換條件,Q0.0、Q0.1為動作。當(dāng)M0.0有效時,輸出指令驅(qū)動Q0.0。步與步之間的連線稱為有向連線箭頭省略未畫。
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