西门子PLC(200/300/400)应用程序设计实例精讲(第2版)(含光盘1张)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:高强,马丁

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西门子PLC(200/300/400)应用程序设计实例精讲(第2版)(含光盘1张)

西门子PLC(200/300/400)应用程序设计实例精讲(第2版)(含光盘1张)试读:

前言

早期的可编程控制器称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术的发展,可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善,其功能远远超出了逻辑控制的范围,具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能,逐渐变成了实际意义上的一种工业控制计算机,现在广泛应用在机械、冶金、化工、电力、运输、建筑、通信等众多领域。PLC产品很多,西门子S7 200/300/400使用最为广泛。但目前市场上同类的PLC书中,介绍基础原理的较多,而对各种领域应用程序的开发讲解较少,以实例为主的指导书比较少。该书正是为了弥补这种不足而编写的。全书针对目前最通用流行的西门子PLC系列,通过典型实例的形式,详细介绍了PLC应用程序专题设计的方法与技巧。全书共分33章,具体内容安排如下:第一部分为PLC基础知识篇,由3章内容构成,包括:PLC硬件结构与工作原理、PLC的编程基础、S7-200/300指令系统详解。读者通过学习,将熟悉PLC的硬件结构,掌握PLC编程的入门基础知识。第二部为第4~33章,全部为西门子PLC应用程序设计实例,其中又根据不同的应用领域,分为下面6篇。第一篇为网络通信实例,由6个实例构成,包括:Profibus DP通信、Ethernet通信、MPI通信、Profinet通信、ASI通信、PPI通信。第二篇为网络控制实例,由7个实例构成,包括:基于Profibus DP对变频器的控制、基于Ethernet对远程PLC的控制、上位机基于MPI对PLC的控制、基于Profinet对远程I/O的控制、基于S7-300通过ASI对现场驱动控制、基于PPI S7-200的控制。第三篇为机电控制实例,由5个实例构成,包括:对工业机器人喷涂件位置的采集、MM440对电机驱动、基于S7 300直接驱动电机的设计、PLC在医院呼叫系统中的应用、S7-300在对比例阀开度的PID控制。第四篇为电气控制实例,由3个实例构成,包括:S7-400在工业升降机中的应用、S7-300实现对多位置移行机的控制、S7-400对多排滚床实现FIFO和颜色排序。第五篇为现场总线Profibus实例,由6个实例构成,包括:通过DP/DP coupler实现两个主站之间的信息交换、S7-400与S7-300之间主从站信息交换、基于Profibus与触摸屏的信息交换、Profibus与西门子MOBY I间的信息交换、Profibus报警的软硬件诊断、通过Profibus总线实现的DCS控制。第六篇为设备与数据控制,由3个实例构成,包括:某大型车间中对照明灯的控制、牛奶生产企业中传送带的控制、LABEL扫描及其数据存储的控制。本书作者长期从事PLC编程方面的设计工作,具有丰富的实践经验,从而保证了本书良好的实用性和指导性。归纳本书,具有以下一些特点:(1)以应用程序设计实例为主,详细介绍了西门子PLC在各种应用场合的编程技术与过程,包括设计思路、硬件电路、软件设计,提供了深入的程序设计思想,利于读者举一反三,对于读者学习PLC的实际开发具有较好的参考价值。(2)本书提供了多达30个典型实例,覆盖领域很广,代表性强,可成为大多数PLC开发人员的参考手册。是读者学习PLC编程的首选宝典书籍。(3)本书盘书结合,光盘中附有丰富的实例硬件图源文件和程序源代码,读者稍加修改,便可应用于自己的工作中去,物超所值。本书比较适合计算机、自动化、电子及硬件等相关专业的学生进行学习,同时也可供从事PLC开发的科研人员参考使用。本书主要由高强、马丁编写,其中第1~3章和第18章由高强编写。另外,唐清善、邱宝良、周克足、刘斌、李永怀、李宁宇、刘伟捷、黄小欢、严剑忠、黄小宽、金平、徐春林、谢正义、郑贞平、张小红、李彦超、付军鹏、张广安、贾素龙、王艳波等在资料收集、整理和技术支持方面做了大量的工作,在此一并向他们表示感谢!由于时间仓促,再加之作者的水平有限,书中难免存在一些不足之处,欢迎广大读者批评和指正。第一部分PLC基础知识第1章 PLC入门概述第2章 PLC编程基础第3章 S7-200/300指令系统第1 章PLC入门概述可编程控制器PC(Programmable Controller)是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制,因此称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,随着技术的发展,现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。PLC从诞生至今,仅有30年的历史,但是得到了异常迅猛的发展,并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。1.1 PLC的基本概念早期的可编程控制器称为可编程逻辑控制器,简称PLC,主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术的发展,可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善,已远远超出了逻辑控制的范围,具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能,且已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。于是,美国电器制造商协会(NEMA)将其正式命名为Programmable Controller(可编程控制器),简称PC。由于它与个人计算机(Personal Computer)的简称PC相同,所以人们习惯仍将其称为PLC。1987年2月,国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,是专为在工业环境下的应用而设计的。它采用一类可编程序的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式输入/输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。1.2 PLC特点、分类与发展应用1.2.1 PLC的特点作为一种新型的工业自动控制装置,PLC具有以下一些特点。(1)高可靠性和强抗干扰能力高可靠性和强抗干扰能力是PLC最突出的特点之一,主要表现在以下方面。● 用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线大大减少,因触点接触不良造成的故障大为减少;● 所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离;● 各输入端均采用RC滤波器,并采取屏蔽措施;● 采用性能优良的开关电源;● 对采用的器件进行严格的筛选;● 良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大;● 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三个CPU构成的表决系统,使可靠性更进一步增强。因此,PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力,平均无故障工作时间可达数万小时,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场并持续工作。(2)丰富的I/O接口模块为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接,PLC除具有普通计算机的基本部分(如CPU、存储器等)外,还有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号(交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等),设计有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备(按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等)直接连接。另外,为了提高系统的操作灵活性,许多PLC还有多种人-机对话的接口模块,为了组成工业局部网络,还有多种通信联网的接口模块等。(3)灵活性好为了适应各种工业控制需要,除了一些小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。相对于传统的电气控制线路,PLC为改进和修改原设备提供了极其方便的手段,通过修改或重新编写应用程序,就可以用一台PLC实现不同的控制功能。(4)编程简单易学PLC大多采用梯形图作为主要的编程语言。梯形图是一种面向用户的编程语言,它的表达方式类似于继电器控制系统电路图,具有形象直观、易学易懂的特点。对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来说,很快就可以学会梯形图语言,并用来编制用户所需程序。(5)系统安装简单,维修方便PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。PLC的各种模块上大多都有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。1.2.2 PLC的分类目前,PLC的种类很多,规格性能不一。通常可根据它的结构形式、容量或功能进行分类。1.按结构形式的分类按照硬件的结构形式,PLC可分为如下几类。(1)整体式PLC:这种结构的PLC将电源、CPU、输入输出部件等集中配置在一起,装在一个箱体内,通常称为主机。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格较低等特点,但主机的I/O点数固定,使用上不太灵活。小型的PLC通常使用这种结构,适用于比较简单的控制场合。(2)模块式PLC:也称为积木式结构,即把PLC的各组成部分以模块的形式分开,如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等,把这些模块插在底板上,组装在一个机架内。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、便于扩展,但结构较复杂,价格较高。大型的PLC通常采用这种结构,适用于比较复杂的控制场合。(3)叠装式PLC:这是一种新的结构形式,它吸收了整体式和模块式PLC的优点,如三菱公司的FX2系列PLC,它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽,但是长度不同。它们不用基板,仅用扁平电缆,紧密拼装后组成一个整齐的长方体,输入、输出点数的配置也相当灵活。2.按容量的分类PLC的容量主要是指其输入/输出点数。按容量大小,可将PLC分为如下几类。(1)小型PLC:I/O点数一般在256点以下;(2)中型PLC:I/O点数一般在256~1024点之间;(3)大型PLC:I/O点数在1024点以上。3.按功能的分类按PLC功能上的强弱,可分为如下几类。(1)低档机:具有逻辑运算、计时、计数等功能,有的有一定的算术运算、数据处理和传送等功能,可实现逻辑、顺序、计时计数等控制功能。(2)中档机:除具有低档机的功能外,还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能,可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。(3)高档机:除具有中档机的功能外,还具有带符号运算、矩阵运算等功能,使得运算能力更强,还具有模拟量调节、强大的联网通信等功能,能进行智能控制、远程控制、大规模控制,可构成分布式控制系统,实现工厂自动化管理。当然,上述分类的标准不是固定的,而是随PLC整体性能的提高在不断变化。1.2.3 PLC的发展趋势经过几十年的迅速发展,PLC的功能越来越强大,应用范围也越来越广泛,其足迹已遍及国民经济的各个领域,形成了能够满足各种需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高,PLC的发展体现出以下趋势。1.向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展PLC的主要应用领域是自动化,不同的企业对自动化的要求、规模及投资数额都不相同,存在着不同层次的需求。因此,PLC将朝两个方向发展,一是向小型化、微型化的方向发展,以适应小型企业技术改造的需求,提供性能价格比更高的小型PLC控制系统;二是向大型化、多功能方向发展,为大、中型企业提供高水准的PLC控制系统。其共同特点是,现代PLC的结构和功能不断改进,产品更新换代周期越来越短,并不断地向高性能、高速度、高性能价格比方向发展。2.过程控制功能不断增强在PLC发展的初期,它只能完成开关量逻辑控制。随着PLC技术的发展,出现了模拟量I/O模块和专门用于模拟量闭环控制(过程控制)的智能PID模块。现代PLC的模拟量控制功能日益强大,除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块外,一些PLC还具有了模糊控制、自适应控制和参数自整定功能,使调试时间减少,控制精度提高。在过程控制方面,已经很难分清PLC与工业控制计算机、分散控制系统之间的界限。3.大力开发智能I/O模块智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件,它们的CPU与PLC的主CPU并行工作,占用主CPU的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度。主要包括模拟量I/O高速计数输入、中断输入、运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、多路BCD码输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信等模块。智能I/O模块本身就是一个小的微型计算机系统,具有很强的信息处理能力和控制功能,有的模块甚至可以自成系统,单独工作。它们可以完成PLC的主CPU难以兼顾的功能,简化某些控制领域的系统设计和编程,提高PLC的适应性和可靠性。4.与个人计算机日益紧密结合个人计算机的价格便宜,有很强的数据运算、处理和分析能力。目前,个人计算机主要用做PLC的编程器、操作站或人/机接口终端等。在工业控制现场,可以将PLC与加固型的工业计算机连接在同一网络上,这种网络价格低、用途广,已经得到了广泛使用。将可编程控制器计算机化,使大型可编程控制器具备个人计算机的功能,是PLC另一发展趋势。这类PLC采用功能强大的微处理器和大容量的存储器,将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通信功能紧密结合在一起。可编程控制器与个人计算机、工业控制计算机、分散控制系统在功能和应用方面互相渗透,互相融合,使控制系统的性能价格比不断提高。5.编程语言趋向标准化与个人计算机相比,以前可编程控制器的硬件、软件的体系结构是封闭的,而不是开放的。在硬件方面,各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用,通信网络和通信协议往往也不是专用的。各厂家PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致,有的甚至有相当大的差异,因此各厂家的可编程控制器互不兼容。为了解决这一问题,IEC制定了可编程控制器标准IECll31,其中IECll31-3中制定了编程语言的标准。目前,已有越来越多的工控产品厂商推出了符合IECll31—3标准的PLC指令系统或在个人计算机上运行的软件包,并提供多种编程语言供用户选择使用。一些公司也已做出规划,准备以个人计算机为基础,在Windows平台上开发符合IECll31—3标准的全新一代开放体系结构的可编程控制器。6.通信与联网能力不断增强可编程控制器的通信和联网功能可以使PLC与PLC之间、PLC与个人计算机等其他智能设备之间能够进行数字信息交换,形成一个统一的整体,实现分散控制或集中控制。现在,几乎所有的PLC产品都有通信联网功能,通过双绞线、同轴电缆或光纤,信息可以传送到几十公里远的地方;通过Modem和互联网,可以使PLC与世界上其他地方的计算机装置进行通信。目前,有的PLC使用专用的通信协议进行通信,或使用较多厂商支持的通信协议和通信标准,如现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担,PLC的通信功能日趋完善,使设备之间的通信能够自动周期性地进行,不需要用户为通信编程,用户的工作只是在组成系统时做一些硬件或软件上的初始化设置。1.2.4 PLC的应用范围由于PLC自身的特点和优势,在工业控制中PLC已得到了广泛应用,包括机械、冶金、化工、电力、运输、建筑等众多领域,应用范围也在不断扩大。PLC主要的应用领域包括以下几个方面。(1)开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制,从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。(2)模拟控制在工业生产过程中,由于许多连续变化的物理量需要进行控制,如温度、压力、流量、液位等,这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求,目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多,同时混有较多的开关量时,PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块,如PID模块,从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。(3)定时控制PLC具有很强的定时、计数功能,它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户设定。对于计数器,如果需要对于频率较高的信号进行计数,可以选择高速计数器。(4)数据处理新型PLC都具有数据处理的能力,它不仅能进行算术运算,数据传送,而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能,有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。(5)信号联锁系统信号联锁是安全生产所需的。在信号联锁系统中,采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统,而对其中的逻辑运算等,可采用冗余的PLC实现。(6)通信把PLC作为下位机,与上位机或同级的可编程序控制器进行通信,完成数据的处理和信息的交换,实现对整个生产过程的信息控制和管理,因此PLC是实现工厂自动化的理想工具。1.3 PLC的硬件结构1.3.1 PLC的一般组成工业自动控制中使用的PLC种类很多,不同类型的产品各有特点,但PLC在组成、工作原理及编程方法等许多方面是基本相同的。下面主要介绍其一般组成。PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,其硬件组成与微型计算机相似。一般地,PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器、I/O接口、电源及其他可选组件构成。前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的,一般称为PLC的基本组成部分,如图1-1所示。其他可选组件包括编程器、外存储器、I/O模块及通信接口等。图1-1 PLC的基本组成1.中央处理单元(简称CPU)中央处理单元是PLC的控制中枢,其性能决定了PLC的性能。CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路都集成在一块芯片上。PLC通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器和输入/输出接口电路相连。CPU主要具有以下作用。● 接收并存储用户程序和数据,用扫描方式通过输入/输出部件接收现场信号信息,并将输入状态或数据存入输入映像区或数据寄存器中。● 检查电源、存储器及PLC内部电路的工作状态,并诊断用户程序中的语法错误。● PLC进入运行状态后,从存储器逐条读取用户指令,经过命令解释后,按指令规定的任务进行数据传送,完成用户程序中规定的逻辑或算术运算,产生相应的控制信号去启动或关闭有关的控制电路以完成规定的操作。● 根据运算结果,更新状态标志位和数据寄存器的内容,经输出部件实现输出控制。2.存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路,主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据等。存储器由存储体、地址译码电路、读/写控制电路及数据寄存器组成。PLC中使用的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM及可擦除的只读存储器EPROM组成。存储器容量是衡量PLC性能的一个重要指标。3.输入/输出模块PLC的输入/输出信号分为开关量、模拟量和数字量三种。输入/输出模块是PLC与工业生产现场设备相连的桥梁。输入接口模块接收来自现场检测部件或其他部件传来的各种状态控制信号,由接口电路将这些信号转换为CPU能识别和处理的信号,并存入输入映像寄存器。输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来,以提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波、电平转移及信号锁存电路等。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件,用来将输出信号送给控制对象的输出接口。其作用是将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的功率信号,驱动被控设备的执行元件。开关量输出接口电路有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种类型。输出接口电路也使用了光电耦合技术,每一点输出都有一个内部电路,由指示电路、隔离电路和继电器组成。输出接口电路具有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排,有多种类型的输出部件或模块供用户选用。4.电源模块电源模块可将交流电转换成PLC内部所需的直流电。目前,大部分PLC采用可靠性较高、性能稳定的开关式稳压电源供电。PLC除上述基本的组成部分外,根据控制要求的不同还有多种外部设备可供选择,其作用是帮助编程、实现监控及网络通信等。1.3.2 S7-200的结构特点1.整体式结构早期的PLC一般采用整体式结构。采用整体式结构的PLC将CPU模块、输入/输出模块、电源模块及通信接口模块等基本模块紧凑地封装在一个机壳内,从而构成一个整体。一般地,微型、小型PLC采用整体式结构。主要特点包括以下几点。(1)结构紧凑简单,体积小,功能齐全,性价比较高。(2)I/O点数固定,使用不够灵活,用户难以根据实际需求优化PLC硬件系统的配置。(3)维修困难,故障影响面大。适用环境:适用于控制比较集中的工业现场。2.模块式结构在模块式PLC结构中,按PLC的各个组成部分可将PLC划分为不同的模块,并将这些模块独立地进行物理封装。划分的模块一般包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块。各个模块功能是独立的,外形尺寸是统一的,安装时将这些模块插在框架上或基板上即可,它们由系统自动进行寻址连接,插入什么模块可根据需要进行配置。大、中型PLC多采用模块式结构形式。主要特点包括以下几点。(1)组成灵活,适用于多种规模的控制。(2)I/O模块和I/O点数可调整,可以充分地利用硬件提供的功能,故障可以立即被隔离而不影响整个控制系统的功能。(3)结构较复杂,插件较多。适用环境:能够适应各种工业现场的分布式控制中。3.混合式结构混合式PLC综合了整体式PLC和模块式PLC的优点,由PLC主机和扩展模块组成。其中,PLC主机由CPU、存储器、通信接口电路、基本输入/输出电路及电源这些基本模块组成,相当于一个整体式PLC,可以单独完成控制功能。PLC主机几乎是任何一个控制系统所需要的最小组成,封装在一起是合理的;而扩展模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块、PID模块及联网控制模块等智能模块。各个模块之间通过总线进行连接,由主机模块统一管理。主要特点包括以下几点。集中了整体式和模块式的优点,扩充性良好,模块丰富,扩大了PLC的应用范围,改善了控制性能,所以混合式PLC得到了迅猛发展。适用环境:能够适用于各种复杂、恶劣的分布或集中环境。1.4 PLC的工作原理本节主要从循环扫描和I/O响应来讲述PLC的工作原理。1.4.1 循环扫描CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时, PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中完成以下5个扫描过程。(1)自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性,及时反映所出现的故障,PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器(Watchdog Timer,WDT)完成。WDT是一个硬件定时器,每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改,一般在100~200ms之间。其他的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。(2)与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通信扫描过程,这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。(3)用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的。用户程序的长短,会影响过程所用的时间。(4)读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的,运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映像寄存器,一个为输入映像寄存器;另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值,运算结果放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中, CPU把实际输入点的状态锁存到输入映像寄存器:在输出扫描过程中,CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便,PLC具有I/O控制功能,用户可以通过编程器封锁或开放I/O。封锁I/O就是关闭I/O扫描过程。在读输入阶段,CPU对各个输入端子进行扫描,通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段,CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描,根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序,同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间,即使输入端子状态发生变化,输入映像寄存器的内容也不会改变,输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入。在写输出阶段,将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器,再经输出电路传递到输出端子。由上述分析,得出循环扫描有如下特点。(1)扫描过程周而复始地进行,读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。(2)输入映像寄存器的内容是由设备驱动的,在程序执行过程中的一个工作周期内,输入映像寄存器的值保持不变,CPU采用集中输入的控制思想,只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。(3)程序执行的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出物理端子的输出值,而在程序执行阶段,输出映像寄存器的值既可以作为控制程序执行的条件,同时又可以被程序修改用来存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值,这是与输入映像寄存器完全不同的。(4)对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件,所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的,最后一次的修改决定了下一个周期的输出值,这是编程人员要注意的问题。(5)各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟,这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施,编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚,它是进行PLC选型时的重要指标。输入/输出采用映像寄存器结构的优点如下:(1)集中I/O,程序扫描期间输入值固定不变,程序执行完后,统一输出。这种集中I/O的方法保证了程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一,使系统更加稳定可靠。(2)程序执行时,存取映像寄存器要比直接读取I/O端点快得多,这样可以加快程序的执行速度。(3)I/O点必须按位存取,而映像寄存器可按位、字节、字、双字灵活地存取,增加了程序的灵活性。从以上对扫描周期的分析可知,扫描周期的时间变化基本上可分为三部分,即保证系统正常运行的公共操作、系统与外部设备信息的交换和用户程序的执行。第一部分的扫描时间基本上是固定的,因机器类型而有所不同;第二部分并不是每个系统或系统的每次扫描都有,占用的扫描时间也是变化的;第三部分随控制对象工艺的复杂程度和用户控制程序而变化。因此这部分占用的扫描时间不仅对不同系统其长短不同,而且对同一系统的不同执行条件也占用着不同的扫描时间。所以,系统扫描周期的长短,除了因是否运行用户程序而有较大的差别外,在运行用户程序时也不是完全固定不变的。这是由于在执行程序中,随变量状态的不同,一部分程序段可能不执行而形成的。用户程序的扫描时间主要由CPU的运算速度和程序的长短决定。1.4.2 I/O响应时间由于PLC采用循环扫描的工作方式,而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的固定时间集中输入/输出,所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长,滞后现象越严重。对慢速控制系统这是允许的,当控制系统对实时性要求较高时,这就成了必须面对的问题,所以编程者应对滞后时间有一个具体数量上的了解。从PLC输入端信号发生变化到输出端对输入变化做出反应,需要一段时间,这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间。响应时间由输入延迟、程序执行时间和输出延迟三部分决定。(1)PLC输入电路中设置了滤波器,滤波器的常数越大,对输入信号的延迟作用就越强。输入延迟是由硬件决定的,有些PLC滤波器时间常数可调。(2)从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟,对各种不同的输出形式,其值大小不同。它也是由硬件决定的,对于不同型号的PLC,其具体数值可通过查表得到。(3)程序执行时间主要由程序的长短来决定,对一个实际的控制程序,编程人员须对此部分时间进行现场测算,使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。在最有利的情况下,输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间,称为最小I/O响应时间。在最不利的情况下,输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻,造成在下一个输出锁定时才能被响应,这就需要两个扫描周期时间,称为最大I/O响应时间。它们是由PLC的扫描执行方式决定的,与编程方法无关。对一般的工业控制系统,这种滞后现象是完全允许的。同时可以看出,输入状态要想得到响应,开关量信号宽度至少要大于一个扫描周期才能保证被PLC采集到。当然,现在的PLC加强了快速响应和输入脉冲捕捉的功能,保证了各种宽度的开关量都能被准确地采集到。1.5 S7产品特点与性能指标1.5.1 S7-200新一代产品西门子公司在2004年8月28日举行了新一代S7-200产品发布会,推出了升级产品CPU 224和CPU 226,全新产品CPU 224XP和TD 200C,以及编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0和OPC服务器软件PC Access VI.0。1.CPU 224和CPU 226最新升级的CPU 224和CPU 226完全兼容老产品,运算速度提高了40%,程序存储区扩大了50%,数据存储区扩大了60%,可以选择在线程序编辑。2.全新产品CPU 224XP和TD 200C全新产品CPU 224XP除了具备升级CPU的特性外,还集成有2路模拟量输入(10位, ±DCiOV),1路模拟量输出(10位,DC0~10V或0~20mA),有2个RS-485通信口,高速脉冲输出频率提高到100kHz,2相高速计数器频率提高到100kHz,有PID自整定功能。这种新型CPU增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集(远程终端应用),以及通信方面的功能。新的CPU产品增强了位置控制功能,极大地提高了S7-200在步进电机和伺服系统应用中的位置控制特性。新增的PID自整定功能增强了S7-200在过程控制(如温度控制或压力控制)方面的能力,使PID调试变得更加简单容易。新增的数据记录指令可以轻松实现数据记录功能,读取并永久保存设备或过程的信息。许多制造或控制过程需要经常改变公式或配方,因此需要存储的信息量经常超过S7-200 CPU变量寄存器的存储量,新增的配方指令则能实现配方功能。S7-200 PLC还提供包含时间标记和事件标志的事件记录,以堆栈“后进先出”的原则存储在缓冲区中。每次上电、每次由STOP到RUN的转换和每次致命错误都会保存在事件记录中。新增的特殊存储卡能够持久保存数据记录和配方。S7-200的文本显示器TD 200C包括标准TD 200的基本操作功能,同时它又允许用户建立特别的可定制的面板设计,另外增加的一整套新的功能使得ID 200C成为功能更强的文本显示器。新一代TD200C提供了非常灵活的键盘布置和面板设计。使用V 4.0版编程软件的键盘设计工具可轻松实现按键的布局,选择多达20种不同形状、颜色和字体的按键,背景图像可以任意变化。3.编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0STEP 7-Micro/WIN V 4.0是S7-200 PLC系列产品的最新版编程软件,包括的升级功能有PID自整定控制面板、超级项目树形结构、状态趋势图、PLC历史记录和事件缓存区、项目文件的口令保护、存储卡支持、TD 200和TD 200C支持、PLC内置位置控制向导、数据归档向导、配方向导、PTO指令向导、诊断LED组态、数据块页、新的字符串和变量。STEP 7-Micro/WIN V4.0的兼容性极强,支持当前所有S7-200 CPU 22x系列产品。增加了数据记录指令、配方指令、PID自整定指令、夏令时指令、间隔定时器指令、诊断LED (DIAG—LED)指令、线性斜坡脉冲指令等。新增的字符串变量和间接寻址功能支持更多的存储类型,改进了读写西门子变频器参数的USS库函数,还改进了数据块、数据块页和数据块自动增量功能。4.OPC服务器软件PC Access VI.0PC Access VI.0是专为连接S7-200 PLC和S7-200通信模块而设计的OPC服务器。它支持所有的S7-200数据形式,STEP 7-Micro/WIN PLC编程软件中的符号都可以轻松移植到PC Access项目中。PC Access还有外语安装选件,支持多PLC连接及任何一种标准的OPC客户机,并且支持所有的S7-200协议。PC Access内置的客户机测试允许编程者迅速进行变量的在线测试,用户可以利用示例模板建立项目。1.5.2 S7-300产品简介如图1-2所示,S7-300采用模块式结构,用搭积木的方式来组成系统。模块式PLC由机架和模块组成。S7-300是模块式的中、小型PLC,适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务,用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块,维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时,可以增加模块,对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力,使其应用十分灵活。图1-2 S7-300产品模块结构图S7-300的CPU模块(简称为CPU)集成了过程控制功能,可用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口,有的还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PTP串行通信接口,S7-300不需要附加任何硬件、软件和程序,就可以建立一个MPI网络。如果有PROFIBUS-DP接口,就可以建立一个DP网络。1.5.3 PLC的性能指标一台PLC性能的优劣只有结合各项指标,才能真正地做出评价与衡量。下面介绍PLC的几项主要的性能指标。1.存储容量PLC内存包含用户存储器和系统存储器两大部分。用户存储器主要用来存储用户程序。系统存储器是与CPU配置在一起的。用户存储器的大小与可存储的用户程序量有关,它决定了用户所编制程序的长短,内存大,可存储的程序量大,也就可以完成更复杂的控制。从发展趋势看,用户内存容量总是在不断增大的。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般在2KB~2MB之间。系统内存对于用户来说,主要体现在PLC能提供多少内部逻辑器件或功能。不同的内部器件占据系统内存的不同区域。虽然实际中没有这些器件,但PLC中固化了这些器件的功能。通过运行程序进行使用时,PLC给使用者提供的却是实实在在的这些器件的功能。2.I/O点数I/O点数指的是所能支持的最多可访问的I/O端子数,一般大于PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多,外部可连接的I/O器件就越多,控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。3.扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的快慢,是一个重要的性能指标,体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看,它决定了系统的实时性和稳定性。4.指令的多少它是衡量PLC能力强弱的指标,决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱,限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。5.内部寄存器的配置和容量它直接对用户编制程序提供支持,对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。6.扩展能力扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。7.特殊功能单元特殊功能单元种类多,也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制及联网功能单元等。1.6 本章小结作为本书第1章,本章简要介绍了PLC的基本概念、PLC特点分类及发展应用、PLC的硬件结构、工作原理、S7产品特点与性能指标。通过本章学习,读者将了解PLC的一些基础入门知识,为下面的模块程序与综合系统设计打下一定的基础。第2 章PLC编程基础本章将介绍关于PLC编程的一些基础知识,首先介绍数制知识。2.1 数制要进行PLC系统的设计和编程,用户需要有一定二进制运算的基本知识。读者应该很熟悉常用的十进制系统。它是一个位加权系统,数字中的每一位都是它右边这一位的十倍。在十进制系统中,十个不同的符号代表这一位的值(0到9)。例如,十进制数4896可以如图2-1所示进行按位分解。图2-1 十进制系统在二进制系统中,同样有位加权系统。二进制系统是基于2的幂,所以每一位的值是它右边这一位的2倍,如图2-2所示。二进制系统只有两个符号,即0和1。二进制常用于数字系统,因为数字系统只有两种状态。关状态用0V表示,即二进位中的0;开状态用5V表示,即二进位中的1。二进制计数级数的前4位如表2-1所示。图2-2 二进制系统表2-1 二进制 十进制 十六进制转换表2.1.1 二进制转换成十进制将一个二进制数转换成对等的十进制数,只需要将符号为1的这些位的位值相加,如图2-3所示。2.1.2 十进制转换成二进制十进制换成二进制有好几种方法,这里只介绍其中的一种。将十进制转换成二进制时,先将二进制的位值逐渐增大,直到位值大于要转换的十进制数为止;然后从十进制数中减去所允许的最高的二进制位值。对于每一个能减去的位值,就在相应的位上置1。对于每一个不能减去的位值,就在相应的位上置0。注意:像十进制一样,在二进制中,最后的数字也省略前面的零。一种快速检查答案的方法是看它是奇数还是偶数。如果转换后的十进制数是奇数,那么二进制数最小的有效位应该为1;如果转换后的十进制数是偶数,那么二进制数最小的有效位应该为0。图2-3 二进制数转化为十进制数2.1.3 二进制加法在十进制加法中,如果位值的和大于9,就会产生一个进位。在二进制加法中,如果位值的和大于l,就会产生一个进位。2.1.4 二进制减法在十进制减法中,当减数的位值大于它被减数上对应的位值时,被减数可以从它的左边位借个10。在二进制减法中,同样可以从被减数左边位借位,但借的值是2。2.1.5 十六进制系统在使用二进制数时,大多数人都害怕面对一长串的1和0。PLC中的大部分地址都是16位的。假设你想要同事看某一个PLC地址,并大声地说出下列二进制数字。和大部分人一样,你会觉得口头表达这么长的二进制数非常困难。鉴于这个原因同时也为了更方便地显示二进制数,工程师们开发了一种可选的数制系统,即十六进制。这种可选的数制系统并不改变二进制数的值,它只是更易于数字的显示和表达。在十六进制系统中,所有的二进制数按4位一组划分,然后每一组赋一个单个的数值。十六进制数字级数如图2-4所示。注意,9以后就变成了字母字符。图2-4 十六进制数字级数要把一个二进制数变为十六进制,首先将这个二进制数按4位一组进行分组,然后给每一组赋一个十六进制的值。注意:二进制的值并没有改变,它只不过采用了一种更清晰的表示方法。要将十六进制数转换回二进制,逆转这个过程,将每个十六进制数转换成对应的4位二进制位形式即可。2.1.6 带点分隔符的十进制记数法随着用户对PLC系统的深入了解,肯定会遇到需要将几个PLC系统连接起来的情况。让几个PLC系统相互通信的一种方法是通过Ethernet(以太网)将它们连在一起。每个以太网设备需要一个独立的IP地址。IP地址是32位的二进制数,通常用带点分隔符的十进制记数法表示。用带点分隔符的十进制记数法来表示一个32位的二进制数时,要先将这个二进制数拆成4个8位二进制组,然后每8位转换成0到255之间的一个十进制数。4个十进制数之间用实心句点分开。网络的IP地址经常需要在二进制和带点分隔符的十进制之间相互转换。2.2 二进制逻辑函数下面具体介绍4种二进制逻辑函数,即非、与、或和异或。2.2.1 “非”函数(反码)图2-5给出的符号是非门或反码逻辑函数。逻辑符号的右边是真值表,其中显示了每种输入状态对应的输出状态。图2-5 非门(反码)的逻辑符号及其真值表反码函数用于二进制运算。下面的例子说明一个寄存器内二进制值及其反码。要找到任何一个二进制数的反码,必须对该数的每一位取反。2.2.2 “与”函数(AND)图2-6显示了“与”的逻辑符号及其真值表。该逻辑符号有A、B两个输入和一个输出C。从真值表可以看出,只有A和B的值都为1时,C的值才为1。与前面一样,真值表给出了所有可能的输入和输出状态。图2-6 “与”逻辑符号及其真值表在逻辑设计中,“与”函数可以多于两个输入,但只有当所有输入的值都为1时,输出才为1。“与”函数也用于二进制运算。通常用这个函数将寄存器的一部分清零,而保留寄存器中其余部分的内容。也就是说,可以将寄存器的某一位或一些位清零,但不影响寄存器中的其余位。任何与1相“与”的位保持不变,与0相“与”的位变为0。“与”函数的另一个用途是测试寄存器中的某一个位是否为l。这个函数的使用方法是,将寄存器与一个除被测试位外其余位全为0的字进行“与”运算,在被测试位置处置1。如果最后结果全为0,说明这一位没被置高位;如果结果不为0,则说明这一位被置高位。2.2.3 “或”函数(OR)图2-7给出了“或”的逻辑符号及其真值表。它有A和B两个输入,一个输出C。从真值表可知,当A或B中的一个值或两个值同时为1时,输出C值为1。真值表展示了这种逻辑函数所有可能的输入和输出情况。图2-7 “或”逻辑符号及其真值表在逻辑设计中,“或”函数也可以有两个以上的输入。不管有多少个输入,输入中任何一个值为1,输出就为1。“或”函数在二进制运算中用于将寄存器中的一个位或一组位置高位,但不改变寄存器中的其余位。2.2.4 “异或”函数(XOR)图2-8 “异或”逻辑符号及其真值表图2-8显示了“异或”的逻辑符号以及真值表。注意,除了最后这个状态,其余的状态和“与或”函数是一样的。如果A或B的值为1,但不是两个同时为1时,“异或”的输出为1。异或逻辑函数在二进制运算中用来比较两个寄存器的值是否相等。例如有一个计数寄存器,如果想知道什么时候计数值到达预置值,就可以用“异或”函数。如果把计数器的值与预置值相“异或”,结果为0,那就表明两个寄存器的值相等;其他任何值都表示两个值不等。2.3 PLC的编程语言PLC的技术发展背景及主要应用场合决定了它在软件开发上的特点,即有一套独特的编程语言和专门的指令系统。PLC是专为工业自动控制而开发的装置,主要使用对象是广大工程技术人员及操作维护人员。为了满足他们的传统习惯和掌握能力,PLC通常不直接采用微机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。2.3.1 PLC编程语言的国际标准世界性组织IEC(国际电工委员会)于1994年5月公布了可编程控制器标准(IECll31),该标准鼓励不同种类的PLC制造商提供在外观和操作上相似的指令。该标准的第三部分(IECll31—3)是PLC的编程语言标准,目前已有越来越多的PLC厂家提供符合IECll31-3标准的产品。IECll31—3标准中定义了下面5种PLC编程语言的表达方式。● 梯形图LAD(Ladder Diagram);● 语句表STL(Statement List);● 功能块图FBD(Function Block Diagram);● 结构文本ST(Structured Text);● 顺序功能图SFC(Sequential Function Chart)。

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