PLC与IPC

null IPC与PLC IPC与PLC1.IPC的结构组成、总线技术和模板结构化。 2.IPC的功能特点与主要模板。 3.PLC的结构组成、工作过程和功能特点。 4.S7-200系列PLC的系统组成与主要模块。 本章主要内容本章主要内容11.1 IPC结构组成 11.2 IPC总线结构 11.3 IPC功能特点 11.4 IPC产品简介 11.5 PLC结构组成 引言null11.7 PLC工作过程11.6 PLC编程语言11.8 PLC功能特点11.9 PLC产品简介思考题本章小结null 在采用计算机的工业生产过程中，特别 是对于具有一定规模的工程项目而言，出于 可靠性实时性好、功能丰富配套完善与扩充 控制系统灵活开发周期短的考虑，人们更愿 意选用专用于工业控制的现成的通用控制计 算机。 工业控制机IPC与可编程控制器PLC是应用 十分广泛但结构显著不同的两种计算机控制系 统。它们不仅在中小型控制系统中担当主要控 制装置，而且还可以作为大型网络控制系统中 最基层的一种控制单元。11.1 IPC结构组成11.1 IPC结构组成 主要内容 前言 11.1.1 硬件组成 11.1.2 软件组成 前言前言 随着计算机设计的日益科学化、合理化和标准化，计算机总线概念与模板化结构已经形成且完善起来。IPC在硬件上，由计算机生产厂家按照某种标准总线，设计制造出符合工业标准的主机板及各种I/O模板，所以控制系统的设计者只要选用相应的功能模板，象搭积木似的、灵活地构成各种用途的计算机控制装置；而在软件上，利用熟知的系统软件和工具软件，编制或组态出相应的应用软件，就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理，并进一步向综合自动化网络化方向发展。 11.1.1 硬件组成 11.1.1 硬件组成 为了提高IPC的通用性、灵活性和扩展性，IP的各部件均采用模板化结构，即在一块无源的并行底板总线上，插接多个功能模板即组成了一台IPC的硬件装置。其硬件组成框图如图11-1所示，除了构成计算机基本系统的CPU、RAM/ROM主机、人机接口、系统支持、磁盘系统、通信接口板外，还有AI、AO、DI、DO等数百种工业I/O接口板可供选择。其选用的各个模板彼此通过内部总线相连，而由CPU通过总线直接控制数据的传送和处理。下面分别介绍各个组成部分。 null图11-1 IPC的硬件组成框图null1．内部总线和外部总线 内部总线是IPC内部各组成部分进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。常用的内部总线有PC总线、STD总线，以及VME总线和MULTIbus等总线。 外部总线是IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公共通道。常用的外部总线有RS-232C、RS-485和IEEE－488通信总线等。2．主机板 主机板由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM） 等部件组成，它是IPC的核心null3．人-机接口 人机接口是人与计算机交流的一种外设。它由标准的PC键盘、鼠标、显示器和打印机等组成。4．系统支持板 IPC的系统支持板主要包括如下部分： （1）程序运行监视系统，即看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动恢复运行。 （2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉电后，立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态。 （3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池的SRAM、NOVRAM、EEPROM，能在系统掉电后保证数据不丢失。 null （4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功 能和自动 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 某个控制是在何时发生的。5．磁盘系统 磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘。6．通信接口 通信接口是IPC和其它计算机或智能外设的接口，常用的接口有RS－232C、RS-485和IEEE－488等接口。null7．输人输出模板 输入输出模板是IPC和生产过程之间信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入（AI或A/D）模板、模拟量输出（AO或D/A）模板，数字量输入（DI）模板、数字量输出（DO）模板等种类。 由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种类、个数、精度、干扰等等，因而其该类模板是系统中性能差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为丰富的一种。在前几章（第2、3、4、8章）讨论过的接口电路技术就是此类模板的构成基础，也是选用这类模板性能指标的理论依据。11.1.2 软件组成 11.1.2 软件组成 IPC的硬件构成了工业控制机系统的设备基础，要真正实现生产过程的计算机控制，必须为硬件提供或研制相应的计算机软件，即把人的知识逻辑与控制思维加入计算机中，才能实现控制任务。在工业控制系统中，软件可分为系统软件、工具软件和应用软件三大部分，有时也将工具软件归于系统软件。null1．系统软件 系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务，包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序等，其中操作系统是系统软件最基本的部分，如MS-DOS和Windows等系统软件。2.工具软件 工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等，借以提高软件生产效率，改善软件产品质量。 null3．应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序，它往往涉及应用领域的专业知识。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和控制程序等。当今工业自动化的发展趋势是计算机控制技术的控制与管理一体化，以便适应不断变化的市场需求。而工业控制的应用软件就起着关键性的作用，因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点。 现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件，如数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件等，这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台。11.2 IPC总线结构 11.2 IPC总线结构 主要内容 前言 11.2.1 内部总线 11.2.2 外部总线前言 前言 IPC的模板结构正是依存于它的总线结构。总线是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号特性、电气特性和机械特性。使计算机箱内各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号联系，进行信息传送和通信。因此总线是IPC的重要组成部分，它分内部总线与外部总线两种。 11.2.1 内部总线 11.2.1 内部总线 内部总线是指IPC内部各个功能模板之间的信息通路，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽，也称为系统总线。尽管各种总线的引线数目不同，但按功能都是分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB和电源总线PB四大部分。 null 内部总线是一块置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽，各插槽上的同号引脚是电气相连的，从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送（可参见后面的图11-4）。显然，内部总线对计算机设计者和用户都是十分重要的一种设计标准。采用总线标准设计、组装的计算机模板与设备的兼容性很强，因为接插件的机械尺寸、各引脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等都遵守统一的总线标准。 由于历史的原因，存在着多种总线标准。目前工控领域里应用最广的两种总线是STD总线和PC总线。null1. STD总线 STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线，STD是Standard的缩写。该总线结构简单，全部56根引脚线都有确切的定义。STD总线定义了一个8位微处理器总线标准，其中有8根数据线、16根地址线、22根控制线和10根电源线，可以兼容各种通用的8位微处理器，如8080、8085、6800、Z80、NSC800等。通过采用周期窃取和总线复用技术，还可以定义16根数据线、24根地址线，使STD总线升级为8位/16位微处理器兼容总线，可以容纳16位微处理器，如8086、68000、80286、80386等。null 表11-1列出了STD总线的56根引脚分配，其中：电源线和辅助电源线为引脚1~6和53~56，数据总线为引脚7~14、地址总线为引脚15~30、控制总线为引脚31~52。null表11-1 STD总线56根引脚分配 null 1987年，STD总线被国际标准化会议定名为IEEE961。随着32位微处理器的出现，通过采用附加金手指或系统总统与局部总线转换等技术，1989年美国的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线。 STD总线IPC由于具有小模板结构、开放式结构和兼容式总线结构的几大优点，以及价格较低，因而成为20世纪八、九十年代的主流机型。null2．PC总线 PC总线是IBM PC总线的简称，PC总线因IBM PC及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准。PC总线IPC，或称为工业PC机即IPC，即是脱胎于IBM PC机发展起来的。 IBM PC总线共有62根引脚线，其CPU是Intel公司准16位的8088或16位的8086，随着CPU的更新换代，PC总线也随之扩充，诸如支持80286CPU的ISA总线、支持80486和奔腾系列的PCI、VESA总线等。null表11-2 PC总线62根引脚分配 null 表11-2列出了PC总线的62根引脚分配，其中：电源线和辅助电源线为11根，数据总线为8根，地址总线为20根，控制总线为21根，另外还有外态线2根，即I/O（I/O通道检查）、I/O CH RDY（I/O通道准备好）。 PC总线IPC由于既兼顾了STD总线IPC的抗干扰性能，又与PC机及其不断升级的硬软件资源完全兼容，因而近年来已成为工控领域中的主流机型。11.2.2 外部总线 11.2.2 外部总线 外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路，常称为通信总线。通信总线的数据传输方式可以是并行的，也可以是串行的，可分别称为并行通信总线和串行通信总线。详见第10章。 11.3 IPC功能特点 11.3 IPC功能特点 IPC是一种专用于工业场合下的控制计算机。一方面工业环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘，以及电磁干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一方面工业生产过程因行业、原料、产品的不同，而使生产过程、工艺要求也五花八门。这些都是工业自动化控制中要解决的重要课题。由于IPC采用了总线技术和模板化结构，再加上采取了多重抗干扰 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，因而使IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点。 null1.可靠性和可维修性好 可靠性和可维修性是生产过程中两个非常重要的先决因素，它们决定着系统在控制上的可用程度。可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、简单方便。 null IPC把计算机系统的各种功能分解到每一块只具备单一功能的模板上。而模板结构的小型化，使之机械强度好，抗震动能力强；模板功能的单一，便于对系统故障的诊断与维修，甚至可作到模板的带电插拔；模板的线路设计布局合理，即由总线缓冲模块到功能模块、再到I/O驱动输出模块，使信号流向基本为直线到达，降低了信号间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施，如密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统支持板等等。所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了系统的可靠性和可维护性。null2．通用性和扩展性好 通用性和扩展性也是生产过程中两个重要的因素，它们关系着系统在控制领域中的使用范围。通用性的简单含义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控制，扩展性是指当工艺变化或生产扩大时，IPC能灵活地扩充或增加功能。 IPC针对各种控制对象进行分析与综合后，设计出几大类上百个不同功能的输入输出模板，足以满足各种需求。比如某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品：二阶有源低通滤波器板，4路/8路热电阻信号调理板，16路差分输入I/V变换板，32路单端输入I/V变换板，64路带光隔模拟量输入扩展板，等等。 null 所以通过对模板品种和数量的选择与组合，并插入底板总线插槽，就十分方便地配置成不同生产过程所需IPC。其灵活性、通用性和扩展性显而易见。3．软件丰富编程趋向组态 IPC已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的工具软件以及各种控制软件包。工业控制软件正向结构化、组态化方向发展，详情见第13章。4．控制实时性强 IPC配有实时操作系统和中断系统，因而具有时间驱动和事件驱动能力，能对生产过程的工况变化实时地进行监视和控制。null5．精度和速度适当 一般生产过程，对于精度和运算速度要求并不苛刻。通常字长为8～32位，速度在每秒几万次至几百万次。但随着自动化程度的提高，对于精度和运算速度的要求也在不断提高，IPC相应地也配有不同层次的机型。 总之，总线式IPC具有小型化、化、标准化模板化、组合的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是中等规模的控制系统中。 11.4 IPC产品简介11.4 IPC产品简介主要内容 前言 11.4.1 工业计算机机箱 11.4.2 工业底版 11.4.3 工业级CPU卡 11.4.4 PCI总线I/O卡前言 前言 目前国内外生产总线式IPC的专业厂家很多，著名品牌比比皆是，如爱瑞、研华、研祥、凌华、中泰、康泰克、康拓、威达、华控、浪潮等等。现以深圳研祥工控集团研制的PC总线工业计算机产品为例作一 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。 null 研祥的PC总线工业计算机共有14种系列：工业计算机机箱，工业一体化工作站，工业平板电脑/显示器，便携式工业计算机，工业级CPU卡，工业级底板，工业计算机外设，亚当系列远端数据采集与控制模块，基于ISA总线数据采集与控制卡，基于PC总线数据采集与控制卡，端子板和附件，工业通信，应用软件等；每一种系列又有几种至十几种规格型号。以下简单介绍公司的几种产品。11.4.1 工业计算机机箱 11.4.1 工业计算机机箱 研祥的机箱按带不带底板和电源、安装形式是桌面、壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题，又可分为二十几种型号。图11-2为IPC-810/811型号的14槽上架型计算机机箱。null图11-2 IPC-810/811机箱null 其产品特性为：19“上架型, 符合EIA RS-310C标准，14槽ISA/PCI/PICMG无源底板，提供三个3.5”和两个5.25“磁盘驱动器空间，前面板带电源开关，CPU复位按钮，键盘锁开关，电源开关LED和HDD LED，防尘带锁门保护控制部件，前后面板均带键盘接口，防止插卡振动的防震压条，支持PS/2规格电源，尺寸177(高) ×482(宽) ×452(深)mm，支持ATX母板。11.4.2 工业级底板 11.4.2 工业级底板 研祥的底板按插槽种类、槽数多少、电源种类以及配置不同等问题，又可分为三十几种型号。图11-3为IPC-6114P4A型号的14槽底板。 产品规格为：最大扩展槽14，最大分段1，ISA槽9，PCI槽4，PICMG槽1，电源LED ±5V,±12V,+3V，可能配置 14(1-PCI系统)，尺寸(mm) 322×300。null图11-3 IPC-6114P4A 14槽底板11.4.3 工业级CPU卡 11.4.3 工业级CPU卡 研祥的CPU卡按CPU种类、存储器容量、显示方式、主板长短以及I/O接口不同等问题，又可分为十几种型号。图11-4为IPC-586VDNH(GX)CPU卡。 null图11-4 IPC-586VDNH(GX)CPU卡null1．产品简介 IPC-586VDNH（GX）采用美国国家半导体公司低功耗586级处理器GX1系列设计，单5V供电，板上集成了VGA/LCD控制器，支持18bit TFT显示；作为486及以下主板替代产品，IPC-586VDNH（GX）支持168-pin内存（代替30线、72线旧产品），网络接口升速至100Mbps，增加了两个广泛使用的USB接口，处理器达到586多媒体级性能，在0~60℃工作范围内无需风扇，极大提高了系统的可靠性。IPC-586VDNH（GX）既可通过工业底版机箱组成工业级应用产品，也可作为嵌入式单板使用。可广泛应用于工业产品、仪器仪表、Internet设备、各种智能仪 器仪表。 null2．产品规格 总线类型：ISA总线半长卡 处理器：板上增强型低功耗NS GXLV 2.2V 200/233MHz CPU，无需CPU 风扇可正常工作 系统芯片集：NS Cx5530A 系统内存：168pin DIMM×1，最大128MB内存 BIOS：Award PnP BIOS 在板视频：NS CX5530 支持CRT/LCD显示，显示内存1.5MB~4MB，分辨率 1024×768×24bpp（CRT）、1024×768×18bpp（LCD）、18bit TFT LCD接口 null在板LAN：RTL8139C 10/100M Ethcrnet 控制器，RJ-45接口 固态盘接口：M-System DiskOnChip flash盘 IDE控制器：一个Ultra DMA33通道，可接2个设备 USB接口：2个USB接口 多I/O接口：PC97317I/O接口芯片，一个FDD接口，一个并口，一个RS-232接口，一个RS-232/422/ 485接口，一个键盘，一个鼠标接口，一个115Kbps IrDA接口 电源：+5V单电源 扩充总线：PC/104扩充总线 外形尺寸：185mm×122mm 工作温度：0~60℃ 相对湿度；5%~90%，非凝结11.4.4 PCI总线I/O卡 11.4.4 PCI总线I/O卡 研祥的I/O卡按模拟量输入路数与极性、采样速率、模拟量输出范围以及数字I/O通道的不同等问题，又可分为十余种型号。图11-5为PCI-64AD系列数据采集与控制卡 null图11-5 PCI-64AD系列I/O卡null1．特性： 32位PCI总线, 即插即用 64路单端或32路双端模拟输入通道 双极性模拟输入范围 板上A/D1K字FIFO内存 自动扫描通道选择 最高至100KHz采样速率 可编程增益 ×1，×10，×100，×1000 3个触发模式: 软件触发, 定时器触发和外部触发 16通道DI和16 DO 紧凑型, 半长PCBnull2.规格： 模拟量输入(A/D) 转换器和分辨率:12位ADS774或兼容芯片 通道数：64 S.E./32D.I. 模拟信号输入范围（软件控制）： 增益 =100或1000时，精度为0.02% ±1LSB 输入阻抗:：10M 触发模式：软件、定时触发或外部触发 数据传输：程序控制、中断 FIFO大小：1024字 null3．可编程计数器 器件：8254 A/D定时触发器: 32位定时器(两个16位计数器 级连), 带一个2MHz的时基. 定时触发器输出: 0.00046Hz--0.5MHz 4．通用规范 工作温度：0 ~55°C 储存温度：-20 ~ 80°C 湿度：5 ~ 95% 无凝结 功耗：+5V ，600mA典型值；+12V，100mA典型值 尺寸：紧凑型, 107mm×172mm null5．数字I/O 输入通道数：16 DI 输出通道数：16 DO 信号类型：TTL兼容11.5 PLC结构组成11.5 PLC结构组成主要内容 前言 11.5.1 CPU模块 11.5.2 I/O模块 11.5.3 编程装置 11.5.4 电源 11.5.5 PLC的物理结构前言 前言 与IPC在功能应用上并驾齐驱而又在结构组成上大相径庭的是可编程控制器，即PLC。由于其自身一方面向高性能、高速度、大容量发展，一方面又注重发展微型机，以及智能型I/O模块和分布式子系统，从而使PLC成为应用场合最多、使用最普及的另一种通用工业控制装置。 尽管目前世界上出现了几十种品牌的PLC，而且它们的指令系统与编程语言都不相同，但其结构组成却大致一样。如图11-6所示，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源等组成。 null图11-6 PLC的结构及系统11.5.1 CPU模块 11.5.1 CPU模块 　　 在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。 1．CPU芯片 　　 CPU芯片负责输入/输出处理、程序解算、通信处理等功能。一般PLC使用下列CPU芯片：null（1）通用微处理器，如Intel公司的8086、80186到Pentium系列芯片。 （2）单片微处理器（单片机），如 Intel公司的 MCS-96系列单片机。 （3）位片式微处理器，如 AMD 2900系列位片式微处理器。2．存储器 　　存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器用来存放PLC的系统软件，用户程序存储器用来存放I/O状态及用户程序。nullPLC使用以下几种物理存储器：（1）随机存取存储器RAM 　 用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，在电源中断后，储存的信息将会丢失。 　 RAM的工作速度高，价格便宜，改写方便。在关断PLC的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2~5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号，通知用户。现在部分PLC仍用RAM来储存用户程序。null（2）只读存储器ROM 　 ROM的内容只能读出，不能写人。它是非易失的，在电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放PLC的系统程序。（3）可电擦除可编程的只读存储器EEPROM 　 它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据。11.5.2 I/O模块 11.5.2 I/O模块 　　　 输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 null　 CPU模块的工作电压一般是5VDC，而PLC的输人/输出信号电压一般较高，如 24VDC或220VAC。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响PLC的正常工作。在I/O模块中，用光耦隔离器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路或负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 　 各I/O点的通断状态均用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。null1．输入模块 　 输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10~20ms（信号上升沿）和20~50ms（信号下降沿），输入电流为数毫安。 　 交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V、220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。null　 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0.5～2A，负载电源由外部现场提供。 　 晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。　　除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入、输出的点数一般相同，这使用户在确定PLC系统的硬件配置上更为方便。 11.5.3 编程装置 11.5.3 编程装置 　　 编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维修。null　 现在多数情况是使用基于个人计算机PC的编程软件，可以在电脑屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。 　 可以用编程软件设置PLC的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。11.5.4 电源 11.5.4 电源 　　 PLC使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、±l2V、24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。11.5.5 PLC的物理结构 11.5.5 PLC的物理结构 1．整体式PLC 　　 整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体式结构。 　　 整体式PLC是将图11-6中的CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元，如德国西门子的S7-200系列PLC，如图11-7所示。图中的“前盖”下面有RUN/STOP开关、模拟量电位器和扩展I/O连接器。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用不同型号的I/O扩展单元来改变输入/输出的通道点数。 　　 整体式PLC还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使PLC的功能得到扩展。null图11-7 S7-200 PLCnull2．模块式PLC 　 大、中型PLC如西门子的S7-300和S7-400系列一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成，见图11-8。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架间用I/O扩展电缆相连。这种模块式结构类似于总线式IPC，不同的是IPC模板插装在封闭的机箱内，而PLC呈敞开型，一般架装在控制柜内。null图11-8 S7-400模块式PLCnull　 用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 　 整体式PLC每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中上一般采用整体式结构。但是模块式PLC的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式PLC。11.6 PLC编程语言 11.6 PLC编程语言 　　 国际电工委员会IEC于1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC113），该标准鼓励不同的PLC制造商提供在外观和操作上相似的指令。它由以下5部分组成：通用信息，设备与测试要求，编程语言，用户指南和通信。其中的第三部分（IEC1131-3）是PLC的编程语言标准。 　　 目前已有越来越多的生产厂家提供符合IEC1131-3标准的产品，有的厂家推出的在个人计算机上运行的“软件PLC”软件包也是按IEC1131-3标准设计的。null　 IEC1131-3详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言的表达方式： （1）顺序功能图（Sequential Function Chart）。 （2）梯形图（Ladder Diagram）。 （3）功能块图（Function Block Diagram）。 （4）指令表（Instruction List）。 （5）结构文本（Structured Text）。 　 标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD），两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。null1．顺序功能图（SFC） 　 这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。 　　顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件，如图11-9所示。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图程序。null图11-9 顺序功能图null2．梯形图（LD） 　 梯形图是用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。 　 梯形图是由触点、线圈和方框表示的功能块组成，如图11-10所示。触点代表逻辑输入条件，如I0.1、I0.2代表外部的开关、按钮，M0.3代表内部条件；线圈Q1.1（西门子公司是用大括号表示线圈）代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器或内部的输出条件；功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令，C5为增计数器。null　 在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直母线之间有一个左正右负的直流电源电压，S7－200的梯形图中省略了右侧的垂直母线。当图11-10中的I0.1与I0.2的触点接通，或M0.3与I0.2的触点接通时，有一个假想的“能流”（Power Flow）流过 Q1.1的线圈。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。同样，若I0.3触点接通，对计数器C5清零，若I0.3触点在不接通的状态中，每次Q1.1的上升沿，计数器C5将自动增加1。　 触点和线圈等组成的独立电路称为网络（Network），用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位，给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向一致。各网络按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。 　　使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC中。 null图11-10 梯形图null3．功能块图（FBD） 　　这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。如图11-11（a）所示，该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。图中的控制逻辑与图11-10中除计数器C5外的其余部分相同。西门子公司的LOGO！系列微型可编程控制器使用功能块图语言。除此之外，国内很少有人使用功能块图语言。 nullnull4．语句表（STL） 　 S7系列PLC将指令表称为语句表。PLC的指令是一种与计算机汇编语言中的指令相似的助记符表达式，如图11-11（b）所示。由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。 　 语句表比较适合熟悉PLC和逻辑程序设计的经验丰富的程序员，语句表可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。 　 S7－200 CPU在执行程序时要用到逻辑堆栈，梯形图和功能块图编辑器自动地插入处理栈操作所需要的指令。在语句表中，必须由编程人员加入这些堆栈处理指令。null5．结构文本（ST） 　 结构文本是为IEC1131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。 　 在S7－200的编程软件中，用户可以选用梯形图、功能块图和语句表这三种编程语言。语句表不使用网络，但是可以用Network网络这个关键词对程序分段，这样的程序可以转换为梯形图。 　 语句表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计复杂的开关量控制程序时一般使用梯形图语言。语句表可以处理某些不能用梯形图处理的问题，梯形图编写的程序一定能转换为语句表。null　 梯形图程序中输入信号与输出信号之间的逻辑关系一目了然，易于理解，与继电器电路图的表达方式极为相似，设计开关量控制程序时建议选用梯形图语言。语句表输入方便快捷，梯形图中功能块对应的语句只占一行的位置，还可以为每一条语句加上注释，便于复杂程序的阅读。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用语句表语言。 　 PLC的控制程序可由主程序、子程序和中断程序组成11.7 PLC工作过程 11.7 PLC工作过程 　　 PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，见图11-12。这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。null1．读取输入 　 在PLC的存储器中，设置了一块区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节（8位）为单位来读写输入/输出（I/O）映像寄存器。　 在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的开、断（1/0）状态读入输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。null图11-12 扫描过程null2．执行用户程序 　 PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束（END）指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。　 在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器（只读的输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。null　 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点，这样做有以下好处： （1）程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。　（2）用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。 （3）I/O点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。null3．通信处理 　 在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，则读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。4．CPU自诊断测试 　 自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、I/O模块状态以及I/O扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。null5．修改输出 　 CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。 　 当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后写的值。null6．中断程序的处理 　　如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。 7．立即I/O处理 　 在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。 　 PLC在RUN工作状态时，执行一次图11-13所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。null8．输入/输出滞后时间 　 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。　 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输人触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，有的PLC如S7-200的部分输入点的输入延迟时间可以设置。null　　输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载接通时的滞后时间约为lms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间小于lms。 　 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。　 PLC总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入和输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。11.8 PLC功能特点 11.8 PLC功能特点 　　 随着PLC性能价格比的不断提高，它已经广泛地应用在所有的工业部门中。现在的PLC不仅可以代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制等数字量逻辑控制，而且能够实现用于各种机械加工装配的运动控制、连续过程的闭环控制、大型控制系统的数据处理以及与其它智能控制设备的通信联网。在工业控制领域中，PLC的特点十分显著。null1．编程简单，方法易学 　 梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，这也是它使用普及的一个重要原因。梯形图实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。2．功能强大，性价比高 　　一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现简单到复杂的各种控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC还可以通过通信联网，实现大型的分散控制、集中管理的DCS系统。 null3．配套齐全，使用方便 　 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 4．可靠性高，抗干扰强 　 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替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，接线可减少到继电器控制系统的1/10～l/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 　 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。null5．工作量大为减少 　 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、配线、维修的工作量大大减少。　　PLC的用户程序可以在 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线，在完成了系统的安装和接线后，在现场统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的设计和调试时间比继电器系统少得多。 　 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。而模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。null6．体积小，能耗低 　 对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～l/10，而且PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。11.9 PLC产品简介11.9 PLC产品简介主要内容 前言 11.9.1 CPU模块 11.9.2 数字量扩展模块 11.9.3 模拟量扩展模块 11.9.4 热偶﹑热阻扩展模块 11.9.5 通信模块 11.9.6 通信处理器 11.9.7 中文显示屏 11.9.8 编程软件前言 前言 　　 世界上生产PLC的专业厂家很多，目前国内工控市场使用的品牌主要有德国的西门子、美国的罗克韦尔自动化（A-B）、法国的施耐德、日本的欧姆龙、三菱、松下等。现以近年来国内应用较多的德国西门子S7系列为例作一说明。null　 西门子公司的S7系列又分S7-400、S7-300和S7-200等大、中、小型PLC以及微型LOGO！，本节只介绍小型机S7-200。S7-200虽然是小型机，但它不仅可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。　　S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表（即指令表）和功能块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 、MPI通信协议和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有26KB程序和数据存储空间。 下面介绍S7-200PLC的主要模块。 null11.9.1 CPU模块 　 S7-200有5种CPU模块。CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226 XM适用于复杂的中小型控制系统。 S7-200 CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等。采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用l～255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器（看门狗）的定时时间为300ms。null　　数字量输入中有4个用做硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加/减计数器的最高计数频率为30kHZ，可对增量式编码器的两个互差90°的脉冲序列计数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。两个高速输出可输出最高20kHz频率和宽度可调的脉冲序列。 　 RS-485串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持PPI、MPI、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议（使用NETR/NETW指令）。PPI/MPI协议的波特率为9.6Kbps、19.2Kbps和187.5Kbps；自由口协议的波特率为0.3Kbps、0.6Kbps、1.2Kbps、2.4Kbps、4.8Kbps、9.6Kbps、19.2Kbps和38.4Kbps。单段网络最大电缆长度：38.4Kbps时为1200m，187.5Kbps时为1000m。每个网络最多126个站，最多32个主站。MPI共有4个连接，2个分别保留给编程器（PG）和操作员面板（OP）。通信接口可用于与运行编程软件的计算机通信，与人机接口（操作员界面）TD200和OP通信，以及与S7-200 CPU之间的通信。通过自由通信口协议，可与其它设备进行串行通信。通过AS-i通信接口模块，可接入496个远程数字量输入/输出点。null　　用户数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。超级电容充电20min，可充60%的电量。可选的存储器卡可永久保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数据的时间典型值为 200天。 　 DC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4个上升沿和/或4个下降沿。 　　高速计数器的单相逻辑1电平为15～30V DC时，时钟输入速率为20kHZ；单相逻辑 1电平为 15～26V DC时，时钟输入速率为30kHZ。两相逻辑 1电平为15～30V DC时，时钟输入速率为 10kHZ；两相逻辑 1电平为15～26V DC时，时钟输入速率为20kHZ。实时时钟精度在25℃时为2min/月，0～55℃时为7min/月。 　 S7-200的DC输出型电路用场效应管（MOSFET）作为功率放大元件，继电器输出型用继电器触点控制外部负载。DC输出的最高开关频率为20kHZ，继电器输出的最高输出频率为１Hz。null 11.9.2 数字量扩展模块 　 用户选用具有不同I/O点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加 I/O点数也很方便。用户可选用 8点、16点或32点的数字量输入/输出模块，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。null11.9.3 模拟量扩展模块 　 模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。 　 在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。被控变量首先被传感器或变送器转换为标准的电流或电压信号，如4～20mA、1～5V、0～10V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。