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西門子6es7321-1bh02-4aa1數(shù)字量模組

高效工程組態(tài)成就高效自動化

第一節(jié) plc概念

1、plc的基本概念西門子6es7321-1bh02-4aa1數(shù)字量模組

可編程控制器(programmable controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。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(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，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖所示：

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)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。

為了進一步提高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

當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)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區(qū)中對應位的狀態(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

當掃描用戶程序結(jié)束后，plc就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(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)動相應的外設。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：西門子6es7321-1bh02-4aa1數(shù)字量模組

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響應時間

為了增強plc的抗干擾能力，提高其可*性，plc的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。

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的運行方式(掃描技術)。

以上兩個主要原因，使得plc得i/o響應比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應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響應時間指從plc的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。其最短的i/o響應時間與最長的i/o響應時間如圖所示：

第(n-1)個

掃描周期

最短i/o響應時間：

最長i/o響應時間

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個模塊的擴展能力，在模塊中集成背板總線，它的網(wǎng)絡聯(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的一體化單元設備。

其中的擴展模塊（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248個設備，這樣就可以顯著的擴展s7-200的輸入和輸出點數(shù)。