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PLC可编程序控制器控制系统的设计与调试步骤

与硬件有关的设计

  (1)确定系统输人元件(如按凯,指令开关限位开关、接近开关、传感器、变送器等)和输出元件(如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等)的型号。

  (2)根据设备的操作任务和操作方式,确定操作而板所需的元件,如指示灯、数字显示装置、开关和按钮等,有的系统可能需要智能的操作员而板,如与S7-200配套的TID200文本显示器或有图形显小功能和触摸屏功能的操作员面板。

  (3)确定可编程序控制器的输人点和输出点。列表统计可编程序控制器的输人信号和输出信号,在表中标明各信号的意义和类型,如信号是数字量还是模拟量,模拟信号的范围等。

  (4)确定可编程序控制器的型号和硬件配置。如确定CPU模块的型号,扩展模块的型号和块数。

  (5)给各输人、输出变量分配地址,梯形图中变量的地址与可编程序控制器的外部接线端子号是-致的一这一步为绘制硬件接线图作好了准备,也为梯形图的设计作好了准备。

  (6)画出可编程序控制器的外部硬件接线图。给输人/输出变量分配好地址后,画出可编程序控制器的外部硬件挂线图,1及其他中气原现国和比线图

  (7)画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。

  (8)建立符号表。符号表用来给存储器内的**地址命名,可对物理输入/输出信号和程序中用到的其他存储单元命名。建立符号表后可以在程序中显示各**地址的符号名,有利于程序的设计和阅读。

可编程序控制器控制系统的设计调试过程如图8-1所示。

  图81设计调试过程示意图

  深人了解被控制系统

  这一步是系统设计的基础。设计前应熟悉图纸资料,深人调查研究,与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合,共同讨论,解决设计中出现的问题。应详细了解被控对象的全部功能如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁,系统要求哪此工作方式(如手动、自动、半自动等),设备内部机城、液压、气动、仪表、电气儿大系统之间的关系,可编程序控制器与其他智能设备(如别的可编程序控制器、计算机、变频器、工业电视,机器人)之间的关系,可编程序控制器是不上西门行于等,电源突然停电及紧急情况的处理，安全电路的设计。有时需要设置可编程序控制器之外的手动的或机电的联锁装置米防止危险的操作。

  对于大型复杂的控制系统,需要考虑将系统分解为几个独立的部分,各部分分别用单独的可编程序控制器或其他控制装置来控制,并考虑它们之间的通信方式。

  这一阶段应确定哪些信号需要输人给可编程序控制器,哪些负载由可编程序控制器驱动,分类统计出各输人量和输出量的性质,是数字量还是模拟量,是直流量还是交流量,以及电压的等级。并考虑需要设置什么样的操作员接口,如是否需要设置人机界面,或用上位计算机作操作员接口。

PLC概念

3、PLC的工作原理

一. 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(一) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

(三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

比较下二个程序的异同：

程序1：

程序2：

这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。

※ 程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新；

※ 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。

这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

二. PLC的I/O响应时间

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。

以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其*短的I/O响应时间与*长的I/O响应时间如图所示： 

第(n-1)个

扫描周期

*短I/O响应时间：

*长I/O响应时间

SIEMENS PLC在中国的产品，根据规模和性能的大小，主要有S7-200 S7-300 和S7-400三种，下面就简单介绍一下该三种产品的一些特性。

S7-200

针对低性能要求的摸块化小控制系统，它*多可有7个模块的扩展能力，在模块中集成背板总线，它的网络联接有RS-485通讯接口和Profibus两种，可通过编程器PG访问所有模块，带有电源、CPU和I/O的一体化单元设备。

其中的扩展模块（EM）有以下几种：数字量输入模块（DI）——24VDC和 120/230VAC；数字量输出（DO）——24VDC 和继电器；模拟量输入模块（AI）——电压、电流、电阻和热电偶；模拟量输出模块——电压和电流。 还有一个比较特殊的模块-通讯处理器（CP）——该块的功能是可以把S7-200作为主站连接到AS-接口（传感器和执行器接口），通过AS-接口的从站可以控制多达248个设备，这样就可以显著的扩展S7-200的输入和输出点数。

1、PLC的基本概念

可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，将可编程控制器简称PLC 

2、PLC的基本结构 

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

a. 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，*后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

b、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

C、电源 

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。