在定时器指令方面,S7-200 PLC和S7-1200 PLC也有差异。S7-200 PLC的定时器当计时值大于或等于设定值时,定时器状态位置位;S7-300 PLC的定时器当计时值大于设定值时,定时器输出置位;而S7-1200 PLC的定时器当计时值大于或等于设定值时,输出置位;而且S7-1200 PLC的定时时间可以像S7-300 PLC的一样直接输入,不需要像S7-200 PLC那样使用定时时基1/10/100ms进行换算。
在工艺功能方面,S7-200 PLC一般是通过向导来实现的,而S7-1200 PLC则是通过调用相应的块来实现的。
S7-1200的CPU有一个内部电源,为CPU、信号模块、信号扩展板及通信模块提供电源,并且也可以为用户提供24V电源。
CPU为信号模块、信号扩展板及通信模块提供5V直流电源,不同的CPU能够提供的功率是不同的。在硬件选型时,需要计算所有扩展模块的功率总和,检查该数值是否在CPU提供功率范围之内,如果超出则必须更换容量更大的CPU或减少扩展模块数量。
S7-1200的CPU也可以为信号模块的24V输入点、继电器输出模块或其他设备提供电源(称作传感器电源),如果实际负载超过了此电源的能力,则需要增加一个外部24V电源,此电源不可与CPU提供的24V电源并联。建议将所有24V电源的负端连接到一起。
传感器24V电源与外部24V电源应当供给不同的设备,否则将会产生冲突。
如果S7-1200 PLC系统的一些24V电源输入端互联,此时可用一个公共电路连接多个M端子。例如当设计CPU为24V电源供给、信号模块继电器为24V电源供给及非隔离模拟量输入为24V电源供给的“非隔离”电路时,所有非隔离的M端子必须连接到同一个外部参考点上。
下面通过例子说明电源的计算方法。
某工程项目经统计I/O点数为20个DI,DC 24V输入,10个DO中继电器输出8个,2个DC输出,1路模拟量输入,1路模拟量输出,选用S7-1200 PLC,CPU选型如下。
由于数字量I/O点数较多,且为继电器输出,选用CPU 1214C AC/DC/继电器,订货号为6ES7 214-1BE30-0XB0。由于需要2个DC输出,选用扩展的信号模块SM 1223 8×DC 24V输入/8×DC 24V输出,订货号为6ES7 222-1BF30-0XB0,1路模拟量输入为CPU自带,1路模拟量输出可以选用信号板SB 1232的1路模拟量输出,订货号为6ES7 232-4HA30-0XB0。
可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是以微处理器为基础的通用工业控制装置,它综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术,具有功能强大、使用方便、可靠性高、通用且使用灵活和易于扩充等优点,特别适于在恶劣的工业环境中使用,是为了顺应现代制造业生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品要求而出现的,在交通、冶金、化工、制造、建筑、造纸以及食品等行业得到了广泛应用。
1.1 PLC概述
1.1.1 PLC的产生和定义1.PLC的产生
为了尽可能地减少重新设计和安装的工作量,降低成本,缩短周期,美国通用汽车公司在1968年公开招标,要求用新的控制装置取代继电器-接触器控制系统。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了台PLC(Programmable Logic Controller),即可编程序逻辑控制器,型号为PDP-14,用它取代传统的继电器-接触器控制系统,应用在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上,取得了巨大成功,很快在其他工业领域推广应用。
随着计算机技术、自动控制技术和通信技术的发展,PLC大致经历了4次更新换代,现在已经渗透到工业控制的各个领域。
1987年国际电工委员会(IEC)对可编程序控制器定义如下:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备,都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”
1.1.2 PLC的结构组成
PLC由中央处理单元(Central Process Unit,CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信单元、电源以及扩展单元有机组合而成,如图1-1所示。根据结构形式的不同,PLC可以分为整体式和模块式两类。
整体式PLC又称为单元式或箱体式,体积小、价格低且结构紧凑。一般小型PLC采用整体式,如西门子的S7-200系列PLC。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源模块装在一个箱体内构成主机。还提供许多I/O扩展模块供用户需要时选用,另外还配备多种专用的特殊功能模块,使PLC的功能得到扩展。
模块式PLC又称为组合式PLC,由机架和模块组成,配置灵活。中、大型PLC常采用模块式,如西门子的S7-300和S7-400系列PLC。模块式PLC将组成PLC的多个单元分别做成相应的模块,各模块可以灵活安插在机架上,通过总线相互联系,进行广泛地组合和扩展。1.CPU模块
CPU(Central Process Unit)模块是PLC的核心部分,主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。CPU模块在PLC系统中的作用类似于人的大脑,其主要任务是:接收输入的用户程序和数据,送入存储器存储;采集现场的输入信号,存入相应的数据区;监控和诊断电源、电路的工作状态和用户程序中的语法错误,执行用户程序,从存储器逐条读取用户指令并完成其功能;根据数据处理的结果刷新系统的输出。PLC采用的CPU芯片随机型不同而异,芯片的性能决定了PLC处理信号的能力和速度。
存储器主要用来存储程序和数据,分为系统程序存储器、用户程序存储器和系统RAM存储区。系统程序存储器用来存放系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序,是由生产厂家编写并固化在ROM内的,用户不能直接更改;用户程序存储器用来存放用户根据控制任务编写的控制程序,可以是RAM、EPROM或E2PROM存储器,其内容可以由用户任意修改或删减;系统RAM存储区包括I/O映像区和系统软设备存储区,如逻辑线圈、定时器、计数器、数据寄存器和累加器等。2.电源模块
电源模块将输入的交流电转换为CPU、存储器和I/O模块等需要的DC 5 V工作电源,是整个PLC的能源供给中心,直接影响到PLC的功能和可靠性。电源模块还向外部提供DC 24 V稳压电源,向传感器和其他模块供电。3.信号模块
信号模块是PLC与工业现场连接的接口,包括输入(Input)模块和输出(Output)模块,简称为I/O模块。其中开关量输入、输出模块分别称为DI模块和DO模块,模拟量输入、输出模块分别称为AI模块和AO模块。输入模块用来接收和采集现场的输入信号,输出模块用来控制输出负载,同时它们还有电平转换和隔离作用,使不同的过程信号电平与PLC内部的信号电平相匹配。
开关量输入模块用来接收从按钮、数字开关、限位开关以及各种继电器等传送来的开关量输入信号,模拟量输入模块用来接收从电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的电压或电流模拟量信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、显示和报警装置等输出设备,模拟量输出模块用来控制变频器、电动调节阀等执行器。4.通信处理模块
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通信处理模块用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将PLC接入PROFIBUS-DP、ASI和工业以太网,或用于点对点连接等。
.编程器及外围设备
编程设备可以是专用编程器,也可以是配有专用编程软件的通用计算机系统。使用编程器可以进行程序的编制、编辑、调试和监控。使用编程软件可以在计算机上直接生成和编辑用户程序,并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。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。
1.1.3 PLC的基本原理
PLC是一种工业控制计算机,其工作原理却与普通计算机有所不同;PLC初是用于替代传统的继电器控制装置的,但与继电器控制系统的工作原理也有很大区别。1.PLC的工作原理
任何一个继电器控制系统从功能上都可以分为3部分:输入部分(按钮、开关、传感器等)、控制部分(继电器、接触器连接成的控制电路)以及输出部分(被控对象,如电动机、电磁阀、信号灯等)。这种系统是由导线硬连接起来实现控制程序的,称为硬程序。
PLC控制系统也分为3部分:输入部分、控制部分和输出部分,如图1-2所示。输入部分的作用是将现场输入信号送入PLC,再变成CPU能够接收的信号存入输入映像寄存器后等待CPU输入采样,然后进入控制部分进行运算;输出部分的作用是将PLC的输出信号转存到输出映像寄存器后等待输出刷新,才能驱动被控对象。因此,PLC控制系统与继电器控制系统不同的地方主要是控制部分。
PLC控制系统的内部控制电路是由用户程序形成的,是按照程序规定的逻辑关系,对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断,然后得到相应的输出。PLC在执行用户程序时,根据程序从首地址开始自上而下、从左到右逐行扫描执行,并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器中读出有关元件的状态,根据指令执行相应的逻辑运算,把运算的结果写入对应的元件映像寄存器中保存,同时把输出状态写入对应的输出映像寄存器中保存。
PLC的工作方式是从0000号存储地址存放的条用户程序开始,在无中断或跳转的情况下,按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序,直到END指令结束;然后再从头开始,并周而复始地执行整个用户程序,直到停机或从运行(RUN)工作状态切换为停止(STOP)工作状态,这种执行程序的工作方式称为周期循环扫描工作方式。
PLC上电或从STOP状态切换到RUN状态后,在系统程序的监控下,周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行,这个过程就是按顺序循环扫描的过程。
1)初始化。PLC上电后首先进行系统初始化,包括清除内部存储区、复位定时器等。
2)CPU自诊断。PLC在每个扫描周期都要进入自诊断阶段,对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查,定期复位监控定时器等,确保系统的稳定。
3)通信信息处理。每个扫描周期中在对每个通信信息处理的阶段,PLC进行PLC之间、PLC与计算机之间的信息交换。
4)与外部设备交换信息。PLC与外部设备连接时,在每个扫描周期都要与外部设备交换信息。这些外部设备包括编程器、终端设备、彩色显示器和打印机等。
5)执行用户程序。PLC在运行状态下,每一个扫描周期都要执行用户程序。在执行用户程序时,是以扫描的方式按顺序逐句处理的,扫描一条执行一条,并把运算处理结果存入输出映像寄存区对应的位中。