任務二　彩燈亮滅的PLC開關控制

【任務目標】

1.學習并掌握指令表的表示方法。

2.學習并掌握梯形圖的表示方法。

3.掌握 STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件的一般應用，學會編輯簡單的應用程序并正確下載至PLC。

【任務分析】

啟-保-停電路是電氣控制系統中使用最多的基本環節，也是編制PLC控制系統應用程序的常用方法。本學習任務控制要求為：分別用兩只常開按鈕SB1及SB2控制彩燈HL的點亮與熄滅。彩燈亮滅的PLC開關控制硬件布局參見圖1-18。

【相關知識】

一、PLC的編程語言及程序寫入方式

1. PLC的編程語言

不同廠家、不同型號的可編程控制器產品采用的編程語言不盡相同，歸納起來有5種（見圖1-19），即：順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表及結構文本。

（1）梯形圖（Ladder Diagram，簡稱LAD）。梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言。實際編程時，總是先寫出梯形圖程序，如果需要，再根據梯形圖寫出指令表程序。

梯形圖有以下幾個主要特點。

① 梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每個繼電器線圈為一個邏輯行，即一層階梯。每一個邏輯行起于左母線，然后是接點的各種連接，最后終于繼電器線圈（有時還加上一條右母線）。整個圖形呈階梯形。

② 梯形圖中的各種繼電器不是實際中的物理繼電器，它實質上是存儲器中的一個二進制位。相應位的觸發器為“1”的狀態時，表示其線圈通電，常開觸點閉合，常閉觸點斷開。梯形圖中的繼電器線圈除了輸出繼電器、輔助繼電器線圈外，還包括計時器、計數器、移位寄存器以及各種算術運算的結果等。

③ 梯形圖中，一般情況下（除有跳轉指令和步進指令等的程序段以外），某個編號的繼電器線圈只能出現一次，而繼電器接點則可無限次引用，既可以是常開接點，也可以是常閉接點。

④ 輸入繼電器供PLC接收外部輸入信號，而不能由內部其他繼電器的接點驅動。因此，梯形圖中只出現輸入繼電器的接點，而不出現輸入繼電器的線圈。

⑤ 輸出繼電器供PLC控制輸出用。它通過開關量輸出模塊對應的輸出開關（晶體管、雙向晶閘管或繼電器觸點）去驅動外部負載。因此，當梯形圖中輸出繼電器線圈滿足接通條件時，就表示在對應的輸出點有輸出信號。

⑥ PLC的內部繼電器不作輸出控制用，接點只能供PLC內部使用。

⑦ 程序結束時要有結束標志END。S7-200系列PLC編程軟件在編譯時自動生成。

⑧ 當PLC處于運行狀態時，PLC就開始按照梯形圖符號排列的先后順序（從上到下，從左到右）逐一處理。

（2）指令表（Instruction List，簡稱IL）亦稱語句表，類似于計算機匯編語言的形式，它是采用指令的助記符來編程的。PLC的指令表比匯編語言的語句表通俗易懂，也是一種比較常用的編程語言。

不同的PLC，指令表使用的助記符不相同，以表1-4中所示電機啟-保-停控制程序為例，由于采用S7-200系列產品，可寫出與表中梯形圖程序完全對應的指令表格式程序：

LD　 I0.0　 //表示邏輯操作開始，常開接點與母線連接

O　　 Q0.0　 //表示常開接點并聯

AN　 I0.1　 //表示常閉接點串聯

AN　 I0.2　 //表示常閉接點串聯

=　　 Q0.0　 //表示輸出

可見，指令表是由若干條指令組成的程序。指令是程序的最小獨立單元。每個操作功能由一條或幾條指令組成。PLC的指令表達形式與微機的指令表達形式類似，它是由操作碼和操作數兩部分組成，其格式為：

　　操作碼　操作數

　　（指令）（數據）

操作碼用助記符表示，它表明CPU要完成的操作功能；操作數表明操作碼所操作的對象。操作數一般由標識符和參數組成，但也可以不寫。由于PLC功能不同，其指令的類型各不相同，因此具體指令的內容在以后各項目中詳細介紹。

2.程序寫入方式

以三相異步電動機典型啟-保-停控制電路為例，如果只是完成了PLC的輸入輸出配線及電機主回路連接，沒有對PLC寫入相應的控制程序，系統是不能正常工作的。表1-4通過工程實際中較為常見的控制系統，展示了PLC最小控制系統的組成方案。

二、S7-200系列PLC的編程軟元件

PLC的編程軟元件實質上為存儲器單元，每個單元都有唯一的地址。為了方便不同的編程功能需要，存儲器單元作了分區，因此也就有了不同類型的編程軟元件。

在系統軟件的安排下，不同的軟元件具有不同的功能。以下介紹S7-200系列PLC常用編程軟元件的功能及使用方法（軟元件名稱后括號中的字母為軟元件分區的標識）。

1.輸入繼電器（I）

輸入繼電器和PLC的輸入端子相連，是專設的輸入過程映像寄存器，用來接收外部傳感或開關元件發來的信號，機器讀取這些信號時并不影響這些信號的狀態。輸入繼電器一般采取八進制編號，一個端子占用一個點。圖1-20表示編號為I0.0的輸入繼電器的等效電路圖，當外部按鈕驅動，其線圈接通，常開、常閉觸點的狀態發生相應變化。編程時注意輸入繼電器不能由程序驅動，其觸點也不能直接輸出帶動負載。

2.輸出繼電器（Q）

輸出繼電器是PLC向外部負載發出控制命令的窗口，是專設的輸出過程映像寄存器。以“RLY”輸出方式為例，輸出繼電器提供一個常開型外部輸出觸點，并接到輸出端子上，以控制外部負載。輸出繼電器的外部輸出執行器件有三種：繼電器、晶體管和晶閘管。圖1-21表示編號為Q0.0的輸出繼電器的等效電路，當程序驅動輸出繼電器Q0.0接通時，它所連接的外部電器被接通.同時輸出繼電器的常開、常閉觸點動作，可在程序中使用。

3.內部標志位（M）

內部標志位也稱位存儲區。在邏輯運算中經常需要一些存儲中間操作信息的元件，它們并不直接驅動外部負載，只起中間狀態的暫存作用，類似于繼電接觸器系統中的中間繼電器，在S7-200系列PLC中稱為內部標志位（Marker），多以位（bit）為單位使用。

4.特殊標志位（SM）

特殊標志位是用戶與系統程序之間的界面，為用戶提供一些特殊的控制功能及系統信息，用戶對操作的一些特殊要求也通過SM通知系統。特殊標志位可分為只讀區及可讀/可寫區兩大部分，只讀區特殊標志位用戶只能利用其觸點。例如：

SM0.0：RUN監控，PLC在RUN狀態時，SM0.0總為 ON；

SM0.1：初始化脈沖，PLC由STOP轉為RUN時，SM0.1 ON一個掃描周期；

SM0.2：當RAM中保存的數據丟失時，SM0.2 ON一個掃描周期；

SM0.3：PLC上電進入RUN時，SM0.3 ON一個掃描周期；

SM0.4：分脈沖，占空比為50%，周期為1min的脈沖串；

SM0.5：秒脈沖，占空比為50%，周期為1s的脈沖串；

SM0.6：掃描時鐘，一個掃描周期為ON，下一個掃描周期為OFF，交替循環；

SM0.7：指示CPU上MODE開關的位置，0=TERM，1=RUN，通常用來在RUN狀態下啟動自由口通信方式。

又如SMB28和SMB29分別存儲CPU自帶的模擬電位器0和1的當前值，數值范圍為0～255。用戶旋動模擬電位器也就改變了SMB28/SMB29的值。在程序中恰當地安排SMB28/SMB29可以方便地修改某些設定值。

可讀/可寫特殊標志位用于特殊控制功能。例如，用于自由口設置的SMB30，用于定時中斷時間設置的SMB34/SMB35，用于高速計數器設置的SMB36～SMB65，用于脈沖串輸出控制的SMB66～SMB85，…，其使用詳情在各對應功能指令解釋時加以說明。

5.定時器（T）

PLC中定時器的作用相當于時間繼電器。定時器的設定值由程序賦予。每個定時器有一個16bit的當前值寄存器及一個狀態位，稱為T-bit。定時器的計時過程采用時間脈沖計數的方式，其時基增量（分辨率）分為1ms、10ms、100ms三種。

6.計數器（C）

計數器的結構與定時器基本一樣，其設定值在程序中賦予。它有一個16bit的當前值寄存器及一個狀態位，稱為C-bit。計數器用來對輸入端子或內部元件送來的脈沖進行計數，具有加計數器、減計數器及加減計數器三種類型。一般計數器的計數頻率受掃描周期的影響，不可以太高。高頻信號的計數可以用指定的高速計數器（HSC）。

7.高速計數器（HSC）

高速計數器用于對頻率高于掃描頻率的機外高速信號計數，高速計數器使用主機上的專用端子接收這些信號。

8.變量寄存器（V）

變量存儲區具有較大容量的變量寄存器，用于存儲程序執行過程中控制邏輯的中間結果，或用來保存與工序或任務相關的其他數據。

9.累加器（AC）

S7-200 CPU中提供4個32bit累加器（ACC0～ACC3）。累加器常用作數據處理的執行器件。

10.局部存儲器（L）

局部存儲器和變量存儲器很相似，主要區別是變量存儲器是全局有效的，而局部存儲器是局部有效的。全局是指同一個存儲器可以被任何程序存取（包括主程序、子程序及中斷子程序）；局部是指存儲區和特定的程序相關聯。局部存儲器可分配給主程序、子程序或中斷子程序，但程序段不能訪問其他程序段中的局部存儲器。局部存儲器常用來作為臨時數據的存儲器或者為子程序傳遞參數。

11.狀態元件（S）

狀態元件是使用順控繼電器指令的重要元件，通常與順序控制指令LSCR、SCRT、SCRE結合使用，實現順控流程的方法即SFC（Sequential Function Chart）編程。

12.模擬量輸入（AI）

S7-200將工業現場連續變化的模擬量（例如溫度、壓力、電流、電壓等）用A/D轉換器轉換為1個字長（16位）的數字量。用區域標識符AI以及表示數據長度的代號W和起始字節的地址來表示模擬量輸入的地址。因為模擬量輸入是一個字長，應從偶數字節地址開始存放，例如AIW2、AIW4、AIW6等，模擬量輸入值為只讀數據。

13.模擬量輸出（AQ）

S7-200將1個字長的數字用D/A轉換器轉換為現場控制所需的模擬量。用區域標識符AQ以及表示數據長度的代號W和字節的起始地址來表示存儲模擬量輸出的地址。因為模擬量輸出是一個字長，應從偶數字節地址開始存放，例如AQW2、AQW4、AQW6等，模擬量輸出值是只寫數據，用戶不能讀取模擬量輸出值。

14.順序控制繼電器（S）

順序控制繼電器用于組織設備的順序操作，提供控制程序的邏輯分段。

15.數值的表示方法

（1）數據類型及范圍。S7-200系列PLC在存儲單元所存放的數據類型有布爾型（BOOL）、整數型（INT）和實數型（REAL）3種。表1-5給出了不同長度數值所能表示的整數范圍。

布爾型數據指字節型無符號整數。常用的整數型數據包括單字長（16位）符號整數和雙字長（32位）符號整數兩類。實數型數據（浮點數）采用32位單精度數表示，數據范圍是：

正數：+1.175495E-38～+3.402823E+38；

負數：-1.175495E-38～-3.402823E+38。

（2）常數。在S7-200的許多指令中使用常數，常數值的長度可以是字節、字或雙字。CPU以二進制方式存儲常數。可以采用十進制、十六進制、ASCII碼或浮點數形式書寫常數，例：

十進制常數：　　　30047

十六進制常數：　　 （4E5）16

ASCII碼常數：　　 “show”

實數或浮點數格式：　 +1.175495E-38（正數）

-1.175495E-38（負數）

二進制格式：　　　 （1010 0101）2

S7-200系列PLC編程軟元件的具體配置如表1-6所示。

三、S7-200尋址方式

S7-200將信息存于不同的存儲單元，每個單元都有1個唯一的地址，系統允許用戶以字節、字、雙字為單位存、取信息。S7-200數據尋址方式有立即數尋址、直接尋址和間接尋址三大類。立即數尋址的數據在指令中以常數形式出現，直接尋址和間接尋址方式有位、字節、宇和雙字4種尋址方式，下面對直接尋址和間接尋址方式加以說明。

1.直接尋址方式

直接尋址方式是指在指令中直接使用存儲器或寄存器的元件名稱和地址編號，直接查找數據。直接尋址在指令中明確指出了存取數據的存儲器地址，允許用戶程序直接存取信息，圖1-22所示為數據直接地址格式。

數據的直接地址包括內存區域標志符、數據大小及該字節的地址或字、雙字的起始地址，以及位分隔符和位地址。

8個連續的位組成一個字節（Byte），16個連續的位組成一個字（Word），兩個連續的字組成一個雙字（Double Word）。作為工業控制計算機，PLC處理的數據可以是二進制數中的一位，也可以是一個字節、兩個字節或多個字節的各種數制的數字，這樣就有了依數據長度不同引出的尋址方式。

（1）位尋址（bit）。位尋址也叫字節.位尋址，一個字節占有8個位。圖1-23所示為字節.位尋址的例子，I7.4在輸入存儲區中的位置由黑色區域表示，輸入存儲區“I”是整個存儲器的一個區域。在進行字節.位尋址時.一般將該位看作是一個獨立的軟元件，像一個繼電器一樣，認為它有線圈及常開、常閉觸點，且當該位置1，即線圈“得電”時，常開觸點接通，常閉觸點斷開。由于取用這類元件的觸點只不過是訪問該位的“狀態”，可以認為這些軟元件的觸點有無數多對。字節.位尋址一般用于處理“開關量”或“邏輯量”。

（2）字節尋址（8bit）。字節尋址以存儲區標識符、字節標識符、字節地址組合而成，如圖1-24中的VB100。

（3）字尋址（16bit）。字尋址以存儲區標識符、字標識符及字節地址組合而成，如圖1-24中的VW100。

（4）雙字尋址（32bit）　雙字尋址以存儲區標識符、雙字標識符、字節地址組合而成，如圖1-24中的VD100。

為了使用方便及使數據與存儲單元長度統一，S7-200系列PLC中，一般存儲單元都具有字節.位尋址、字節尋址、字尋址及雙字尋址四種尋址方式，但在不同的尋址方式選用了同一字節地址作為起始地址時，其所表示的地址空間是不同的。圖1-24給出了VB100、VW100、VD100三種尋址方式所對應的三個存儲單元所占的實際存儲空間，這里要注意的是，“VB100”是最高有效字節，而且存儲單元不可重復使用。

一些存儲數據專用的存儲單元不支持位尋址方式，主要有模擬量輸入、模擬量輸出存儲器、累加器、定時器、計數器的當前值存儲器等。還有一些存儲器的尋址方式與數據長度不方便統一，如累加器不論采用字節、字或雙字尋址，都要占用全部32位存儲單元。與累加器相反，模擬量輸入、輸出單元為字節標號，但由于模擬量規定為16位，模擬量單元尋址時均以偶數標志。

此外，定時器、計數器具有當前值存儲器及位存儲器二類存儲器，但屬于同一個器件的存儲器采用同一標號尋址。

表1-7給出了S7-200各種CPU存儲空間的有效尋址范圍。

2.間接尋址

存儲單元中存放的也可以是一個地址，稱為間接尋址。間接尋址指用指針來訪問存儲區數據。指針以雙字的形式存儲其他存儲區的地址，只能用V存儲器、L存儲器或者累加器寄存器（AC1、AC2、AC3）作為指針。要建立一個指針，必須以雙字的形式，將需要間接尋址的存儲器地址移動到指針中。指針也可作為參數傳遞到子程序中。

S7-200允許指針訪問以下存儲區：I、Q、V、M、S、AI、AQ、SM、T（僅限于當前值）和C（僅限于當前值）。不能用間接尋址的方式訪問位地址，也不能訪問HC或者L存儲區。

圖1-25給出了一個使用指針的例子。要使用間接尋址，應該用“＆”符號加上要訪問的存儲區地址來建立一個指針。指令“MOVD　＆VB200，AC1”中操作數VB200以“＆”符號開頭表明是將存儲區的地址而不是其內容移動到指令的輸出操作數AC1中。當指令的操作數是指針時，應該在操作數前面加上“??”號，指令“MOVW ??AC1，AC0”中“??AC1”指定AC1是一個指針，MOVW指令決定了指針指向的是一個字長（16bit）的數據。在本例中，存儲在VB200和VB201中的數值被移動到累加器AC0中。

【操作指導】

1.畫出接線圖，安裝電路

根據任務要求，采用S7-200 CPU224 AC/DC/RLY型PLC，彩燈的PLC開關控制I/O接線如圖1-26所示。

輸入輸出繼電器地址分配如表1-8所示。

在教師指導下，按圖1-26所示彩燈的PLC開關控制接線圖完成輸入/輸出電路的硬件接線。安裝要求同任務一。

2.自檢

檢查布線。對照圖1-26檢查是否掉線、錯線，是否漏編、錯編，接線是否牢固等。

3.編輯控制程序

在裝有STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件的個人電腦上編輯PLC控制程序，編譯后保存為“*.mwp”格式文件備用。彩燈的PLC開關控制參考梯形圖及指令表程序見圖1-27。

4.程序下載

① 在PLC斷電狀態下，用USB/PPI電纜連接電腦與S7-200 CPU224 AC/DC/RLY型PLC。

② 合上控制電源開關QS，將運行模式選擇開關撥到STOP位置，通過軟件將編制好的控制程序下載到PLC。

注意：一定要在斷開QS的情況下插拔適配電纜，否則極易損壞PLC通信接口。

5.運行彩燈開關控制程序

① 將運行模式選擇開關撥到RUN位置，使PLC進入運行方式。

② 按下開燈按鈕SB1，觀察彩燈是否立即點亮。

③ 按下關燈按鈕SB2，觀察彩燈是否立即熄滅。

④ 再次按下開燈按鈕SB1，如果彩燈能夠重新點亮，按下關燈按鈕SB2，彩燈再次熄滅，表明程序運行正常。

【課后思考】

1.說明特殊標志位的功能并舉例應用。

2. S7-200系列PLC有哪幾種尋址方式？分別繪出I1.2、VB200、VW302、VD500所代表的存儲區結構圖。

3. S7-200系列PLC的編程元件有輸入觸點I、輸出繼電器Q、內部標志位M、特殊標志位SM、定時器T、計數器C、累加器AC、模擬量輸入AI、模擬量輸出AQ、順序控制繼電器S、變量存儲區V和局部存儲區L等，上述編程元件中有哪些不能用于位（bit）尋址方式？