1.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 PLC的基本概念

現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)能對市場需求迅速做出反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，PLC正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。

PLC的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化的應(yīng)用中也得到了迅速的發(fā)展。目前PLC仍然處于不斷的發(fā)展之中，其功能在不斷增強(qiáng)，而且更為開放，它不但是單機(jī)自動(dòng)化中應(yīng)用最廣的控制設(shè)備，在大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動(dòng)搖的地位。PLC應(yīng)用面之廣、普及程度之高，是其他計(jì)算機(jī)控制設(shè)備所無法比擬的。

國際電工委員會(huì)（IEC）在1985年對PLC作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”從上述定義可以看出，PLC是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計(jì)算機(jī)通信連網(wǎng)的功能。

本書以西門子公司的S7-200系列小型PLC為講授對象。S7-200具有極高的可靠性、豐富的指令集和內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和品種豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200可以單機(jī)運(yùn)行，用于代替繼電器控制系統(tǒng)，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它有極強(qiáng)的通信功能，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。

1.1.2 PLC的硬件組成

可編程序控制器是基于微處理器技術(shù)的通用工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備。它采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)際上就是一種特殊的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)，只不過它的最主要的功能是數(shù)字邏輯控制。因此，PLC具有與通用的微型個(gè)人計(jì)算機(jī)相類似的硬件結(jié)構(gòu)。PLC由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、智能接口模塊和編程器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。

1．中央處理器（CPU）

中央處理器是整個(gè)PLC的核心組成部分，是系統(tǒng)的控制中樞。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制可編程序控制器內(nèi)部的各部分工作。PLC的CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)基本相同，PLC的整體性能取決于CPU的性能，因此，常用的CPU主要是通用的微處理器、單片機(jī)或工作速度較快的雙極型位片式微處理器。

2．存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序是指控制PLC完成各種功能的系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序、用戶邏輯解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序模塊和各種系統(tǒng)參數(shù)，由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在只讀存儲(chǔ)器（ROM）中。用戶程序指由用戶根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的要求所編寫的控制程序，允許用戶修改，最終固化并存儲(chǔ)于PLC中。

PLC的存儲(chǔ)空間根據(jù)存儲(chǔ)的內(nèi)容可分為：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)和用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。

3．輸入/輸出接口

輸入/輸出接口是可編程序控制器與現(xiàn)場各種信號相連接的部件，要求它能夠處理這些信號并具有抗干擾能力。因此，輸入/輸出接口通常配有電子變換、光電隔離和濾波電路。輸入/輸出接口可分為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出。

數(shù)字量（開關(guān)量）輸入信號類型有直流和交流兩種，均采用光電隔離器件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場電信號與PLC內(nèi)部在電氣上的隔離，同時(shí)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一的信號范圍。輸出接口除了具有光電隔離外，還具有各種輸出方式：有的采用直流輸出方式，有的采用交流輸出方式，也有的采用繼電器輸出方式等。

模擬量有各種類型，包括0～10V、-10～10V、4～20mA。它們首先要進(jìn)行信號處理。將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號，然后進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換。通過采樣、保持和多路開關(guān)的切換，多個(gè)模擬量的A/D轉(zhuǎn)換就可以共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器來完成。轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模擬量就可以通過光電隔離、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)輸入到PLC內(nèi)部。

模擬量的輸出是把可編程序控制器內(nèi)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出，因此，它是與輸入相反的過程。整個(gè)過程可分為光電隔離、D/A轉(zhuǎn)換和模擬信號驅(qū)動(dòng)輸出等環(huán)節(jié)。PLC內(nèi)的數(shù)字量經(jīng)過光電隔離實(shí)現(xiàn)兩部分電路上的電氣隔離，數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（即D/A轉(zhuǎn)換器）完成，轉(zhuǎn)換后的模擬量再經(jīng)過運(yùn)算放大器等模擬器件進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，形成現(xiàn)場所需的控制信號。

4．智能接口模塊

為了進(jìn)一步提高PLC的性能，各大PLC廠商除了提供以上輸入/輸出接口外，還提供各種專用的智能接口模塊，用以滿足各種控制場合的要求。智能接口模塊是PLC系統(tǒng)中的一個(gè)較為獨(dú)立的模塊，它們具有自己的處理器和存儲(chǔ)器，通過PLC內(nèi)部總線在CPU的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。智能接口模塊既擴(kuò)展了PLC可處理的信號范圍，又可使CPU能處理更多的控制任務(wù)。

智能接口模塊包括高速脈沖計(jì)數(shù)器、定位控制智能單元、PID調(diào)節(jié)智能單元、PLC網(wǎng)絡(luò)接口、PLC與計(jì)算機(jī)通信接口、傳感器輸入智能單元等。

5．編程器

編程器用來生成用戶程序，并用它來編輯、檢查、修改用戶程序，監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又稱為指令編程器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用于現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。

使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，還可以通過網(wǎng)絡(luò)或電話線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。

現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是用編程軟件取代手持式編程器，西門子PLC只用編程軟件編程。對S7-200進(jìn)行編程時(shí)，應(yīng)配備一臺(tái)安裝有STEP 7-Micro/WIN編程軟件的計(jì)算機(jī)，和一根連接計(jì)算機(jī)和PLC的RS-232/PPI通信電纜或USB/PPI多主站電纜。現(xiàn)在的筆記本電腦一般都沒有RS-232C通信接口，可以選用USB/PPI電纜，用USB接口與PLC通信。

6．電源

PLC使用AC 220V電源或DC 24V電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級的直流電源。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器（如接近開關(guān)）提供DC 24V電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。

1.1.3 PLC的工作原理

PLC的工作方式采用循環(huán)掃描，其掃描過程如圖1-3所示。掃描時(shí)有兩個(gè)狀態(tài)：處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容；處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行到程序輸出，一直在循環(huán)掃描進(jìn)行工作。

PLC執(zhí)行程序有三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖1-4所示。

1．輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式順序?qū)λ械妮斎攵诉M(jìn)行采樣，并存入輸入映像寄存器中，這時(shí)輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行階段或其他階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，輸入狀態(tài)的改變只有在下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才能被采樣到。

2．程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描。如果程序用梯形圖表示，應(yīng)按先上后下、先左后右的順序執(zhí)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，根據(jù)是否滿足跳轉(zhuǎn)條件來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令中涉及輸入/輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器來說，其內(nèi)容會(huì)隨程序執(zhí)行的過程而變化。

3．輸出刷新階段

當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過隔離電路輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

4．工作過程

PLC在輸入采樣階段只對輸入端進(jìn)行掃描。當(dāng)PLC進(jìn)入程序執(zhí)行階段后，輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才對輸入重新進(jìn)行采樣。這種方式稱為集中采樣。

PLC在程序循環(huán)掃描中采用“串行”方式工作，這種串行工作方式避免了繼電器-接觸器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競爭和時(shí)序失配的問題。同時(shí)，掃描周期是PLC的一個(gè)很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期按用戶程序的長短而論，一般為十幾到幾十毫秒。

PLC在輸出刷新階段，如果在用戶程序中對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出映像寄存器中的內(nèi)容輸出，對輸出接口進(jìn)行刷新。在其他階段輸出狀態(tài)一直保存在輸出映像寄存器中。這種方式稱為集中輸出。

對于小型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但使得PLC工作時(shí)大多數(shù)時(shí)間與外部I/O設(shè)備隔離，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的可靠性。而大中型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較多，控制能力強(qiáng)，用戶程序較長，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入/輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。

1.1.4 PLC的操作模式

1．操作模式

PLC有兩種操作模式，即RUN（運(yùn)行）模式與STOP（停止）模式。在CPU模塊的面板上用 "RUN" 和 "STOP" LED顯示當(dāng)前的操作模式。

在RUN模式，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。

在STOP模式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，設(shè)置PLC的硬件功能，并將用戶程序和硬件設(shè)置信息下載到PLC。

如果有致命錯(cuò)誤，在消除它之前不允許從STOP模式進(jìn)入RUN模式。PLC操作系統(tǒng)存儲(chǔ)非致命錯(cuò)誤供用戶檢查，但是不會(huì)從RUN模式自動(dòng)進(jìn)入STOP模式。

2．用模式開關(guān)改變操作模式

CPU模塊上的模式開關(guān)在STOP位置時(shí)，將停止用戶程序的運(yùn)行；在RUN位置時(shí)，將啟動(dòng)用戶程序的運(yùn)行。模式開關(guān)在STOP或TERM (Termianal，終端）位置時(shí)，電源通電后CPU自動(dòng)進(jìn)入STOP模式；在RUN位置時(shí)，電源通電后自動(dòng)進(jìn)入RUN模式。

3．用STEP7-Micro/WIN編程軟件改變操作模式

用編程軟件控制CPU的操作模式必須滿足下面的兩個(gè)條件：

● 在編程軟件與PLC之間建立起通信連接；

● 將PLC的模式開關(guān)放置在RUN模式或TERM模式。

在編程軟件中單擊工具條上的運(yùn)行按鈕或執(zhí)行菜單命令 "PLC/RUN"，將進(jìn)入RUN模式。單擊停止按鈕或執(zhí)行菜單命令 "PLC/STOP"，將進(jìn)入STOP模式。

4．在程序中改變操作模式

在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式進(jìn)入STOP模式。