陳慶彬E mail cqb 福州大學電氣工程與自動化學院 1 2概述及S7 1200PLC的硬件與硬件組態 2020 3 14 S7 1200PLC編程及應用 問題的引入 傳統電氣控制接線多 硬件觸點多 易因觸點不良造成故障 引入PLC PLC的引入大大減少了接線和硬件觸點的數量 同時還可帶來其它的好處 1987年2月 國際電工委員會 IEC 對可編程控制器的定義是 可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統 是專為在工業環境下的應用而設計的 它采用一類可編程序的存儲器 用于其內部存儲程序 執行邏輯運算 順序控制 定時 計數和算術操作等面向用戶的指令 并通過數字式或模擬式輸入 輸出 控制各種類型的機械或生產過程 可編程序控制器及其有關外部設備 都按易于與工業控制系統連成一個整體 易于擴充功能的原則設計 PLC的定義 1968年 美國最大的汽車制造商通用汽車公司為了適應生產工藝不斷更新的需要 期望找到一種新的方法 盡可能減少重新設計繼電控制系統和重新接線的工作 以降低成本 縮短周期 設想把計算機通用 靈活 功能完備等優點和繼電控制系統的簡單易懂 價格便宜等優點結合起來 制成一種通用控制裝置 并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化 用面向控制過程 面向問題的 自然語言 進行編程 使不熟悉計算機的人也能方便地使用 1969年 美國數字設備公司研制出了第一臺可編程序邏輯控制器 在通用汽車公司的自動裝配線上試用獲得了成功 PLC的起源 1 可編程邏輯控制器 ProgrammableLogicController 簡稱PLC 最初只能進行計數 定時及開關量邏輯控制 隨著計算機技術的發展 可編程邏輯控制的功能不斷擴展和完善 其功能遠遠超出了邏輯控制的范圍 具有了PID A D D A 算術運算 數字量智能控制 監控 通信聯網等多方面的功能 它已變成了實際意義上的一種工業控制計算機 于是 美國電器制造商協會將其正式命名為可編程序控制器 ProgrammableController 簡稱PC 由于它與個人計算機 Personalcomputer 的簡稱PC相同 所以人們習慣上仍將其稱為PLC PLC的起源 2 PLC是以微處理器為基礎 綜合了計算機技術 自動控制技術和通信技術而發展起來的一種新型 通用的自動控制裝置 其硬件組成與微型計算機相似 工業自動控制中使用的可編程控制器的種類很多 不同類型的產品各有特點 但可編程控制器在組成 工作原理及編程方法等許多方面是基本相同的 PLC的基本結構 目前 世界上一些著名電器生產廠家幾乎都在生產PLC 產品功能日趨完善 換代周期越來越短 為了進一步擴大PLC在工業自動化領域的應用范圍 適應大 中 小型企業的不同需要 PLC產品大致向兩個方向發展 小型PLC向體積縮小 功能增強 速度加快 價格低廉的方向發展 使之能更加廣泛地取代繼電器控制 更便于實現機電一體化 大 中型PLC向高可靠性 高速度 多功能 網絡化的方向發展 將PLC系統的控制功能和信息管理功能融為一體 使之能對大規模 復雜系統進行綜合性的自動控制 PLC的發展方向 PLC的基本組成 PLC控制系統示意圖 組合式PLC組成示意圖 1 編程方法簡單易學 2 功能強 性能價格比高3 硬件配套齊全 用戶使用方便 適應性強4 可靠性高 抗干擾能力強5 系統的設計 安裝 調試工作量少6 維修工作量小 維修方便 7 體積小 能耗低 PLC的特點 中央處理單元是PLC的主要組成部分 是系統的控制中樞 它的主要功能是 1 接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據 檢查電源 存儲器 I O以及警戒定時器的狀態 并診斷用戶程序的語法錯誤 當PLC投入運行時 首先以掃描方式接收現場各輸入裝置的狀態或數據 并分別存入I O映像區 2 然后從用戶程序存儲器中逐條取指令 按指令的規定執行邏輯或算術運算任務 并將運算結果存入I O映像區或數據寄存器內 3 等到所有用戶程序掃描執行完畢后 才將I O映像區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置 如此循環運行 直至停止運行為止 CPU 1 開關量輸入按照輸入端電源類型的不同 開關量輸入可分為直流輸入和交流輸入 直流輸入的電路如圖所示 外接的直流電源極性可任意 虛線框內是PLC內部輸入電路 虛線框外為外部用戶接線 輸入 輸出接口 直流輸入電路 2 開關量輸出按輸出電路所用開關器件的不同 PLC的開關量輸出可分為晶體管輸出 雙向晶閘管輸出和繼電器輸出 1 在晶體管輸出電路中 負載電源只能是直流 由用戶提供 輸出電路負載能力小 工作電流僅0 3 0 5A 為無觸點開關 晶體管輸出接口使用壽命長 響應速度快 其延遲一般為0 5 1ms 輸入 輸出接口 開關量輸出 a 晶體管輸出 晶體管輸出 2 在雙向晶閘管輸出電路中 輸出電路采用的開關器件是光控雙向晶閘管 負載電源由用戶提供 它使PLC的負載可以根據需要選用直流或交流電源 輸出電路負載能力較大 工作電流約1A左右 響應速度較快 一般導通延遲為1 2ms 關斷延遲為8 10ms 開關量輸出 開關量輸出 b 雙向晶閘管輸出 雙向晶閘管輸出 3 繼電器輸出電路中 負載電源由用戶提供 可以是交流也可以是直流 視負載情況而定 輸出電路抗干擾能力強 負載能力大 工作電流可達2 5A 但信號響應速度較慢 其延遲一般為8 10ms 開關量輸出 開關量輸出 c 繼電器輸出 繼電器輸出 電源部件將交流電源轉換成PLC的中央處理器 存儲器等電路工作所需要的直流電源 使PLC能正常工作 PLC內部使用的電源是整機的供電中心 它的優劣直接影響到PLC的功能和可靠性 因此目前大部分PLC采用開關式穩壓電源供電 開關式穩壓電源的輸入電壓范圍寬 體積小 效率高 重量輕 抗干擾性能好 有的PLC還能向外部提供24V的直流電源 給輸入單元所連接的外部開關或傳感器供電 電源部件 PLC的工作原理 PLC有3種工作模式 RUN 運行 STOP 停止 和STARTUP 啟動 STOP 停止 CPU不執行用戶程序 所有輸出被禁止或按組態時的設置提供替代值或保持最后的輸出值 STARTUP 啟動 1 復位過程映像輸入區 I存儲區 2 用上一次RUN模型最后的值或替化值初如化輸出 3 執行OB 首先執行OB100 啟動OB中用指令對過程映象輸入的讀訪問均為0 可以用立即讀指令讀取物理輸入點的當前狀態 4 將物理輸入狀態復制點I存儲區 5 將中斷事個保存到隊列 以便在RUN模式進行處理 6 將過程映象輸出區 Q區 的值寫到物理輸出 在啟動階段不進行循環時間監控 RUN 運行 將過程映象輸出區的值寫到物理輸出 將物理狀態復制到過程映象輸入區 執行一個或多個OB 首行執行主程序OB1 處理通信請求和進行自診斷 上述任務是順序執行的 這種周而復始的循環工作方式稱為掃描循環 在掃描循環的任意階段 階段5 出現中斷事件時 執行中斷程序 PLC的工作原理 掃描過程 PLC的工作原理 PLC在RUN工作狀態時 執行一次掃描過程所需的時間稱為掃描周期 典型值為1 100ms 掃描周期 26 I O的存取通過I O映像寄存器 而不是實際I O 優點 1 程序執行階段輸入固定 執行完后再用輸出映像寄存器的值更新輸出點 使系統運行穩定 2 用戶程序讀寫I O映像寄存器比讀寫I O點快得多 可以提高程序的執行速度 過程映像寄存器 在程序執行的過程中使用立即I O指令可以直接存取I O點 用立即I O指令讀輸入點時 相應的輸入過程映像寄存器的值未被更新 用立即I O指令寫輸出點時 相應的輸出過程映像寄存器的值被更新 立即I O的處理 S7 1200PLC ProgrammableLogicController 是西門子公司推出的一款PLC 主要面向簡單而高精度的自動化任務 S7 1200設計緊湊 組態靈活且具有功能強大的指令集 這些特點的組合使它成為控制各種應用的完美解決方案 CPU將微處理器 集成電源 輸入電路和輸出電路組合到一個設計緊湊的外殼中以形成功能強大的PLC CPU根據用戶程序邏輯監視輸入并更改輸出 用戶程序可以包含布爾邏輯 計數 定時 復雜數學運算以及與其它智能設備的通信 S7 1200PLC簡介 S7 1200PLC簡介 30 S7 1200PLC簡介 S7 1200PLC在西門子PLC系列產品中的定位 S7 1200的硬件 電源接口 可拆卸用戶接線連接器 保護蓋下面 板載I O的狀態LED PROFINET連接器 CPU的底部 指示CPU運行狀態的LED CPU模塊 CPU模塊技術規范 CPU的共性 集成的24V傳感器 負載電源可供傳感器和編碼器使用 也可以用做輸入回路的電源 集成的2點模擬量輸入 0 10V 輸入電阻100k 10位分辨率 2點脈沖列輸出 PTO 或脈寬調制 PWM 輸出 最高頻率為100kHz 有16個參數自整定的PID控制器 4個時間延遲與循環中斷 分辨率為1ms 可以擴展3塊通信模塊和一塊信號板 CPU可以用信號板擴展一路模擬量輸出或高速數字量輸入 輸出 CPU模塊技術規范 CPU的3種版本 CPU模塊技術規范 CPU1214CAC DC Relay的外部接線圖 CPU1214CDC DC DC的外部接線圖 CPU1214CDC DC Relay的外部接線圖 通過信號板可以給CPU增加I O SB連接在CPU的前端 具有4個數字量I O 2xDC輸入和2xDC輸出 的SB具有1路模擬量輸出的SB 信號板SB signalboard 信號板SB1221接線圖 信號板SB1222接線圖 信號板SB1223接線圖 信號板SB12321x模擬量輸出接線圖 可以使用信號模塊給CPU增加附加功能 信號模塊連接在CPU右側 信號模塊SM signalmodule 可以選用8點 16點和32點的數字量輸入 輸出模塊 來滿足不同的控制需要 數字量I O 1 在工業控制中 某些輸入量 溫度 壓力 流量 轉速等 是模擬量 某些執行機構 例如電動調節閥和變頻器等 要求PLC輸出模擬量信號 而PLC的CPU只能處理數字量 2 模擬量I O模塊的任務就是實現A D和D A 3 模擬量首先被傳感器和變送器轉換為標準量程的電壓或電流 例如4 20mA 1 5V 0 10V PLC用模擬量輸入模塊的A D轉換器將它們轉換成數字量 帶正負號的電流或電壓在A D轉換后用二進制補碼來表示 4 模擬量輸出模塊的D A轉換器將PLC中的數字量轉換為模擬電壓或電流 再去控制執行機構 5 A D和D A的二進制位數反映了它們的分辨率 位數越多 分辨率越高 模擬量I O 實時工業以太網是現場總線發展的趨勢 PROFINET是基于工業以太網的現場總線 是開放式的工業以太網標準 它使工業以太網的應用擴展到了控制網絡最底層的現場設備 S7 1200與編程計算機的通信 集成的PROFINET接口 S7 1200與精簡系列面板的通信 集成的PROFINET接口 利用工業以太網交換機CSM1277進行多設備的連接 集成的PROFINET接口 有兩種通信模塊 CM1241RS232和CM1241RS485CPU最多支持3個通信模塊各CM連接在CPU的左側 或連接到另一CM的左側 簡介通信模塊 Communicationmodule 1 2 在編程接口模式下利用CM1241進行點對點連接 簡介通信模塊 Communicationmodule 2 2 Q A 53 SIMATICSTEP7Basic是西門子公司開發的高集成度工程組態系統 包括面向任務的HMI智能組態軟件SIMATICWinccBasic 上述兩個軟件集成在一起 也稱為TIA TotallyIntegratedAutomation 全集成自動化 Portal 它提供了直觀易用的編輯器 用于對S7 1200和精簡系列面板進行高效組態 除了支持編程以外 STEP7Basic還為硬件和網絡組態 診斷等提供通用的工程組態框架 STEP7Basic提供了兩種編程語言 LAD和FBD 有兩種視圖 Portal 門戶 視圖 可以概覽自動化項目的所有任務 項目視圖 將整個項目 包括PLC和HMI 按多層結構顯示在項目樹中 1 3編程工具STEP7Basic 特點 54 1 3編程工具STEP7Basic 典型的自動化系統1 2 典型的自動化系統包含以下內容 借助程序來控制過程的PLC 用來操作和可視化過程的HMI設備 55 1 3編程工具STEP7Basic 典型的自動化系統2 2 TIAPortal可用來幫助您創建自動化系統 關鍵的組態步驟為 創建項目配置硬件聯網設備對PLC編程組態可視化加載組態數據使用在線和診斷功能 56 1 3編程工具STEP7Basic 工程組態系統 可以使用TIAPortal在同一個工程組態系統中組態PLC和可視化 所有數據均存儲在一個項目中 STEP7和WinCC不是單獨的程序 而是可以訪問公共數據庫 所有數據均存儲在一個公共的項目文件中 57 1 3編程工具STEP7Basic 數據管理 在TIAPortal中 所有數據都存儲在一個項目中 修改后的應用程序數據 如變量 會在整個項目內 甚至跨越多臺設備 自動更新 58 1 3編程工具STEP7Basic 界面總覽 任務卡 詳細視圖 工作區 巡視區 設備或網絡概覽區 編輯器欄 59 1 3編程工具STEP7Basic 創建新項目 項目 新建 出現 創建新項目 對話框 60 1 3編程工具STEP7Basic 添加新設備 雙擊項目樹中的 添加新設備 61 1 3編程工具STEP7Basic 參數設置 選項 設置 62 1 4硬件組態 組態的任務 設備組態 configuring 的任務就是在設備和網絡編輯器中生成一個與實際的硬件系統對應的模擬系統 包括系統中的設備 PLC和HMI PLC各模塊的型號 訂貨號和版本 模塊的安裝位置和設備之間的通信連接 都應與實際的硬件系統完全相同 此外還應設置模塊的參數 即給參數賦值 或稱為參數化 自動化系統啟動時 CPU比較組態時生成的虛擬系統和實際的硬件系統 如果兩個系統不一致 將采取相應的措施 63 1 4硬件組態 添加模塊 在硬件組態時 需要將I O模塊或通信模塊放置到工作區的機架的插槽內 用 拖放 的方法放置硬件對象 用 雙擊 的方法放置硬件對象 64 1 4硬件組態 過濾器 如果激活了硬件目錄的過濾器功能 則硬件目錄只顯示與工作區有關的硬件 例如用設備視圖打開PLC的組態畫面時 則硬件目錄不顯示HMI 只顯示PLC的模塊 65 1 4硬件組態 刪除硬件組件 可以刪除設備視圖或網絡視圖中的硬件組態組件 被刪除的組件的地址可供其他組件使用 不能單獨刪除CPU和機架 只能在網絡視圖或項目樹中刪除整個PLC站 刪除硬件組件后 可以對硬件組態進行編譯 編譯時進行一致性檢查 如果有錯誤將會顯示錯誤信息 應改正錯誤后重新進行編譯 66 1 4硬件組態 信號模塊和信號板的地址分配1 3 添加了CPU 信號板或信號模塊后 他們的I O地址是自動分配的 選中 設備概覽 可以看到CPU集成的I O模板 信號板 信號模塊的地址 67 1 4硬件組態 信號模塊和信號板的地址分配2 3 選中模塊 通過巡視窗口的 I O地址 硬件標識符 可以修改模塊的地址 也可以直接在設備概覽中修改 68 1 4硬件組態 信號模塊和信號板的地址分配3 3 DI DO的地址以字節為單位分配 沒有用完一個字節 剩余的位也不能作它用 AI AO的地址以組為單位分配 每一組有兩個輸入 輸出點 每個點 通道 占一個字或兩個字節 建議不要修改自動分配的地址 69 1 4硬件組態 數字量輸入點的參數設置1 2 選中設備視圖中的CPU 信號模塊或信號板 然后選中巡視窗口 設置輸入端的濾波器時間常數 70 1 4硬件組態 數字量輸入點的參數設置2 2 可以激活輸入點的上升沿和下降沿中斷功能 以及設置產生中斷時調用的硬件中斷OB 激活輸入端的脈沖捕捉 PulseCatch 功能 即暫時保持窄脈沖的ON狀態 直到下一次刷新輸入過程映像 71 1 4硬件組態 數字量輸出點的參數設置 選擇在CPU進入STOP時 數字量輸出保持最后的值 或使用替換值 選擇 使用替換值 可以設置替換值 選中復選框表示替換值為1 反之為0 72 1 4硬件組態 模擬量輸入點的參數設置 積分時間越長 精度越高 快速性越差 干擾抑制頻率越低 為了抑制工頻干擾 積分時間一般選擇20ms 測量種類和范圍 濾波用平均值數字濾波來實現 濾波等級越高 模擬值越穩定 但快速性越差 是否啟用超出上限值或低于下限值時的診斷功能 73 1 4硬件組態 模擬量輸出點的參數設置 激活電壓輸出的短路診斷功能 激活電流輸出的斷路診斷功能 超出上限值32511或下限值 32512的診斷功能 CPU進入STOP時輸出點的值 模擬量輸出類型 電壓或電流 和范圍 74 1 4硬件組態 模擬量如轉換后模擬值表示1 2 模擬量輸入輸出模塊中模擬量對應的數字稱為模擬值 模擬值用16位二進制補碼 整數 表示 最高位 第16位 為符號位 正數的符號位為0 負數的符號位為1 模擬量經A D轉換后得到的數值的位數如果小于16 則自動左移 使其符號位在16位字的最高位 未使用的低位則填入0 稱為 左對齊 設模擬量的精度為12位加符號位 左移3位后 相對于實際的模擬值被乘以8 這種處理方法的優點在于模擬量的量程與移位處理后的數字的關系是固定的 與左對齊之前的轉換值無關 便于后續的處理 75 1 4硬件組態 模擬量如轉換后模擬值表示2 2 76 1 4硬件組態 轉換舉例1 3 根據模擬量輸入模塊的輸出值計算對應的物理量時 應考慮變送器的輸入 輸出量程和模擬量輸入模塊的量程 找出被測物理量與A D轉換后的數字之間的比例關系 例 壓力變送器的量程為0 10MPa 輸出信號為0 10V 模擬量輸入模塊的量程為0 10V 轉換后的數字量為0 27648 設轉換后得到的數字為N 試求以kPa為單位的壓力值 0 10MPa的模擬量對應于數字量0 27648 轉換公式為 在運算時一定要先乘后除 否則會損失原始數據的精度 77 1 4硬件組態 轉換舉例2 3 例 某溫度變送器的