西門子6es7321-1bh02-4aa1數字量模組

高效工程組態成就高效自動化

第一節 plc概念

1、plc的基本概念西門子6es7321-1bh02-4aa1數字量模組

可編程控制器(programmable controller)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱plc，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱pc。但是為了避免與個人計算機(personal computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱plc

2、plc的基本結構

plc實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：

a. 中央處理單元(cpu)

中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統程序賦予的功能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，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入i/o映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入i/o映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將i/o映象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，直到停止運行。

為了進一步提高plc的可*性，近年來對大型plc還采用雙cpu構成冗余系統，或采用三cpu的表決式系統。這樣，即使某個cpu出現故障，整個系統仍能正常運行。

b、存儲器

存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。

存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

c、電源

plc的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統是無法正常工作的，因此plc的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10％(+15％)范圍內，可以不采取其它措施而將plc直接連接到交流電網上去。

3、plc的工作原理

一. 掃描技術

當plc投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，plc的cpu以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

(一) 輸入采樣階段

在輸入采樣階段，plc以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入i/o映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，i/o映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

(二) 用戶程序執行階段

在用戶程序執行階段，plc總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統ram存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。

即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在i/o映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在i/o映象區或系統ram存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

(三) 輸出刷新階段

當掃描用戶程序結束后，plc就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是plc的真正輸出。

比較下二個程序的異同：

程序1：

程序2：西門子6es7321-1bh02-4aa1數字量模組

這兩段程序執行的結果完全一樣，但在plc中執行的過程卻不一樣。

※ 程序1只用一次掃描周期，就可完成對％m4的刷新；

※ 程序2要用四次掃描周期，才能完成對％m4的刷新。

這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區別了。

一般來說，plc的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的總和。

二. plc的i/o響應時間

為了增強plc的抗干擾能力，提高其可*性，plc的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。

為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，plc采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術)。

以上兩個主要原因，使得plc得i/o響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。

所謂i/o響應時間指從plc的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。其最短的i/o響應時間與最長的i/o響應時間如圖所示：

第(n-1)個

掃描周期

最短i/o響應時間：

最長i/o響應時間

siemens plc在中國的產品，根據規模和性能的大小，主要有 s7-200 s7-300 和s7-400三種，下面就簡單介紹一下該三種產品的一些特性。

s7-200

針對低性能要求的摸塊化小控制系統，它最多可有7個模塊的擴展能力，在模塊中集成背板總線，它的網絡聯接有rs-485通訊接口和profibus兩種，可通過編程器pg訪問所有模塊，帶有電源、cpu和i/o的一體化單元設備。

其中的擴展模塊（em）有以下幾種：數字量輸入模塊（di）——24vdc 和 120/230vac；數字量輸出（do）——24vdc 和 繼電器；模擬量輸入模塊（ai）——電壓、電流、電阻和熱電偶；模擬量輸出模塊——電壓和電流。  還有一個比較特殊的模塊-通訊處理器（cp）——該塊的功能是可以把s7-200作為主站連接到as-接口（傳感器和執行器接口），通過as-接口的從站可以控制多達248個設備，這樣就可以顯著的擴展s7-200的輸入和輸出點數。