- 零基础轻松学会西门子S7-300/400
- 王时军
- 3051字
- 2020-12-04 16:27:09
第1章 SIMATIC S7-300/400 PLC
1.1 PLC的基础概述
1.1.1 PLC概述
为工业设计而制造的可编程序控制器(Programmable Controller)是计算机家族的一员,随着应用的发展,为了能够代替继电器实现逻辑控制功能,遂诞生了可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。
最早的PLC是在1969年,美国数字设备公司(DEC)为投标于美国通用汽车公司而设计制造了它。直到1987年,国际电工委员会(IEC)对PLC的定义做出如下归纳:PLC是一种进行数字运算的电子系统,是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。它采用可编程的存储器来存储指令,实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作,并通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种机械的生产过程。PLC及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统连成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
由此可见,PLC是一种特殊的计算机系统,它既具有完成各种各样控制的功能,又具有和其他计算机通信联网的功能。PLC以微处理器为基础,结合计算机技术、自动控制技术、通信技术,针对工业环境设计,可移植性高并且工作可靠。
从诞生之初到如今的PLC,发展过程经历了3个阶段:从20世纪70年代至80年代中期,以单片机为主发展硬件技术,为取代传统的继电器、接触器控制系统而设计了各种PLC的基本型号;到80年代末期,为适应柔性制造系统(FMS)的发展,在提高单机功能的同时,加强软件的开发,提高通信能力;90年代以来,为适应计算机集成制造系统(CIMS)的发展,采用多CPU的PLC系统,不断提高运算速度和数据处理能力,通信能力进一步提高。“网络就是计算机”这一观点已渗透到PLC领域,强大的网络通信功能更使PLC如虎添翼,随着各种功能模块、应用软件的开发,加速了PLC向连续控制、过程控制领域的发展。
PLC的总发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展,一方面在与计算机的结合更紧密的情况下,制造出更多模块化的产品;另一方面,PLC的网络与通信能力的增强,将会设计制造出更多标准化与多样化的产品,让工业软件在新的时代有着更迅速的发展。
1.1.2 PLC的特点
PLC如此迅速的发展,一方面基于工业自动化的客观需要,另一方面它有许多独特的优点。比如:能较好地解决工业控制领域中用户普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等,PLC的特点介绍如下:
1.具有高可靠性
对PLC选用的器件进行了严格筛选,PLC的输入输出电路均采用光电隔离技术,屏蔽工业现场的干扰信号。在输入电路中还普遍采用RC滤波。PLC的CPU具有自诊断功能,能对异常情况进行有效处理。大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三CPU构成表决系统,使可靠性进一步提高。
2.具有丰富的模块
工业现场的信号有很多种,比如交流和直流信号、开关量和模拟量信号、电压和电流信号等。PLC针对不同的工业现场信号,设计了相应的信号处理模块与工业现场的器件或设备进行连接。现代的PLC在人—机接口模块、通信模块方面有更强的功能。
3.采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC都采用模块化结构,PLC的各个部件划分为CPU、电源、I/O等多种模块,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4.编程简单易学
PLC的编程一般都支持梯形图语言,它类似于继电器控制线路,对使用者来说不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5.安装简单,维修方便
PLC可以在各种工业环境下直接运行,使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行,各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。模块化结构的系统,一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.1.3 PLC的组成
PLC之所以实现控制,就是按一定算法进行输入/输出(I/O)变换,并将这个变换予以物理实现。说简单点,就是按一条条的指令,不断地在输入/输出间存储转换。
由此我们可以说PLC是微型计算机技术与机电控制技术相结合的产物,是一种以微处理器为核心,用于电气控制的特殊计算机,它采用典型计算机结构,主要由中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、存储器、I/O接口、电源、通信接口、扩展接口等单元部件组成,这些单元部件都是通过内部总线进行连接的,如图1-1所示。
1.中央处理器
PLC的中央处理器与普通计算机控制系统一样,一般由控制器、运算器、寄存器等组成。CPU是PLC的核心,一切逻辑运算及判断都是由它完成的,并控制所有其他部件的操作。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储器、I/O接口电路等相连接。用户程序和数据存放在存储器中,当PLC处于运行方式时,CPU按扫描方式工作,从用户程序第一条指令开始,直至用户程序的最后一条指令,不停地周期性扫描,每扫描完成一次,用户程序就执行一次。
图1-1 PLC的基本结构
CPU的主要功能有从存储器中读指令、执行指令、处理中断等。
2.存储器
存储器是具有记忆功能的半导体集成电路,用来存储系统程序、用户程序、逻辑变量以及数据、系统组态和其他一些信息。
系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序,这些程序是由PLC制造商用相应CPU的指令系统编写的,并固化到ROM(只读存储器)中。
用户程序存储器用来存放由编程器或其他设备输入的用户程序。用户程序由使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写,可通过编程器或编程软件修改。在PLC中使用两种类型的存储器:一种是只读类型的存储器,如ROM、PROM、EPROM和E2PROM等;另一种是可读写的RAM。现说明如下:
1)只读存储器。只读存储器可以用来存放系统程序,PLC去电后再加电,系统程序内容不变且重新执行。只读存储器也可用来固化用户程序和一些重要的参数,以免因为偶然操作失误而造成程序和数据的破坏和丢失。
2)随机存储器。RAM中一般存放用户程序和系统参数。当PLC处于编程工作方式时,用编程器或编程软件下载到PLC中的程序和参数存放到RAM中,当切换到运行方式时,CPU从RAM中取指令并执行。用户程序执行过程中产生的中间结果也在RAM中暂时存放。RAM通常为CMOS型集成电路,功耗小,速度快,但断电时内容丢失。所以在有的PLC中使用大电容或后备电池保证掉电后PLC中的内容在一定时间内不会丢失。
3.I/O单元
I/O单元又称为I/O模块,它是PLC与工业生产设备或工业过程连接的接口。现场的输入信号,如按钮、行程开关、限位开关以及各传感器输出的开关量或模拟量等,都要通过输入模块送到PLC中。由于这些信号电平各式各样,而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平,所以输入模块还需要将这些信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收CPU处理过的数字信号,并把它转换成现场的执行部件所能接收的控制信号,以驱动负载,如电磁阀、电动机、灯光显示等。
PLC的I/O模块上通常都有接线端子,PLC类型不同,I/O模块的接线方式也不同,通常按其接线方式分为汇点式、分组式和隔离式这3种,如图1-2所示。
每个I/O模块分别只有一个公共端(COM)的被称为汇点式,其输入或输出点共用一个电源;分组式是指将I/O端子分为若干组,每组的I/O电路有一个公共端并共用一个电源,组与组之间的电路隔开;隔离式是指具有公共端的各组I/O点之间互相隔离,可各自使用独立的电源。
图1-2 I/O模块的3种接线方式
4.电源单元
PLC的电源单元通常会将220V的单相交流电源转换成CPU、存储器等电路工作所需的直流电,它是整个PLC系统的能源供给中心,电源的好坏直接影响PLC的稳定性和可靠性。
对于小型整体式PLC,其内部有一个高质量的开关稳压电源,为CPU、存储器、I/O模块提供5V直流电源,还可为外部输入单元提供24V的直流电源。
5.通信接口
为了实现微机与PLC、PLC与PLC间的对话,PLC配有多种通信接口,如打印机、上位计算机和编程器等接口。
6.I/O扩展接口
I/O扩展接口用于将扩展单元或特殊功能单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活,以满足不同控制系统的要求。