機電一體化 畢業(yè)論文

畢 業(yè) 論 文 課 題 名 稱 十字路口交通信號燈控制 分 院/專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指導(dǎo)教師： 2013 年 5 月 31 日 摘 要 自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進。設(shè)計方法也開始多種多樣， 從而使交通燈顯得更加智能化。作為交通控制的重要組成部份的交通信號燈也應(yīng)適合社會實際 情況。這是選擇制作十字路口交通燈的目的。 可編程控制器(PLC)以微處理器為核心，普遍采用依據(jù)繼電接觸器控制系統(tǒng)電氣原理圖編制 的梯形圖語言進行程序設(shè)計，編程容易，功能擴展方便，修改靈活,而且結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力 強。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴充設(shè)備，有豐富的特殊擴展設(shè)備， 其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備更是符合交通燈控制系統(tǒng)的要求與特點，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。 本文選擇西門子可編程控制器 S7-200 為核心部件，著重進行硬件接口設(shè)計，利用梯形圖和 語句表進行編程，實現(xiàn)了十字路口交通燈控制系統(tǒng)的自動化。每個路口采用 LED 數(shù)碼管，倒計 時顯示，使得計時功能更加直觀。 關(guān)鍵詞：西門子；PLC；交通信號燈；控制；LED；倒計時 ABSTRACT Since the inception of traffic lights, its internal control system on the circuit to be continuously improved. Design began to diversity, so that even more intelligent traffic lights. Traffic control as an integral part of the traffic signals should also be suitable for the actual social situation. This is the choice making crossroads, traffic lights. Programmable Logic Controller (PLC) microprocessor core, based on commonly used electrical relay contactor control system ladder diagram compiled programming language, programming is easy, convenient features extend, modify and flexible, and simple, anti- interference ability. Siemens PLC instruction rich, you can take a variety of output, input expansion device with rich special expansion devices, including analog input devices and communications equipment is according to the traffic light control system requirements and features, the ability to easily network communication. This choice of Siemens S7-200 programmable controller as the core components, hardware interface design focuses on the use of ladder and statements table programming, a crossroads of traffic light control system automation.Each intersection with LED digital tube, countdown display, making timing more intuitive functionality. 【Key Word】: siemens; PLC; traffic lights; control; LED; countdown 目 錄 摘 要 .II ABSTRACT.III 第一章 緒論 .1 1.1 引言 .1 1.2 課題研究目的及意義 .1 1.3 課題主要研究工作 .2 1.3 本課題的主要內(nèi)容 .2 第二章 PLC 的基礎(chǔ) .3 2.1 PLC 的基礎(chǔ)和特點 .3 2.2 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理 .4 2.2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu) .4 2.2.2 PLC 的工作原理 .6 第三章 西門子 S7-200 系列 PLC 的硬件單元 .7 3.1 主機 .7 3.1.1 CPU 的主要特點 .7 3.1.2 存儲系統(tǒng) .8 3.2 擴展單元 .8 3.3 特殊功能模塊 .9 3.4 內(nèi)部軟元件 .10 3.5 基本指令 .11 第四章 控制方案設(shè)計 .13 4.1 技術(shù)控制要求 .13 4.2 總體方案確定 .14 4.2.1 方案的原理 .14 4.2.2 方案的特點 .15 4.2.3 方案的選擇依據(jù) .15 第五章 I/O 分配及元器件選型 .16 5.1 輸入點、輸出點的地址分配 .16 5.2 PLC 選型 .17 5.3 倒計時模塊選型 .18 5.3.1 常用譯碼器 .18 5.3.2 LED 七段數(shù)碼顯示器 .20 5.4 電氣接線圖 .20 第六章 交通信號燈的 PLC 控制器詳細設(shè)計過程 .21 6.1 交通信號燈控制系統(tǒng)動作流程圖 .21 6.2 十字路口交通信號燈控制的梯形圖及語句表 .21 6.3 倒計時控制程序梯形圖及語句表 .25 第七章 系統(tǒng)的調(diào)試 .30 7.1 系統(tǒng)程序調(diào)試 .30 7.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試 .30 7.3 聯(lián)機調(diào)試 .30 第八章 結(jié)束語 .32 致謝 .33 參考文獻 .34 附件 .35 電氣接線圖： .35 程序指令表 .36 程序梯形圖 .38 第一章 緒論 1.1 引言 1858 年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈， 用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868 年，英國機械工程師納伊特在倫敦威 斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方 形玻璃提燈組成，紅色表示“停止” ，綠色表示“注意” 。1869 年 1 月 2 日，煤氣燈爆炸，使警 察受傷，遂被取消。1914 年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的 投光器組成，安裝在紐約市 5 號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止” ，綠燈亮表示“通行” 。 1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安 在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下 嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人 要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信 號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有 明顯效果。1968 年，聯(lián)合國道路交通和道路標志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。 綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標志禁止某一種轉(zhuǎn) 向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈 是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的 車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。 1.2 課題研究目的及意義 在十字路口設(shè)置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力 的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在日益繁忙 的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，成為研究的課題。 傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查，運用統(tǒng)計的方法 將兩個方向紅綠燈的延時預(yù)先設(shè)置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路 口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運行、較適用的方案，仍然會發(fā)生 這樣的現(xiàn)象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的 偶然性是無法建立準確模型的，統(tǒng)計的方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀，更為現(xiàn)實的需要 是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。 目前，大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉(zhuǎn)換時間間隔的控制方法。由于 十字路口不同時刻車輛的流量是復(fù)雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經(jīng)常 造成道路有效利用時間的浪費，出現(xiàn)空等現(xiàn)象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數(shù)學(xué)模 型的模糊控制方法設(shè)計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術(shù)在日 常生活的普遍應(yīng)用，城市空中各種電磁干擾日益嚴重，為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定，選擇了 能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的 PLC 是必要的。 1.3 課題主要研究工作 城市交通系統(tǒng)是一種非線性的、時變的、滯后的大系統(tǒng)，以往的交通控制研究多是基于啟 發(fā)式的考慮，而不是基于控制理論的方法。近多年來，隨著眾多研究控制理論出身的學(xué)者的加 盟，使得城市交通自動控制領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了新的思路、新的方法。本小節(jié)就近年來交通信號 控制理論的研究進展作一簡述。 (1)靜態(tài)多段配時控制 靜態(tài)多段配時控制是利用歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)的一種開環(huán)控制，其基本設(shè)計思想源于線性規(guī)劃。 它沒有考慮交通需求的隨機波動，沒有考慮城市道路交通流的實時進化過程，其控制能力和抗 干擾能力非常有限。但就城市某一區(qū)域而言，每日的交通狀況畢竟表現(xiàn)出相當程度的重復(fù)性， 車流的運動變化仍有一定的規(guī)律可循。因此研究靜態(tài)多段配時控制，將其作為其他控制策略的 “參照系”，或為它們提供“初值系統(tǒng)”還是很有意義的。這種方法簡便易行，尤其適用于穩(wěn) 態(tài)交通環(huán)境，頗受交通工程人員歡迎。 (2) 準動態(tài)多段配時控制 準動態(tài)多段配時控制與靜態(tài)多段配時控制相類似，只不過多段的劃分不是以時間為依據(jù)， 而是以檢測到的實時交通狀態(tài)為依據(jù)。交通狀態(tài)可以用交通量、占有率、車速等交通數(shù)據(jù)的特 征值來表達。被劃分成的若干個交通狀況分別配以不同的優(yōu)化配時。準動態(tài)多段配時控制是一 閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于反饋的引入，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能比靜態(tài)多時段控制有明顯改善，但是又 由于它的控制方式仍屬于方案選擇式，所以系統(tǒng)動態(tài)性能的改善又十分有限，故稱之為準動態(tài) 系統(tǒng)。 1.3 本課題的主要內(nèi)容 認識并了解 PLC 的基礎(chǔ)，S7-200 系列 PLC 的硬件單元。對十字路口交通燈的任務(wù)進行了分 析，確定了輸入/輸出管腳分配，原器件選型。并給出了具體的控制方案，以及時序圖。詳細的 設(shè)計過程，包括程序流程圖、交通燈和倒計時模塊的梯形圖及語句表，同時做出相應(yīng)解釋。 第二章 PLC 的基礎(chǔ) 2.1 PLC 的基礎(chǔ)和特點 PLC 即可編程控制器（Programmable logic Controller） ，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工 業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草 案中對 PLC 做了如下定義： 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一 類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作 等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 ?？删幊炭刂?器及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模、集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不 斷進步，PLC 也迅速發(fā)展其發(fā)展過程大致可以分為三個階段 1。 a. 早期的 PLC 早期的 PLC 稱為可編程邏輯控制器。這時，PLC 主要功能只是執(zhí)行原先由繼器完成的順序 控制、定時等。早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、 體積小、能耗低、有故障指示及能重復(fù)使用等。其中 PLC 特有的編程語言梯形圖，一直沿 用到現(xiàn)在。 b. 中期的 PLC 這時 PLC 產(chǎn)品已使用了 16 位、32 位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理， 通信技術(shù)是 PLC 的應(yīng)用得到了進一步的發(fā)展。在硬件方面，除了保留原有的開發(fā)模塊外，還增 加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈 的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 的范圍更大。在軟件方面，還增加了算 術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送通信、直診斷等功能。 c. 近期的 PLC 由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器價格的大幅度下降，使的各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。為了提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了 專用邏輯處理芯片。 世界上生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品的廠家多達 200 多個，其中比較著名的有美國的 AB、通用 (GE)，日本的三菱 (MITSBISHI)、 歐姆龍(OMRON)、松下，德國的西門子(SIEMENS) ， 韓國的三星(SUMSUNG)、 LG 等。 PLC 具有以下主要特點： 1. 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格 的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。由于 PLC 模塊均采 用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的 I/O 接口電路均采用光電隔離;在結(jié)構(gòu)上對、防潮、防塵、 抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施; 在軟件上采用數(shù)字 濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使 PLC 具有較高的抗干擾能力。 2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強 在 PLC 控制系統(tǒng)中，只需要在 PLC 輸入/ 輸出端子上接入相應(yīng)的信號線即可，不需要連接 如繼電器之類的低壓電器和大量而又復(fù)雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。PLC 的輸入/輸出可直接與交流 220V、直流 24V 等強電相連，并且具有較強的帶負載能力。 3. 編程方便，易于使用 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于 為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計 算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4. 功能完善 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工 業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù) 字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。在 PLC 內(nèi)部具備許多控制功能，如：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步 進控制、PID 控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有其他特殊功能模塊。 5. 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造 的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過 程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 6. 體積小，維護操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。 使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運 行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 2.2 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 在種類繁多的 PLC 中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用 PLC 實施控制，其實質(zhì)是按 一定算法進行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個轉(zhuǎn)換給予物理實現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC 專為工業(yè) 現(xiàn)場而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出 接口電路等組成。 1. 中央處理器(CPU) 中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內(nèi)，CPU 通過 數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按照 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮 PLC 有條不序地進行工作。用戶 程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當 PLC 處于運行方式時， CPU 按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU 的主要任務(wù)如下： (1) 按 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或 PLC 內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (4) 在 PLC 進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī) 定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組 合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務(wù)。根據(jù)運算結(jié)果更 換有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2. 存儲器 PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。 (1)系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放 PLC 的系統(tǒng)程序的存儲器。它由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計者規(guī)定的各項工 作。其主要內(nèi)容包括 3 個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。 (2)用戶存儲器 用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來存放用戶 針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。 PLC 使用的存儲器有 3 種類型： 隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。 3. 輸入/輸出接口單元 PLC 的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/ 輸出接口單元從廣義上 可分為 2 個部分：一部分是與被控制設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存 器。 4. 擴展接口和通信接口 PLC 具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下： (1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是 PLC 的配置更加靈活以滿 足不同控制的系統(tǒng)需求。 (2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC 或計算機相連 從而實現(xiàn)“人-機”或“機-機”之間的對話。 5. 電源部分 PLC 一般使用 220 交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位 PLC 的中央處理器、存儲器等。電路提供 5V、+12V 、24V 等直流電源使 PLC 能正常工作。 6. 編程設(shè)備 編程設(shè)備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 7. 其他部件 有些 PLC 還可以有 ERROM 寫入器、存儲器卡等其他外部設(shè)備，用于增強 PLC 的存儲容量 和擴展功能。 2.2.2 PLC 的工作原理 PLC 在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮。 1. PLC 的 3 個工作階段 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階 段三個階段完成。上述 3 個階段即為一個周期。在整個運行期間 PLC 的 CPU 以一定的掃描速度 重復(fù)執(zhí)行上述 3 個階段。 (1)輸入采樣階段 PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對 應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。 在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變 化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新 內(nèi)容重新寫入。 (2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC 以先左后右，先上后下的步序 逐句掃描。當指令中涉及輸入/輸出時，PLC 從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入 端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后，進行相應(yīng)的運算， 運算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程 而變化。 (3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/ 斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動外部負載。對于小型 PLC，I/O 點數(shù)較少，用戶程序較短，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，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 2. PLC 對輸入/輸出的處理規(guī)則 PLC 對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在 上有個刷新期間的通/斷狀。 第三章 西門子 S7-200 系列 PLC 的硬件單元 3.1 主機 S7-200 CPU22*系列的 CPU 模塊主要包括一個中央處理器、電源、通信口及 I/O 接口。它的 主要作用有：執(zhí)行程序；從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號；輸出控制信號；驅(qū)動外部負載。 S7-200 CPU22*系列的 PLC 具有以下 5 種不同的結(jié)構(gòu)配置： (1)CPU221 具有 6 個輸入點和 4 個輸出點，共計 10 個 I/O 點。無擴展能力。有 4 路高速計 數(shù)器（30KHZ） ，2 路高速脈沖輸出，1 個 RS485 通信/編程口，2 個獨立的輸入端，可同時作加、 減計數(shù)，可連接 2 個相位差為 90 度的 A/B 相增量編碼器。程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，適用于少 點的控制系統(tǒng)。 (2)CPU222 具有 8 個輸入點和 6 個輸出點，共計 14 個 I/O 點。1 個模擬量電位器，最多可 擴展 10AI/AO 點。4KB 用戶程序區(qū)和 2KB 數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有 4 路高速計數(shù)器（30KHZ） ，2 路高速脈 沖輸出，1 個 RS485 通信/編程口，2 個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接 2 個相位差 為 90 度的 A/B 相增量編碼器?？梢赃M行一定模擬量的控制和 2 個模塊的擴展，因此是應(yīng)用更廣 泛全功能控制器。 (3)CPU224 具有 14 個輸入點和 10 個輸出點，共計 24 個 I/O 點。2 個模擬量電位器，最多 可擴展 35AI/AO 點。8KB 用戶程序區(qū)和 5KB 數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有 6 路高速計數(shù)器（30KHZ） ，2 路高速 脈沖輸出，1 個 RS485 通信/編程口，有 7 個擴展模塊。它具有更強的模擬量處理能力，是 S7- 200 系列產(chǎn)品中使用最多的。 (4)CPU226。具有 24 個輸入點和 16 個輸出點，共計 40 個 I/O 點。2 個模擬量電位器，最多 可擴展 35AI/AO 點。8KB 用戶程序區(qū)和 5KB 數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有 6 路高速計數(shù)器（30KHZ） ，2 路高速 脈沖輸出，2 個 RS485 通信/編程口。它主要用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。 (5)CPU226XM。這是西門子公司推出的一種增強型主機。它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲 容量上進行了擴展，其他指標和 CPU226 相同。 3.1.1 CPU 的主要特點 1. 內(nèi)部集成的具有強勁的通信能力的 PPI 接口是 S7-200 的用戶口，CPU 接口物理特性為 RS485，可在三種方式下工作。 (1)PPI 方式：通過 PPI 方式，S7-200 系列 PLC 與計算機之間或者是 PLC 相互之間可通過普 通的兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網(wǎng)。 (2)MPI 方式：通過 MPI 方式，S7-200 可以通過內(nèi)置接口連接到 MPI 網(wǎng)絡(luò)上，它可以與 S7- 300/S7-400CPU 進行通信。 (3)自由口通信方式；通過自由口通信方式，S7-200 系列 PLC 可以與任何通信協(xié)議公開的 其他設(shè)備、控制器進行通信。 2. 豐富的內(nèi)置集成功能 (1)集成的 24V 負載電源，可直接連接到傳感器和變送器 (2)對于不同的設(shè)備類型，其 CPU 各有 2 個類型，具有不同的電源電壓和控制電壓。 (3)中斷輸入，允許以極高的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。 (4)具有 4 到 6 個高數(shù)計數(shù)器（30KHZ） 。 (5)2 路脈沖輸出由于控制步進電機，或伺服電機的運動，從而實現(xiàn)對目標的定位任務(wù)。 3. 豐富的擴展模塊對數(shù)字量和模擬量擴展模塊可方便選用。 4. 具有易于掌握，便捷的操作以及豐富的指令集。 3.1.2 存儲系統(tǒng) S7-200 系列 PLC 的存儲系統(tǒng)由 RAM 和 EEPROM 兩種類型的存儲器構(gòu)成，CPU 模塊內(nèi)部配備了 一定容量的 RAM 和 EEPROM。同時，S7-200 系列 PLC 的 CPU 模塊支持可選的 EEPROM 存儲器卡。 在 CPU 模塊內(nèi)部的超級電容和電池模塊用于長時間的保存數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)可通過主機的超級電 容存儲若干天。 3.2 擴展單元 當 CPU 需要進行某種特殊的功能控制或其 I/O 的擴展，通常 I/O 擴展包括 I/O 的點數(shù)擴展 和功能模塊的擴展兩類。 1. I/O 擴展模塊 S7-200 系列 PLC 提供了五大類擴展模塊： (1)數(shù)字量輸入擴展模板 EM221（8 路擴展輸入） 。 (2)數(shù)字量輸出擴展模板 EM222（8 路擴展輸出） 。 (3)數(shù)字量輸入和輸出混合擴展模板 EM223（8I/O，16I/O，24I/O） 。 (4)模擬量輸入擴展模塊 EM231，每個 EM231 可擴展 3 路模擬量輸入通道，A/D 轉(zhuǎn)換時間 25uS，分辨率為 12 位。 (5)模擬量輸入擴展模塊 EM235，每個 EM235 可同時擴展 3 路模擬輸入和 1 路模擬量輸出通 道，其中 A/D 轉(zhuǎn)換時間 25uS，D/A 轉(zhuǎn)換時間 100uS，分辨率均為 12 位。 2. 熱電偶/熱電阻擴展模塊 3. 通信擴展模塊 表 1 S7-200 I/O 編址 信息類型 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 I_數(shù)字量 輸入 0.015.7 0.015.7 0.015.7 0.015.7 Q_數(shù)字量 輸出 0.015.7 0.015.7 0.015.7 0.015.7 M_中間標志 位 0.015.7 0.015.7 0.015.7 0.015.7 C_計數(shù)器 0255 0255 0255 0255 T_計時器 0255 0255 0255 0255 AIW_模擬輸 入字 030 030 030 AQW_模擬輸 出字 030 030 030 3.3 特殊功能模塊 S7-200 系列 PLC 的特殊功能模塊有數(shù)字量擴展模板、模擬量擴展模塊、熱電偶 /熱電阻擴展 模塊、通信擴展模塊和現(xiàn)場設(shè)備接口模塊。 1. 數(shù)字量擴展模板 (1)EM221 數(shù)字量輸入模板，24V ，8 輸入。 (2)EM222 數(shù)字量輸出模板，24V ，8 輸出。 (3)EM223 數(shù)字量混合模板，24V 。 2. 模擬量擴展模塊 (1)EM231 4 模擬輸入點，2W，12 位。 (2)EM232 2 模擬輸入點，2W，12 位。 (3)EM235 4 模擬輸入點，1 模擬輸出點， 2W，12 位。 3. 熱電偶/熱電阻擴展模塊 EM231 為常用的熱電偶/熱電阻擴展模塊。其功率損失為 1.8W，15 位加符號位，WM231 AI4 熱電偶有 4 模擬量輸入點， EM231 AI2 熱電阻有 2 模擬量輸入點。 4. 通信擴展模塊 EM277 JPROFIBU-DP 模塊是常用的通信擴展模塊，它用于 PLC 現(xiàn)場總線通信連接。其波 特變化范圍為 960011500 波特。 5. 現(xiàn)場設(shè)備接口模塊 CPU243-2 通信處理器是 AS-I 主站連接部分，專用于 S7-200 CPU22*，連接的同時顯著增加 了 S7-200 可利用的 I/O 點數(shù)。 3.4 內(nèi)部軟元件 用戶使用的 PLC 中的每一個 I/O、內(nèi)部存儲單元、定時器和計數(shù)器都稱為軟元件。各個軟 元件的功能不同，都有其固定的地址。軟元件是 PLC 內(nèi)部具有一定功能的器件，這些器件實際 上都是由電子電路、寄存器及存儲單元等組成的。它的特點是；它具有繼電器的特性，但它沒 有機械性的特點，它的最大的優(yōu)點是其觸點可以無限次使用，并且它們的壽命長。編程時，用 戶只要記住軟元件的地址就可以了。下面對軟元件介紹一下。 1. 輸入繼電器（I） 它是 PLC 用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。當外部開關(guān)信號閉合， 則輸入繼電器的線圈得電，在程序中的常開觸點閉合，常觸點斷開，這些觸點可以在編程時任 意使用，不受次數(shù)限制。輸入繼電器位存取的地址編號范圍為 I0.0I15.7，輸入繼電器的數(shù)據(jù)存 取可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。 2. 輸出繼電器（Q）它是用來將輸出信號傳送到負載的接口，每一個輸出繼電器線圈都與 相應(yīng)的 PLC 輸出端相連，并有無數(shù)對常開和常閉觸點供編程時使用。輸出繼電器位存取的地址 編號范圍為 Q0.0Q15.7，輸出繼電器可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。 3. 通用輔助繼電器（ M）通用輔助繼電器又稱為內(nèi)部標志位存儲器，它的作用和繼電接觸 器控制系統(tǒng)的中間繼電器相同，它是用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)。內(nèi)部標志位存儲器 可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。內(nèi)部標志位存儲器位存取的地址編號為 M0.0M31.7，共 32 個字節(jié)。 4. 特殊繼電器（ SM） 特殊繼電器是指用來存儲系統(tǒng)的狀態(tài)變量有關(guān)的控制參數(shù)和信息的 具有特殊功能的輔助繼電器。特殊標志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。CPU224 的 SM 的位地址編號范圍為 SM0.0SM179.7，共 180 個字節(jié)。常用的特殊存儲器的用途如下： (1) SM0.0 運行監(jiān)視。 SM0.0 始終為 1 狀態(tài)。當 PLC 運行時可以利用其觸點驅(qū)動輸出繼電 器，在外部顯示程序是否處于運行狀態(tài)。 (2) SM0.1 初始化脈沖。 (3) SM0.3 開機進入 RUN 時，接通一個掃描周期，可在啟動操作之前，給設(shè)備提前預(yù)熱。 (4) SM0.4、0.5 占空比為 50%的時鐘脈沖。當 PLC 處于運行狀態(tài)時，SM0.4 產(chǎn)生周期為 1min 的時鐘脈沖，SM0.5 產(chǎn)生周期為 1S 的時鐘脈沖。 (5) SM0.6 掃描時鐘，一個掃描周期 ON，另一個為 OFF，循環(huán)交替。 (6) SM0.7 改造方式開關(guān)位置指示，開關(guān)放置在 RUN 位置時為 1。 (7) SM1.0 零標志位，運算結(jié)果=0，該位置 1。 (8) SM1.1 溢出標志位，結(jié)果溢出或為非法值時，該位置 1。 (9) SM1.2 負數(shù)標志位，運算結(jié)果為負數(shù)時，該位置 1。 (10) SM1.3 被 0 除標志位。 5. 變量存儲器（V）變量存儲器主要用于存儲變量。它可以存放程序執(zhí)行過程中控制邏輯 操作的中間結(jié)果，也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。變量存儲器可 以是位尋址，也可以是按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù) CPU 的型號不 同，CPU221/222 為 V0.0V2047.7，共 2KB 存儲容量，CPU224/226 為 V0.0V5119.7，共 5KB 存儲容量。 6. 局部變量存儲器（L） 局部變量存儲器和變量存儲器十分相似，都是用來存儲變量的存 儲器。區(qū)別在于局部變量存儲器用來存放局部變量，而不存儲全局變量。局部變量存儲器位存 取的地址編號范圍為 L0.0L63.7，它可以按位、字節(jié)、字、雙字直接尋址。 7. 順序控制繼電器（S ）通常用在順序控制或步進控制中，并與其指令一起使用以實現(xiàn)順序 或步進控制功能流程圖的編程。順序控制繼電器的地址編號范圍為 S0.0S31.7。 8. 定時器（T）它是累計時間增量的內(nèi)部器件，作用相當于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電 器。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。并且每個定時器可提供無數(shù)對常開觸點和常閉觸點供編程使用。 定時器的定時精度分別為 1ms、10ms 和 100ms 三種，CPU222、CPU224 及 CPU226 的定時器地 址編號范圍為 T0T255，它們的分辨率、定時范圍并不相同，用戶根據(jù)所用 CPU 型號及時基， 正確選用定時器的編號。 9. 計數(shù)器（C）計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)，主要用于 對產(chǎn)品進行計數(shù)或進行特定功能的編程。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其 設(shè)定值由程序賦予。計數(shù)器的地址編號范圍為 C0C255。 10. 模擬量輸入映像寄存器（AI）和模擬量輸出映像寄存器（ AQ） 11. 高速計數(shù)器（HC） 12. 累加器（AC） 3.5 基本指令 S7-200 系列 PLC 的基本指令包括常用指令、堆棧操作指令、計數(shù)指令、定時器指令、比較 指令和程序控制指令等1。 1. 觸點指令 觸點指令包括邏輯取和線圈驅(qū)動指令，它有兩種連接形式，即串聯(lián)和并聯(lián)。 (1)邏輯取和線圈驅(qū)動指令。指令格式為：LD 取指令；LDN 取反指令；= 線圈輸出指令。 (2)觸點串聯(lián)指令。指令格式為：A 常開觸點串聯(lián)：AN 常閉觸點串聯(lián)。 (3)觸點并聯(lián)指令。指令格式為：O 常開觸點并聯(lián)：ON 常閉觸點并聯(lián)。 2. 邏輯電路塊的連接指令 電路塊連接指令主要有兩種形式：串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令和并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令。串聯(lián) 電路塊的并聯(lián)指令其格式為：OLD；并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令其