可编程控制器的工作过程及FN2N PLC的组成

 PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，如：           

1        ×  ×  ×  ×

2        ×  ×  ×  ×

3        ×  ×  ×  ×

10  ×  ×  ×  ×

11  ED

CPU从**条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回**条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为五个阶段：自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序执行，输出刷新，其工作过程框图如图所示：

PLC工作过程框图

1）每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。

2）PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。

 3）PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输人端的状态送到输入状态寄存器中，这就是输入采样阶段。

 4）中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输人和原输出状态（这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。

 5）当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。

 PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期。完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素（与编程器等通信）时，扫描周期T为：

 T＝（读入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）＋（输出一点时间×输出点数）十故障诊断时间

显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该**的计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。

 PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按“并行”方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作。而PLC是以反复扫描的式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题。

 总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的**特点，使用者应特别注意。

FN2N PLC 的规格及组成

FN_2N系列PLC有FN_2N16、FN_2N32、FN_2N48、FN_2N64、FN_2N80 、FN_2N128等， FN_2N 32，主要由以下几个部分构成：

    1、控制单元：设有与编程器，计算机的接口，与I/O扩展单元相连的扩展口，输入、输出端子、电源输入和输出端子，FN_2N有16个输入点和16个输出点。

    2、扩展单元。

    3、智能单元。

    4、链接单元。

    5、编程工具：使用MELSOFT GX Developer编程软件。

西门子PLC S7-200处理**响应信号的对策有那些？

使用CPU内置的高速计数器和高速脉冲发生器处理序列脉冲信号

使用部分CPU数字量输入点的硬件中断功能，在中断服务程序中处理；进入中断的延时可以忽略S7-200拥有“直接读输入”和“直接写输出”指令，可以越过程序扫描周期的时间限制，使用部分CPU数字量输入点的“脉冲捕捉”功能捕捉短暂的脉冲 。

注意： S7-200系统中**小周期的定时任务为1ms。所有实现**信号处理的措施，都要考虑所有限制因素的影响。例如，为一个需要毫秒级响应速度的信号选择500μs输出延时的硬件，显然是不合理的。

S7-200在CPU单元上设有硬件电路（芯片等）处理高速数字量I/O，如高速计数器（输入）、高速脉冲输出。这些硬件电路在用户程序的控制下工作，可以达到很高的频率；但点数受到硬件资源的限制。

S7-200 CPU按照以下机制循环工作：

读取输入点的状态到输入映像区

执行用户程序，进行逻辑运算，得到输出信号的新状态

将输出信号写入到输出映像区

只要CPU处于运行状态，上述步骤就周而复始地执行。在第二步中，CPU也执行通讯、自检等工作。

上述三个步骤是S7-200 CPU的软件处理过程，可以认为就是程序扫描时间。

实际上，S7-200对数字量的处理速度受到以下几个因素的限制：

输入硬件延时（从输入信号状态改变的那一刻开始，到CPU刷新输入映像区时能够识别其改变的时间）

CPU的内部处理时间，包括：

读取输入点的状态到输入映像区

执行用户程序，进行逻辑运算，得到输出信号的新状态

将输出信号写入到输出映像区

输出硬件延时（从输出缓冲区状态改变到输出点真实电平改变的时间）

上述A,B,C三段时间，就是限制PLC处理数字量响应速度的主要因素。

一个实际的系统可能还需要考虑输入、输出器件的延时，如输出点外接的中间继电器动作时间等 。

CPU上的部分输入点延时（滤波）时间可以在编程软件Micro/WIN的“系统块”中设置，其缺省的滤波时间是6.4ms。

如果把容易受到干扰的信号接到CPU上可改变滤波时间的DI点上，调整滤波时间可能改善信号检测的质量。

支持高速计数器功能的输入点在相应功能开通时不受此滤波时间约束。滤波设置对输入映像区的刷新、开关量输入中断、脉冲捕捉功能同样有效。

有些输出点要比其他点更快些，是因为它们可以用于高速输出功能，在硬件上有特殊设计。没有专门使用硬件高速输出功能时，它们只是和普通点一样处理

继电器输出开关频率为1Hz。

PLC梯形图程序设计的常用方法——转换法

就是将继电器电路图转换成与原有功能相同的PLC内部的梯形图。这种等效转换是一种简便快捷的编程方法，其一，原继电控制系统经过长期使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能；其二，继电器电路图与PLC的梯形图在表示方法和分析方法上有很多相似之处，因此根据继电器电路图来设计梯形图简便快捷；其三，这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了原有系统的外部特性，操作人员不用改变长期形式的操作习惯。
（1） 基本方法。
根据继电器电路图来设计PLC的梯形图时，关键是要抓住它们的一一对应关系，即控制功能的对应、逻辑功能的对应以及继电器硬件元件和PLC软件元件的对应。
（2） 转换设计的步骤。
1） 了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。
2） 确定PLC的输入信号和输出信号，画出PLC的外部接线图。
3） 确定PLC梯形图中的辅助继电器（M）和定时器（T）的元件号。
4） 根据上述对应关系画出PLC的梯形图并进一步优化使梯形图既符合控制要求又具有合理性、条理性和可靠性。

可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图1 所示。

（1）    深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

1)  被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

2)  控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。

图1 控制系统一般设计步骤

（2）    确定 I/O 设备

根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

（3）    选择合适的 PLC 类型

根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。

（4）    分配 I/O 点

分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着九可以进行PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（5）    设计应用系统梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的**核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（6）    将程序输入 PLC

当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。

（7）    进行软件测试

程序输入 PLC 后，应**行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（8）    应用系统整体调试

在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可**行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（9）    编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。

这样根据以上表格，我们得出Q0.0控制字：SMB67为：10000101
采用PTO输出，微妙级周期，发脉冲的周期（也就是频率）与脉冲个数都要重新输入。10000101转化为 16进制　为85，有了控制字以后，我们来写这一段程序：

根据上面这段程序，我们知道了控制字的使用，同时也知道步进电机的脉冲周期与冲个数的存放位置（对 Q0.0来说是SMW68与SMD72）。当然，VW100与VD102内的数据不同的话，步进电机的转速和转动圈数就不一样。
还有一点需要说明得是：M0.0导通---PLC捕捉到上升沿发动脉冲输出后，想停止的话，只须改变端口脉冲的　控制字，再启动PLS即可，程序如下：

2.高速计数功能。
西门子S7-200系列PLC具有高速计数的功能；举一例子来谈谈高速计数的用途，我们采用普通电机来带动丝杆转动，我们想控制转动距离，怎么来解决这个问题？那么我们可在电机另一头与一编码器联接，电机转一圈，编码器也随之转一圈，同时根据规格发出不同的脉冲数。当然，这些脉冲数的频率比较高，PLC不能用普通的上升沿计数来取得这些脉冲，只能通过高速计数功能了。
启动高速计数功能，也要具有控制字 
HSCO HSC1 描述 
SM37.0  SM47.0  复位有效电平控制位 0=高电平有效， 1=低电平有效 
SM37.1  SM47.1  启动有效电平控制位于 0=高电平有效， 1=低电平有效 
SM37.2  SM47.2  正交计数器速率选择 0=4X计数率， 1=1X计数率 
SM37.3  SM47.3  计数方向控制位 0=减计数， 1=正计数 
SM37.4  SM47.4  向HSC中写入计数方向 0=不更新， 1=更新计数方向 
SM37.5  SM47.5  向HSC中写入预置值 0=不更新， 1=更新预置值 
SM37.6  SM47.6  向HSC中写入当前值 0=不更新， 1=更新当前值 
SM37.7  SM47.7  HSC允许 0=禁止HSC， 1=允许HSC 

参照上面的表格，我们选择HSC1高速计数器，控制字为SMB47，现在我们启动高速计数器HSC1，选择为增计数，更新计数方向，重新设置值，更新当前值：这样的话，HSC1的启动控制高为：11111000转化为16进制为 F8，将启动计数器时当前值存放在SMD48中，将预存置放在SMD52中，具体的程序　如下：

同样的，如果计数器在工作状态下想停止计数器，也必须改变它的控制字后，启动HSC具体程序　如下：

３． PID回路控制功能。
西门子S7-200系列PLC的PID控制相当的简单，可以通过micro/win软件的一个向导程序，按照提示,一步一步执行您所要求PID控制的属性即可，在这里谈一谈PID这三个参数的具体意义：P为增益项，Ｐ越大，响应起就快，在调节流量阀时：设定流量为50%，当目前流量接近50%，刚超过，如果P值很大的话，那么流量阀会马上会关闭，而不会控制在某一区域。这就是增益项太大引起。在调节的过程中应该先将P值调节比较适当了，再去调节I值，它为积分项，是在控制器回路中控制对当前值与设定值相等的偏差范围。D为微分项，主要作用是避免给定值的微分作用而引起的跳变。
在现场的PID参数的调整过程中，针对西门子S7-200型PLC我的建议是在不同的控制阶段，采用不同的PID参数组，具体而言就是当目前距离设定值差距较大时，采用P值较大的一套PID参数，如果当前值快接近设定值范围时，采用P值较小的一套PID参数。

西门子PLC的发展史 SIMATIC商标

S7-200是西德西门子公司的产品之一，其注册商标为SIMATIC。

1．西门子公司的产品**早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器；

2．1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛地使用了微处理器；

3．20世纪80年代初，S5系统进一步升级——U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U

4．1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：S7-200、300、400

5．1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术溶为一体

6．现在，西门子公司又提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。

1．基本单元

S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表4-11：

表4-11  S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元

2．扩展单元

S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表4-12所示。

表4-12  S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数

3．编程器

PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。

简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。

4．程序存储卡

为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0xA0和6ES 7291-8GD00-0xA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。

5．写入器

写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。

6．文本显示器

文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，**多可显示80条信息，每条信息**多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。

PLC控制电机梯形图设计时的四个注意事项

1）输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的触点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。

2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在**右边。如图1所示左边的梯形图结构是不符合设计规则的，应改写为右边的结构。

图1  线圈只能放在**右边

3）线圈不能直接与起始母线相连，如图2所示左边的梯形图结构是不符合设计规则的，应改写为右边的结构。

图2  线圈不能直接与起始母线连接

4）同一编号的线圈在一个程序中使用两次以上称为重复输出，重复输出容易引起误操作，故一般不允许重复输出 。如图3所示，左边的梯形图结构是不符合设计规则的，应改写为右边的结构。

图3  同一线圈不能重复输出

我们知道梯形图编程是PLC中使用**多的图形编程语言，是PLC应用的**编程语言。为什么梯形图会受到PLC开发人员的如此热捧呢，这主要是由于梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。因此，梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计也称为编程。梯形图还具有以下几个重要特点： 

  1)PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器(即硬件继电器)，而是在软件中使用的编程元件。每一编程元件与PLC存储器中元件映像寄存器的二个存储单元相对应。以辅助继电器为例，如果该存储单元为0状态，梯形图中对应的编程元件的线圈“断电”，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为0状态，或称该编程元件为OFF(断开)。该存储单元如果为1状态，对应编程元件的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称该编程元件为l状态，或称该编程元件为ON(接通)。 

    2)根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的ON/OFF状态，称为梯形图的逻辑解算。逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左至右的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 

    3)梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。 

    4)输入继电器的状态**地取决于对应的外部输入电路的通断状态，因此在梯形图中不能出现输入继电器的线圈

PLC技术及其在公路交通系统中的应用 PLC的分类

可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。**认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

   可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用**多的一种设备。**认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

   PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术（Computer,Control,Communication）相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

   PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大下面就其在公路交通领域的应用做一简单介绍：

   PLC型交通灯控制器

   将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行**控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。

   公路收费系统中的应用—PLC型车道控制机

   每个公路收费站，其车道机电设备配置、型号各有不同，因此用于控制这些设备的主机—车道控制器的结构也不尽相同，通用性、可维护性较差，不利于使用及维修，以PLC作为主机开发出的新型车道控制机，不仅可使其通用性、维护性得到**程度上的改善，还可以在使用寿命、稳定性机控制功能方面获得极大提高，具体叙述如下：

   1. 对棚灯及雾灯的控制

   如前所述，由于PLC本身具有时钟功能，通过软件编程，可对棚灯、雾灯进行无人化、智能控制。

   2. 对费额显示器的控制

   PLC本身具有上位机接口，可接收上位收费计算机下传的数据，而PLC具有各种译码指令，可将接受的数据转换成七段显示码，输出给LED数码管进行数据显示。

   3. 对挡车器的控制

   将PLC用于对挡车器进行控制具有以下几方面的优势。

   （1）使用寿命长：从目前反馈情况看，目前挡车器控制电路的使用寿命大部分均不足五年这与其电路设计、元器件选型、工作环境及控制方式等因素有关，是其本身无法克服的固有缺点。PLC作为工业控制单元，应用于各种控制环境，内部电路、机械结构设计极为精良，所用器件均选用标准工业级产品，其使用寿命一般可保证在十年以上。

   （2）性能稳定可靠，抗干扰性好：PLC应用于各种工业控制现场，其硬件及软件设计均考虑到各种生产环境，其电压适用范围很宽，具有极强的抗电磁干扰、抗震动、抗高温、高湿等特性，性能极为稳定、可靠。

   （3）功能强大，实现灵活，可扩展性好：PLC型挡车器作为老型号挡车器的升级产品，其功能得到极大增强，目前可实现的功能有：自动抬杆、自动落杆、防砸车、防砸人、各种情况的自动报警、设备保护及故障识别等。以上功能可实现各种组合，并可根据实际需要改变上述功能的控制过程及方式，并可根据使用者要求在不增加或少增加硬件的基础上开发新的控制功能。

   （4）良好的性价比：虽然PLC型挡车器的性能及功能较现有挡车器有极大提高，但其成本的增加与其性能的提高并非成线性关系，所以无论将其作为整机用于新品开发，还是作为老设备改进均有其良好的性价比。

   PLC作为一门控制技术在我国已有近二十年的应用，并已从工业控制逐渐向其他行业扩展，相信随着其本身性能的不断提高，其应用领域将不断拓宽，了解及掌握这一控制技术，将使我国的自动化控制技术得到更广泛的应用与发展。