西门子S7-400中央控制单元CPU416-3

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PLC提供了完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的使用。在小型PLC中，用户程序有4种形式:指令表(STL)、梯形图(LAD)、结构文本(ST)和顺序功能流程图(SFC)编程。

  下面以S7-200系列PLC为例来说明。

  1)指令表编程

  指令表编程是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。指令表语言类似于计算机中的助记符语言，它是PLCZui基础的编程语言。

  PLCS7-200系列PLC的基本指令包括“与”、“或”、“非”以及定时器、计数器等。图 2-12 是指令表编程示例。

  2)梯形图编程

  梯形图表达式是一种类似于继电器控制线路图的语言，但在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC梯形图使用的是内部继电器、定时/计数器等，都是由软件实现的。其主要特点是使用方便、修改灵活。

  图2-13是典型的梯形图示意图。左右两垂直的线称为母线。在左右两垂线之间，接点在水平线上相串联，相邻的线也可以用一条垂直线连接起来，作为逻辑的并联。接点的水平方向串联相当于“与”，例如，图中第一条线，A、B、C三者是“与”逻辑关系。垂直方向的接点并联，相当于“或”例如，第二条线，D、E、F三者是“或”逻辑关系。

  PLC梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)。这仅是概念上的“能流”。在图2-13 中,把左边的母线假想为电源“火线”,而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线"。

  如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有“能流”，则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流，也可以通过并联接点中的一个接点流向右边。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。在图2-13中，当A、B、C接点都接通后，线圈M才能接通(被激励),只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通;而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。

  由图2-13可看出，梯形图是由一段一段组成的。每段的开始用LD(LDN)指令，触点的串/并联用A(AND)/O(OR)指令，线圈的驱动总是放在Zui右边，用=(OUT)指令，用这些基本指令，即可组成复杂逻辑关系的梯形图及指令表。

  3)结构文本

  结构文本是为IEC61131-3 标准创建的一种专用的gaoji编程语言。与梯形图相比，它能够实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

  4)顺序功能流程图编程

  顺序功能流程图编程是一种较新的编程方法，它的作用是用功能图来表达一个顺序控制过程。目前，顺序功能流程图也正在实施发展这种新的编程标准。

  顺序功能流程图作为一种步进控制语言,用这种语言可以对一个控制过程进行控制,并显示该过程的状态。将用户应用的逻辑分成步和转换条件，来代替一个长的梯形图程序。这些步和转换条件的显示，使用户可以看到在某个给定时间中机器处于什么状态。

  图2-14所示是钻孔顺序功能流程图编程示例，这是一个钻孔顺序的例子方框中的数字代表顺序步，每一步对应于一个控制任务，每个顺序步的步进条件以及每个顺序执行的功能可以写在方框右边。

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KDF2纤维滤棒成型机组是烟厂生产卷烟滤棒的设备。经过十几年的应用，原有机组逐渐显示出技术上的局限性：机械结构复杂；电控系统相对落后；生产环境比较差，噪音响；维修难度高，能源利用率低等。因此，原有机组越来越不适应现代生产要求。
　　 为此，笔者参照上*的高速滤棒成型设备的设计原理，结合的需求和机组的特点，运用伺服传动系统的优良特性及PLC在工业控制中的优势，设计了此套控制系统。
　　 1 系统概述
　　 纤维滤棒成型机组控制和传动系统采用了Lenze公司的伺服系统、Digital公司的触摸式控制屏和西门子公司的PLC，分别通过MPI和DP通讯控制。

　　 纤维滤棒成型机通过二次开松、增塑剂添加、卷制成形、刀盘切断和排列装盘的过程生产滤棒。　　　　
　　2 控制策略　　
　　(1) 对增塑剂添加的控制策略
　　 起初延用原系统的欠阻尼响应曲线的控制方式。但是，在实际调试过程中，发现该控制方式存在一定的缺陷，具体表现为：每天*次上电开机时，增塑剂存储器中增塑剂积累时间过长，造成一段时间内滤棒增塑剂含量过低。根据售后服务部门的反馈，某些烟厂为滤棒质量往往会剔除*盒滤棒。这样会有较大的浪费。　　
　　 产生这种情况是因为烟厂每天工作结束时或者CPU重启时机组都会停机，并排空存储器中的增塑剂。由于欠阻尼响应到达设定值时间过长，造成开始阶段滤棒增塑剂含量过低。日常生产班次中，每次停机不排空增塑剂，而是在存储器中保有一定储存量。　　
　　 根据自动控制原理，车速斜坡响应可以分为过阻尼响应、临界阻尼响应和欠阻尼响应。理论上说，临界阻尼响应是的控制方式，这种响应方式既实现了控制的快速性又实现了控制的稳定性；过阻尼响应是为了稳定性牺牲快速性；欠阻尼响应则是为了快速性牺牲稳定性。然而，临界阻尼由于条件过于苛刻，在实际控制中是无法实现的。　　
　　 根据剩余的两种响应曲线的特性，笔者认为CPU启动时使用欠阻尼响应曲线，其理由是：CPU启动状态下，对增塑剂积累时间的要求于增塑剂含量的稳定性；而其他状态下使用过阻尼响应曲线，此时对含量的稳定要求于积累的快速性。　
　　 因此，利用S7-300启动时的组织块OB100在CPU启动中只执行一次的特性，对增塑剂伺服电机的控制方式依据机组不同的启动状态采取了不同响应曲线下的控制方法。具体来说，在CPU启动时（此时增塑剂存储量必定为零），通过启动组织块OB100中送出高速运转命令至增塑剂伺服电机，使控制曲线成为欠阻尼响应状态以实现对存储器中增塑剂的快速积累。而在非CPU启动状态，控制增塑剂伺服电机的FC功能块将送出普通速度命令，使控制曲线成为比较接近临界阻尼的过阻尼响应状态。　
　　 新的设计*避免了CPU重启时带来的增塑剂积累过慢的问题、减少了废品数量，因此这样的设计不会影响正常生产状况时增塑剂含量的稳定性。　　
　　(2) 对滤棒剔除支数的计算策略
　　 在纤维滤棒成型机的生产中，为滤棒质量，每当速度低于一定的设定值时，机组就会剔除此时的滤棒。此时机组的速度是不断变化的，按通常方式无法计算出具体的剔除支数。这对统计生产效率带来了相当的困难。　　
　　 笔者可以得到动态的车速反馈，但这条反馈曲线是不断波动和变化的非线性曲线。对于非线性曲线，数学上只能够采用面积积分求解的计算方法。对于此项目就是要求给出一定时间内主电机的圆周行程，即机组一段时间内所生产的滤棒长度。　
　　 从这一角度出发，笔者考虑采用了对车速进行模拟积分的计算方法，即从积分的基本定义出发，求出剔除时间内的滤棒生产长度L=Σ(Δv*Δt)，再除以单个滤棒长度得剔除支数的计算方法。　　
　　 按照积分的定义要求，积分求解是在一定条件下才能够成立。这个条件就是Δt要足够的小即Δt→0。在实际过程中，近似认为Δt=20ms时可以满足条件。此时，计算得出的滤棒支数与实际滤棒支数的误差在±3支以内。在精度上，以高生产速度3300支/分钟计（此时滤棒长度为120mm），±3支的精度是*可以满足精度要求。所以笔者认为只要将Δt控制在20ms时就可以满足积分求解的条件。　　
　　 原系统的PLC扫描一周的时间高达几十毫秒，显然不满足要求。而此项目采用的S7-315-2DP，其单指令扫描周期为10μs级、整个扫描周期被缩短为7~8ms，这样就满足了积分计算的要求。

PLC网络通信协议的选择

S7-200系列PLC可支持多种通信协议，如点对点(Point-to-Point)协议(PPI)、多点协议(MPI)及PROFIBUS协议。这些协议的结构模型都是基于开放系统互联参考模型(OSI)的7层通信结构。PPI协议和MPI协议通过令牌环网实现，令牌环网遵守欧洲标准EN50170中的过程现场总线PROFIBUS标准。基于通信结构的“开放系统互联”(OSI)7层模型，这些协议用于令牌环网，该网络符合欧洲标准EN50170所定义的PROFIBUS标准。这些协议是异步、基于字符的协议，具有一个起始位、8个数据位、一个偶数校验位和一个停止位。通信帧包括:特殊的启动与停止字符、源站地址与目标站地址、帧长度以及数据完整性的检验。只要每个协议的波特率相同，可同时在一个网络上运行，不会相互干扰。

  除了上述3种协议外，通过S7-200的自由通信口和相关的网络通信指令，可以将S7-200CPU连接到ModBus网络和以太网络

  以太网也可用于具有扩充模块CP243-1和CP243-1IT的S7-200CPU。

  1.PPI协议

  PPI协议是一种主从设备协议:主设备给从属装置发送请求，从属装置进行响应。如图6-24所示。从属装置不发出信息，而是一直等到主设备发送请求或轮询时才做出响应。

  主设备与从属装置的通信通过PPI协议管理的共享连接来进行。PPI协议不限制与任何一个从属装置进行通信的主设备的数目，但网络上多可安装32个主设备。

  如果在用户程序中使用PPI主设备模式，则S7-200 CPU在处于RUN模式时可用作主设备。使用PPI主设备模式之后，可使用网络读取或网络输入指令从其他S7-200读取数据或将数据输入其他S7-200。当S7-200用作PPI主设备时，它仍将作为从属装置对来自其他主设备的请求做出响应。

  PPI协议允许网络设备建立设备之间的逻辑连接。对于PPI协议，每台设备可提供的连接数目是有限的。

  所有S7-200 CPU均支持PPI协议和PPI协议，而PPI协议是EM 277模块所支持的PPI协议。

  2.MPI协议

  MPI允许进行主设备与主设备以及主设备与从属装置之间的通信，如图6-25所示。为与S7-200 CPU进行通信，STEP7-Micro/WIN建立一个主设备与从属装置之间的连接。MPI协议不与用做主设备的S7-200CPU进行通信。

  网络设备通过任意两台设备之间的立连接(由MPI协议进行管理)进行通信，设备之间的通信受限于S7-200CPU或EM277模块所支持的连接数目。S7-200CPU和EM277模块的连接数目见表6-3。

  3.PROFIBUS协议

  PROFIBUS协议针对用于具有分布式I/O设备(远程I/O)的高速通信，来自不同厂家的设备只要支持PROFIBUS均可使用。这些设备包括I/O模块、电动机控制器、PLC等。

  PROFIBUS网络的典型特点就是具有一个主设备和多个IVO从属装置,如图6-26所示,为主设备设置所连接的I/O从属装置的型号及地址。主设备将初始化网络，并验证网络上的从属装置是否与配置相符。主设备可将输出数据连续地写入从属装置，也可从中读出输入数据。

  当DP主设备成功地配置从属装置时，它就拥有了该从属装置。如果网络上存在第二个主设备，则它对属于个主设备的从属装置进行访问将受到一定的限制。

  4.TCP/IP协议

  S7-200通过使用以太网(CP243-1)或互联网(CP243-1IT)扩充模块可支持TCPIP以太网通信。以太网(CP243-1)和互联网(CP243-1IT)模块的连接数目见表6-4。

  5.仅使用S7-200设备的网络配置

  1)单台主设备PPI网络

  在对于简单的单台主设备网络,编程站和S7-200CPU既可以通过PPI多台主设备电缆

  连接，也可以通过安装在编程站中的通信处理器(CP)卡连接。

  在如图6-27(a)所示的网络中，编程站(STEP7-Micro/WIN)是网络主设备。在图6-27(b)所示的网络中，人机界面设备(HMI)(如TD200、TP或OP)是网络主设备。

  在上述两个网络例子中，S7-200CPU是对主设备的请求进行响应的从属装置。对于单台主设备PPI网络，需要设置STEP7-Micro/WIN以使用PPI协议。

  2)多台主设备PPI网络

  具有一个从属装置的多台主设备网络如图6-28所示。编程站(STEP7-MicroWIN)既可以使用CP卡，也可以使用PPI多台主设备电缆。STEP7-Micro/WIN和HMI设备共享网络。

  STEP 7-Micro/WIN和HMI设备是主设备，具有立的网络地址。在使用PPI多台主设备电缆时，电缆是主设备:使用STEP 7-Micro/WIN所提供的网络地址，S7-200 CPU是从属装置。

  图6-29显示了一个PPI网络，它具有与多台从属装置进行通信的多台主设备。在这个网络中，STEP7-Micro/WIN和HMI可以对所有S7-200 CPU从属装置请求数据。STEP7-MicroWIN和HMI设备共享网络。

  所有设备(主设备和从属装置)均具有不同的网络地址。在使用PPI多台主设备电缆时，电缆是主设备，并使用STEP7-Micro/WIN所提供的网络地址，S7-200 CPU为从属装置。对于具有多台主设备和一台或多台从属装置的网络，设置STEP7-Micro/WIN以使用PPI协议，如果可用，勾选“多台主设备网络”和“PPI协议”复选框。如果正在使用PPI多台主设备电缆，则“多台主设备网络”和“PPI协议”复选框均将忽略。

  3)复杂PPI网络图

  对等通信网络如图6-30所示，该网络使用了具有对等通信的多台主设备。STEP7-Micro/WIN和HMI设备通过网络对S7-200CPU进行读写，S7-200 CPU使用网络读取和网络写入指令互相读写，即进行对等通信。

  一个复杂PPI网络的示例HMI设备与对等通信如图6-31所示。该网络使用了具有对等通信的多台主设备。在这个网络中，每个HMI监控一个S7-200 CPU。S7-200 CPU使用NETR和NETW指令互相读写(对等通信)。

  对于复杂PPI网络，设置STEP 7-Micro/WIN以使用PPI协议，如果可用，勾选“多台主设备网络”和“PPI协议”复选框。如果正在使用PPI多台主设备电缆，则“多台主设备网络”和“PPI协议”复选框均将忽略。