SIEMENS西门子荆州代理商

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PLC控制系统设计的基本原则

  由于PLC的结构和工作方式与通用微型计算机不完全一样，因此，在设计PLC自动控制系统时，需要根据PLC的特点来进行系统设计。PLC控制系统与传统的继电器控制系统也有本质区别，硬件和软件可独立进行设计是PLC系统设计时的一大特点。

  设计任何一种PLC控制系统其目的都是为了通过控制被控对象(生产设备或生产过程)来实现工艺要求，以提高生产效率和产品质量。在进行PLC控制系统设计时，应遵循以下几个基本原则:

  (1)PLC控制系统的被控对象应Zui大限度地满足工艺要求系统设计前，应深入现场进行调查研究、搜集资料，并与机械部分设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，商讨实际运行中可能出现的各种问题，并尽可能在设计阶段解决这些问题。

  (2)系统结构力求简单在满足控制要求的前提下,力求使 PLC控制系统结构简单、经济实用、使用及维修方便。

  (3)保证控制系统安全性和可靠性控制系统的稳定、可靠是提高生产效率和产品质量的必要保证，也是衡量控制系统好坏的主要因素之一。

  (4)控制系统能够方便地进行功能扩展、升级系统设计时应考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC硬件设备时需留有一定的裕量。

  (5)人机界面友好对于包含人机界面的PLC系统,人机界面的设计应使用户方便、容易操作和使用PLC系统。

  PLC系统设计的一般步骤

  PLC系统设计的一般步骤如图7-1所示。

  (1)根据生产的工艺过程分析控制要求，例如，需要完成的动作(动作顺序、动作条件、保护和连锁等)和操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)。

  (2)根据控制要求确定所需要的I/O设备，确定PLC的I/O点数。

  (3)根据I/O点数、控制要求及其他外围设备的情况选择PLC及相应模块。

  (4)定义I/O点的名称，分配PLC的 IO点，设计I/O连接图。

  (5)根据PLC所要完成的任务及应具备的功能，进行PLC程序设计，同时可进行控制台(柜)的设计和现场施工。

  PLC程序设计的步骤:

  (1)对于较复杂的控制系统，应先绘制系统控制流程图，这样可以清楚的表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可以省去这一步。

  (2)设计梯形图是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先需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。

  (3)用 PLC程序设计开发环境或者编程器将程序输入到 PLC，并检查输入的程序是否正确.

  (4)对程序进行调试和修改，直到满足要求。

  (5)待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求。

  (6)编制技术文件。

  (7)交付使用。

西门子PLC用户程序的结构及组织块(OB)

 PLC的程序分为操作系统和用户程序，操作系统用来实现与特定的控制任务无关的功能，处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出表、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和处理通信等。用户程序包含处理用户特定的自动化任务所需要的所有功能。

  1. 用户程序的结构

  STEP7将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，使单个的程序部件标准化。通过块与块之间类似于子程序的调用，使用户程序结构化，可以简化程序组织，使程序易于修改、查错和调试。块结构显著地增加了PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。各种块的简要说明见表4-1，OB、FB、FC、SFB和SFC都包含程序，统称为逻辑块。程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。

  可以将控制任务分层划分为工厂级、车间级、生产线、设备等多级任务，分别建立与各级任务对应的逻辑块。每一层的控制程序(逻辑块)作为上控制程序的子程序，前者又可以调用下的子程序。这种调用称为嵌套调用，即被调用的块又可以调用别的块。

  可以多次重复调用同一个块，来处理同一类任务。FB和FC的内部应全部使用局部变量，不使用I、Q、M、T、C和共享数据块中的全局地址。这样的块具有很好的可移植性，不作任何修改，就可以用于其他项目。

  FB和FC通过其输入、输出参数来实现与“外部”的数据交换，即与过程控制的传感器和执行器、用户程序中的其他块交换数据。在块调用中，调用者可以是各种逻辑块，被调用的块是OB之外的逻辑块。调用功能块和系统功能块时需要为它们一个背景数据块，后者随这些块的调用而打开，在调用结束时自动关闭。

  在图4-1中，OB1调用FB1，FB1调用FC1，应按下面的顺序创建块FC1→FB1及其背景数据块→OB1，即编程时被调用的块应该是已经存在的。

  如果出现中断事件，CPU将停止当前正在执行的程序，去执行中断事件对应的组织块OB(即中断程序)。中断程序执行完后，返回到程序中断处继续执行。

  2.组织块(OB)

  组织块是操作系统与用户程序的接口，由操作系统调用，用于控制扫描循环和中断程序的执行、PLC的启动和错误处理等，CPU的档次越高，能使用的同类型组织块越多。

  (1) OB1

  OB1是用户程序中的主程序，CPU的操作系统完成启动过程后，将循环执行OB1，可以在0B1中调用其他逻辑块。

  (2)事件中断处理

  如果出现中断事件，例如时间中断、硬件中断和错误处理中断等，当前正在执行的块在当前指令执行完后被停止执行(被中断)，操作系统将会调用一个分配给该事件的组织块。该组织块执行完后，被中断的块将从断点处继续执行。

  这意味着部分用户程序不必在每次循环中处理，而是在需要时才被及时地处理。处理中断事件的程序放在该事件驱动的 OB 中。

  (3)中断的级

  OB按触发事件分成几个级别，这些级别有不同的级，的OB可以中断低级的0B。

  3.临时局部数据

  生成功能和功能块时可以声明临时局部数据。这些数据是临时的，退出逻辑块时不保留临时局部数据。它们又是局部(Local)数据，只能在生成它们的逻辑块内使用。CPU按级划分局部数据区，同一级的块共用一片局部数据区。可以用STEP7改变S7-400 每个级的局部数据区的大小(见图2-35)。

  除了临时局部数据外，所有的逻辑块都可以使用共享数据块中的共享数据。

PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；
它们的不同之处主要表现在：
（1）控制逻辑——继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，灵活性和扩展性都很好。
（2）工作方式——继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以属于串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性——继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，PLC还配有自检和监督功能，可靠性和可维护性好。
（4）控制速度——继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，且机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，且不会出现抖动。
（5）定时控制——继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围广，调整时间方便。
（6）设计和施工——使用继电器控制逻辑完成一项工程，其设计、施工、调试依次进行，周期长、而且修改困难。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。