西门子变频器6SE6420-2UD21-5AA1

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S7-200 SMART数据存储区

 S7-200 SMART 的存储区可以分为两大类：一是跟外部物理信号相关的输人/输出映像区/存储区;二是 CPU 内部的存储区。

  (1)输入/输出映像区/存储区

  数字量输入映像区(DI);数字量输出映像区(DO);模拟量输人存储区(AI);模拟量输出存储区(AO)。

  (2)内部存储区

  变量存储区(V);标志存储区(M);定时器(T);计数器(C);高速计数器(HC)累加器;特殊存储器(SM);局部存储区(L);顺序控制继电器存储区(S)。

  CPU 在每个扫描周期的初期将物理外设的数字量输人信号扫描到数字量输人映像区(DI)中，程序在运行过程中的数字量输出值暂存在数字量输出映像区(DO)中，并在扫描周期的末期将数字量输出映像区的值刷新到物理输出模块。数字量输入/输出映像区是可读且可写的，在程序中对某些数字量输人位进行写操作，便可以模拟外部的数字量输入信号。CPU 对模拟量的处理有所不同，模拟量的值存放在模拟量输入/输出存储区中。

  注意：模拟量的存放区被称为“存储区”而不是“映像区”或者“缓存区”。对于程序中

  使用的模拟量，是直接从存储区进行读取或写入的。模拟输入(AI)存储区是只读的，模拟量输出(AO)存储区是只写的;变量存储区(V)用来存放程序在运行过程中的中间变量或者需要的配方数据;标志存储区(M)用来存放逻辑运算的中间结果。其实，在编程时，变量存储区和标志存储区没有明显的界限，也可以用变量存储区来存放逻辑运算的中间结果。两者都可以位、字节、字或者双字的方式进行访问，其区别在于变量存储区(V)比标志存储区(M)要大很多。比如，在 CPU ST40 中，变量存储区的范围为 VB0 ~VB16383，而标志存储区的范围为 MB0~MB31。程序运行过程中需要的配方数据，需要在数据块编辑器中设置并存放在变量存储区(V)中。

  ① 定时器用来计时。S7-200 SMART 定时器的时间基准有 1ms、10ms 和 100ms 三种。定时器有两种变量：当前值和定时器位。当前值是一个16位的无符号整数，用来记录当前的时间;定时器位是一个位，用来记录定时器是否已经被触发(当前值大于设定值)。以定时器的地址(T 编号)既可以访问当前值，也可以访问定时器位，取决于访问指令的类型。位操作指令访问的是定时器的位，字操作指令访问的是定时器的当前值。以图 3-19 为例：段程序是读取定时器 T3 的当前值，并将其存放到 VW10，属于字操作;第二段程序是读取定时器 T3 的位，并将其输出到 Q0.0，属于位操作。

  图3 -19 定时器的字操作与位操作

  ① 计数器用来进行计数。S7-200 SMART 提供三种计数器：向上计数器、向下计数器和上下计数器。与定时器类似，计数器也有一个当前值(16 位无符号整数)和一个计数器位，其地址以字母 C加上编号表示(比如 C10)。使用字操作指令可以访问计数器的当前值，使用位操作指令可以访问计数器的的位。S7-200 SMART 的 CPU 大支持 256个计数器(编号C0~C255)。

  ② 高速计数器 与普通的计数器不同，它不受 CPU 扫描周期的限制，可以用来对高速信号(比如脉冲)进行计数。高速计数器的值是一个32 位的有符号整数，其性质为只读，可以通过高速计数器的地址(HC 编号)进行访问。

  ③ 累加器 可以用来传递参数或存放指令运算的中间结果。S7-200SMART提供4个32 位的累加器(ACO~AC3)。累加器可以字节、字或者双字的方式进行访问。

  ④ 特殊存储器(SM) 存放着与系统运行有关的特殊变量。S7-200 SMART PLC 的操作系统会将系统状态等信息写人到特殊存储器中，用户程序通过访问特定的特殊存储器，就可以获取一些系统级的信息。比如，SM0.0 始终为 1，SM0.5 会产生 1s的时钟脉冲等。S7-200 SMART 有非常多的特殊存储器，可以参考 8.7 节中的常用特殊存储器。

  ⑤ 局部存储区(L) 用来保存程序块的运行信息。S7-200 SMART 为每一个程序组织单元(POU)分配了 64个字节的局部存储区，其中可以存放程序运行所需要的输人、输出输人输出及临时变量。局部存储区中的变量仅在当前 POU 运行时有效，POU 运行结束后将被释放。

  ⑥ 顺序控制继电器存储区(S) 与顺序控制继电器相关，在编写顺序控制流程图中使用。它可以位、字节、字和双字的方式进行访问，其地址符号为S，比如 S3.1、SB6等。

  （3）程序结构

  在S7-200 SMARTCPU的内部运行着两类程序：操作系统和用户程序。操作系统是厂家设计的、在出厂前固化到 CPU 内部的程序。操作系统是 PLC 的大管家，担负着管理统内存、执行用户程序、处理中断、状态诊断及各种通信处理。用户程序是由用户编写的用来完成某个或某些功能的程序。用户程序只有被操作系统调用后才能执行

  从用户的角度来看，S7-200 SMART 的程序结构由三部分组成：主程序、子程序和中断程序。主程序的名称为“MAIN”，又称为组织块1(OB1)，它是操作系统调用用户程用的接口，类似于C语言的 Main 函数。主程序中的指令按照从上到下的方向顺序执行，在每

  一个循环扫描周期中，只能被执行一次。

  在 PLC 的程序设计中，有一些功能代码可能需要反复调用。比如，现场有五个相同的电机，其控制方式完全相同。如果每一个电机都单写一段控制代码，会增加很多工作量，有时候甚至是不太可能完成(想象下如果是五十个电机呢?)。而且这样做对于代码的阅话和日后的维护都非常不方便。这里，我们有一种简单的方案。S7-200 SMART 支持模块化程序设计。我们可以把常用的功能代码(比如上述例子中的电机控制)写成一个子程序，根据需要设计形参。子程序可以被主程序调用而执行，主程序在调用子程序时，根据实际情况，为其形参赋不同的实参值。

  子程序中还可以调用其他子程序，这就是嵌套调用。S7-200 SMART CPU 支持大嵌套深度为8层(从主程序开始算)。子程序的另一个好处是增加了程序的可移植型。

  中断程序也是操作系统与用户程序的一种接口，用户把中断处理的代码写在中断程序中。当中断发生时，操作系统调用相应的中断程序，而执行中断处理。

  S7-200 SMART 中，主程序、子程序和中断程序都被称为程序组织单元(POU)。

  注意：OB 是 Organization Block 的缩写，中文翻译为“组织块”。

小型PLC的现状和发展趋势 PLC的分类

 随着自动化程度的提高，小型plc的应用领域比以前更为广泛，越来越多的行业开始使用小型PLC。小型PLC产品更加多元化，不仅有度很高的国际，国内一些自动化企业也看到小型PLC广大的市场，纷纷推出自主的小型PLC产品，这为不同细分市场的中国用户提供了更多的选择。
　　我个人还是建议大家使用的产品，因为，从技术角度来讲，PLC在复杂的工业环境下的高可靠性仍然是很多新加入小型PLC领域的厂家面临的技术难题。从创新角度来讲，持续的大规模的研发投入是不断创新，满足市场的日益增长的需求的，而这种投入对许多厂家来说也是很大的考验。从市场开发角度来看，大厂商拥有明显的强势行业和领域，拥有优势行业的核心技术，成熟的解决方案，和适合行业和市场开发的销售网络。西门子小型PLC经过十多年的市场考验，品牌与服务已经得到了市场的广泛认可，这不仅靠市场宣传，更靠的产品品质和完整的解决方案。
　　近几年自动化产品用户除了可靠稳定性、性价比等因素之外，越来越重视项目的维护成本，现在中国用户都已将维护成本列入整个自动化系统的成本中。西门子小型PLC为用户提供灵活多样的远程服务解决方案，可以基于固定电话，网络，GPRS无线通讯等，为客户后期维护节约可观的成本。为了进一步为广大用户降低成本，2005年，西门子成功完成了S7-200PLC的本地化生产，同时还本地化生产了S7-200PLC触摸屏KTP-178和四行中文文本显示器TD400，进一步提高了西门子小型PLC整体解决方案的性价比，开放性已达到同类品牌中型机水平，支持PPI、RS-485、Profibus－DP、以太网等多种通讯协议，了完全的无缝连接。
　 我认为小型PLC的市场份额会持续保持快速的发展。随着中国加入WTO，出口额逐年提高，中国正逐步成为机械设备的制造基地，使得国内OEM厂商迅猛发展。一些OEM厂商为了避免激烈竞争，追求更高的利润，将用小型PLC替代继电器或单片机控制方案。而且，小型PLC不再仅仅进行单机单站的控制，工厂信息化的潮流将会使更多的生产设备联网，进行集中监控。西门子小型PLC开放的平台为工厂生产设备联网和工厂信息化提供了可能性，使客户无需增加额外的硬件投资即可实现联网。

 PLC控制程序是整个PLC控制系统的关键和核心，程序质量的好坏对整个控制系统性能有直接的影响。然而PLC初学者对程序设计常常感到很困惑，无从下手。PLC程序设计也具有一定的规律可循，对于一些特定的功能通常都有相对固定的设计方法。常用的程序设计方法有“继电器-接触器”控制线路转换(移植)设计法、经验设计法、逻辑设计法、时序图设计法、顺序功能图设法等。在程序设计过程中究竟采用哪种方法并无定论。事实上，对于一个一般规模的控制系统来说往往是多种设计方法的融会贯通。要编好PLC程序，需要在熟悉硬件、掌握基本指令和基本控制环节及常用编程方法的基础上，多借鉴、多实践、多总结。

  采用移植设计法的应用程序设计

  移植设计法主要是用来对原有机电控制系统进行改造。PLC控制取代“继电器-接触器”控制已是大势所趋，用PLC改造"继电器-接触器"控制系统，根据原有的"继电器-接触器"电路图来设计梯形图显然是一条捷径。这是由于原有的“继电器-接触器”控制系统经过了长期的使用和考验，已经被证明能够完成系统要求的控制功能，而“继电器-接触器”电路图又与梯形图极为相似，因此可以将“继电器-接触器”电路图经过适当的“翻译”，直接转化为具有相同功能的PLC梯形图程序，所以人们将这种设计方法称为"移植设计法"或"翻译法"。这种设计方法没有改变系统的外部特性，对于操作工人来说，除了控制系统的可靠性提高了之外，改造前后的系统没有什么本质区别，他们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计方法一般不需要改动控制面板及器件，因此可以减少硬件改造的费用和改造的工作量。

  “继电器-接触器”电路图是一个纯粹的硬件电路图。将它改为PLC控制时，需要用PLC的外部接线图和梯形图来等效“继电器-接触器”电路图。可以将PLC想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部"线路图"，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析“继电器-接触器”电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还能受外部触点的控制。

  将“继电器-接触器”电路图转换成为功能相同的PLC的外部接线图和梯形图的步骤如下：

  1) 了解和熟悉被控设备的机械结构组成、生产工艺过程和机械各部件的运动，根据"继电器-接触器"电路图分析和掌握控制系统的工作原理。

  2) 确定PLC的输入信号和输出负载。"继电器-接触器"电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线圈接在PLC的输出端；按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供PLC的数字量输入信号："继电器-接触器"电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的辅助继电器和定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位均无关。

  3) 选择PLC的型号，根据系统所需要的功能和规模选择CPU模块、电源模块、数字量输入和输出模块对硬件进行组态，确定输入/输出模块在机架中的安装位置和它们的起始地址。

  4) 确定PLC各数字量输入信号与输出负载对应的输入位和输出位的地址，画出PLC外部的实际接线图各输入和输出在梯形图中的地址取决于它们的模块的起始地址和模块中的接线端子号。

  5) 确定与“继电器-接触器”电路图中的中间、时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器和定时器、计数器的地址。

  6) 根据上述的对应关系画出梯形图。

  7) 将编制好的用户PLC控制程序通过编程工具下载到所使用的PLC中。

  8) 进行PLC控制系统的调试。

  9) 编制有关设计和使用说明文件。

  据此，现将某卧式镗床"继电器-接触器"控制系统移植设计为PLC控制系统。

  1. 某卧式镗床“继电器-接触器”控制系统的电路图

  某卧式镗床"继电器-接触器"控制系统的电路图如图6-88所示，它包括主电路、控制电路、照明电路和信号指示电路。镗床的主轴电动机MI是双速异步电动机；中间继电器KA1和KA2控制主轴电动机的启动和停止；接触器KMI和KM2控制主轴电动机的正反转；接触器KM4、KM5和时间继电器KT控制主轴电动机的变速；接触器KM3用来短接串在定子回路的制动电阻。SQ1、SQ2和SO3、SQ4是变速操纵盘上的限位开关；SQ5和SQ6是主轴进刀与工作台移动互锁限位开关；SQ7和SQ8是镗头架和工作台的正、反向快速移动开关。

  图6-88 某卧式镗床“继电器-接触器”控制系统的电路图

  2. 卧式镗床PLC控制系统外部的实际接线图

  改造后的PLC控制系统外部的实际接线图如图6-89所示。主电路、照明电路和信号指示电路同原电路不变，其控制电路的功能由PLC实现。

  3. 卧式镗床PLC控制的梯形图和语句表程序

  根据PLC的实际接线图，再加上原“继电器-接触器”控制电路中KAl、KA2和KT分别与PLC内部的M300、M301和T37相对应，可设计出PLC控制的梯形图和语句表程序如图6-90所示。

  4. 设计说明

  设计过程中应注意梯形图与"继电器-接触器"电路图的区别。梯形图是一种软件，是PLC图形化的程序，PLC梯形图是串行工作的，而在"继电器-接触器"电路图中，各电气元器件可以同时动作(并行工作)。

  根据“继电器-接触器”电路图设计PLC的外部接线图和梯形图时应注意以下问题：

  (1) 应遵守梯形图语言中的语法规定。由于工作原理不同，梯形图不能照搬“继电器-接触器”电路中的某些处理方法。例如在继电器电路中，触点可以放在线圈的两侧，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的Zui右边。

  图6-89 卧式镗床PLC控制系统外部的实际接线图

  (2) 适当的分离“继电器-接触器”电路图中的某些电路。设计“继电器-接触器”电路图时的一个基本原则是尽量减少图中使用的触点的个数，因为这可以节约成本，但是这往往会使某些线圈的控制电路交织在起。在设计梯形图时首要的问题是设计的思路要清楚，设计出的梯形图容易阅读和理解，并不是特别在意是否多用了几个触点，因为这不会增加硬件的成本，只是在输入程序时需要多花费一点时间。

  (3) 尽量减少PLC的输入和输出端子。PLC的价格与I/O端子数有关，因此减少输入、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。在PLC的外部输入电路中，各输入端可以接动合触点或动断触点，也可用接触点组成的串、并联电路。PLC不能识别外部电路的结构和触点类型，只能识别外部电路的通断。

  (4) 代换时间继电器。物理时间继电器有通电延时型和断电延时型两种。通电延时型时间继电器其延时动作的触点有通电延时闭合和通电延时断开两种。断电延时型时间继电器，其延时动作的触点有断电延时闭合和断电延时断开两种。在用PLC控制时，时间继电器可以用PLC的定时器或计数器或者是两者的组合来代替。

  (5) 设置中间单元。在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串、并联电路的控制。为了简化电路，在梯形图中可以设置中间单元，即用该电路来控制某存储位，在各线圈的控制电路中使用其动合触点。这种中间元件类似于"继电器-接触器"电路中的中间继电器。

  (6) 设立外部互锁电路。控制异步电动机正反转的交流接触器如果同时动作，将会造成三相电源短路。为了防止出现这样的事故，应在PLC外部设置硬件互锁电路。

  (7) 重新确定外部负载的额定电压。PLC双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压为AC220V的负载、如果系统原来的交流接触器的线圈电压为380V，应换成220V的线圈，或是设置外部中间继电器。