控制工程师论坛

第7章  应用设计
7.1  系统设计
7.2　程序设计
7.3　设计实例
本章主要内容：
应用设计的基本知识
系统设计，包括系统设计的步骤和几种常用的设计方法
程序设计，比较详细地介绍在程序设计时功能流程图的使用
应用实例
本章要求对应用系统设计的方法和步骤掌握会用，重点是掌握程序设计方法中的功能流程图法。
7.1  系统设计
7.1.1  系统设计的原则

7.1.2　系统设计的步骤
7.1.1  系统设计的原则
在可编程序控制器控制系统的设计中，应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求，在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、安全、可靠、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本。
设计一个PLC控制系统有多种途径：可以在原有的继电接触控制系统基础上加以改造，形成可编程序控制器的控制系统。
7.1.2　系统设计的步骤
1. 熟悉被控对象
2. 制定控制方案
3. 详细描述控制对象
4. 详细描述操作员站
5. 配置可编程序控制器
6. 程序设计
7.2　程序设计
7.2.1　功能流程图概述
7.2.2　由功能流程图到程序

程序设计的内容包括：编写程序、编译程序、模拟运行及调试程序等。
程序设计的方法是指用什么方法和编程语言来编写用户程序。
程序设计有多种方法：如果控制系统是改造原有成熟的继电接触控制系统，则可由电气控制电路图很容易地转化为梯形图，生成控制程序。
本节主要介绍功能流程图法。
7.2.1　功能流程图概述
功能流程图，简称功能图，又叫状态流程图或状态转移图。它是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能说明性语言，能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。

1. 组成
（1）步
步是控制系统中的一个相对不变的性质，它对应于一个稳定的状态。在功能流程图中步通常表示某个执行元件的状态变化。步用矩形框表示，框中的数字是该步的编号，编号可以是该步对应的工步序号，也可以是与该步相对应的编程元件（如PLC内部的通用辅助继电器、步标志继电器等）。步的图形符号如图7.1（a）所示。
初始步
初始步对应于控制系统的初始状态，是系统运行的起点。一个控制系统至少有一个初始步，初始步用双线框表示，如图7.1（b）所示。

（2）有向线段和转移
有向线段和转移及转移条件如图7.2所示。

（3）动作说明
一个步表示控制过程中的稳定状态，它可以对应一个或多个动作。可以在步右边加一个矩形框，在框中用简明的文字说明该步对应的动作，如下图7.3所示。
图中（a）表示一个步对应一个动作；图（b）和（c）表示一个步对应多个动作，两种方法任选一种。
2. 使用规则
（1）步与步不能直接相连，必须用转移分开；
（2）转移与转移不能直接相连，必须用步分开；
（3）步与转移、转移与步之间的连线采用有向线段，画功能图的顺序一般是从上向下或从左到右，正常顺序时可以省略箭头，否则必须加箭头。
（4）一个功能图至少应有一个初始步。
3. 结构形式
（1）顺序结构
（2）分支结构
选择性分支
并发性分支
（3）循环结构
（4）复合结构
（1）顺序结构
（2）分支结构

并发性分支
（3）循环结构
循环结构用于一个顺序过程的多次或往复执行。功能图画法如图7.7所示，这种结构可看作是选择性分支结构的一种特殊情况。
（4）复合结构
7.2.2　由功能流程图到程序
1. 逻辑函数法
2. 功能流程图实例
3. 步标志继电器法
1. 逻辑函数法
（1）通用辅助继电器的逻辑函数式
（2）执行元件的逻辑函数式
（3）由逻辑函数式画梯形图

（1）通用辅助继电器的逻辑函数式
函数规则：
除第一步外，每一步用一个通用辅助继电器（以下简称继电器）表示本步是否被执行，即步状态。如图7.9所示。

（2）执行元件的逻辑函数式
图7.8中的Yj、Yk、Yp分别表示这3个步所对应的动作或输出，可以是执行元件或其他继电器，也可以是指令盒。一般情况下，一个步对应一个动作，当功能流程图中有多个步对应同一个动作时，其输出可用这几个步对应的继电器“或”来表示。
（3）由逻辑函数式画梯形图
可由每个逻辑函数式中的与或逻辑关系，用串联或并联触点对应线圈的形式画出所有梯级的梯形图。

（1）写通用辅助继电器的逻辑函数式
（2）写执行元件的逻辑函数式
（3）由逻辑函数式画梯形图
（1）写通用辅助继电器的逻辑函数式
用起动优先规则。
（2）写执行元件的逻辑函数式
图7.9中除步M00.2和步M00.6对应同一个执行元件输出触点外，其他每一步对应一个不同的执行元件输出触点。
多步对应一动作
f (Q0.2)=M00.2+M00.6
一步对应一动作
f (Q0.0)=M00.0  f (Q0.3)=M00.3
f (Q0.5)=M00.7  f (Q1.0)=M01.1
其他输入点的逻辑函数式写法也都用相同方式。
（3）由逻辑函数式画梯形图

3. 步标志继电器法

7.3　设计实例
1. 系统描述
2. 制定控制方案
3. 系统配置及输入输出对照表
4. 设计主电路及PLC外部接线图
5. 设计功能流程图
6. 建立步与继电器对照表
7. 写逻辑函数式
8. 画梯形图
1. 系统描述
1. 系统描述
设计一个3工位旋转工作台，其工作示意如图7.12所示。三个工位分别完成上料、钻孔和卸件。
（1）动作特性
工位1：上料器推进，料到位后退回等待。
工位2：将料夹紧后，钻头向下进给钻孔，下钻到位后退回，退回到位后，工件松开，放松完成后等待。
工位3：卸料器向前将加工完成的工件推出，推出到位后退回，退回到位后等待。
（2）控制要求
通过选择开关可实现自动运行、半自动运行和手动操作。

2. 制定控制方案
1）用选择开关来决定控制系统的全自动、半自动运行和手动调整方式。
2）手动调整采用按钮点动的控制方式。
3）系统处于半自动工作方式时，每执行完成一个工作循环，用一个起动按钮来控制进入下一次循环。
4）系统处于全自动运行方式时，可实现自动往复地循环执行。
5）系统运动不很复杂，采用4台电机 。
6）对于部分与顺序控制和工作循环过程无关的主令部件和控制部件，采用不进入PLC的方法以节省I/O点数。
7）由于点数不多，所以用中小型PLC可以实现。可用CPU 224与扩展模块，或用一台CPU 226。

3. 系统配置及输入输出对照表
表7.1　输入信号对照表

表7.2  输出信号对照表
4. 设计主电路及PLC外部接线图

图7.13为PLC外部接线的示意图，实际接线时，还应考虑到以下几个方面：
1）应有电源输入线，通常为220V，50Hz交流电源，允许电源电压有一定的浮动范围。并且必须有保护装置，如熔断器等。
2）输入和输出端子每8个为一组共用一个COM端。
3）输出端的线圈和电磁阀必须加保护电路，如并接阻容吸收回路或续流二极管。

6. 建立步与继电器对照表
7. 写逻辑函数式
由本功能流程图写逻辑函数式时，采用关断优先规则。
（1）继电器函数式
初始步1
手动调整步15
手动操作步
自动和半自动调整步2
工位1：
工位2：
工位3
  （2）执行元件函数式
8. 画梯形图
将所有函数式写出后，很容易就可以用编程软件做出梯形图。梯形图完成后便可以将可编程序控制器与计算机连接，把程序及组态数据下装到PLC进行调试，程序无误后即可结合施工设计将系统用于实际。
THANK YOU VERY MUCH ！
本章到此结束，
谢谢您的光临！

第8章　通信及网络
8.1　通信及网络概述
8.2　通信实现
8.3　网络通信
8.4   自由口通信 
8.1　通信及网络概述
8.1.1　通信方式
8.1.2　网络概述
8.1.3　S7-200通信及网络
8.1.1　通信方式
1. 基本通信方式
2. 异步串行通信
3. 通信接口
1. 基本通信方式
（1）并行通信
（2）串行通信
（3）串行通信分类

（1）并行通信
并行通信方式一般发生在可编程序控制器的内部各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模板的处理器之间。
并行传送时，一个数据的所有位同时传送，因此，每个数据位都需要一条单独的传输线，信息有多少二进制位组成就需要多少条传输线，如下图8.1所示。

（2）串行通信
串行通信多用于可编程序控制器与计算机之间，多台可编程序控制器之间的数据传送。传送时，数据的各个不同位分时使用同一条传输线，从低位开始一位接一位按顺序传送，数据有多少位就需要传送多少次，如下图8.2所示。

（3）串行通信分类
  按时钟
串行通信按时钟可分为同步传送和异步传送两种方式。
异步传送：允许传输线上的各个部件有各自的时钟，在各部件之间进行通信时没有统一的时间标准，相邻两个字符传送数据之间的停顿时间长短是不一样的，它是靠发送信息时同时发出字符的开始和结束标志信号来实现的，如图8.4所示。
 按方向
串行通信按信息在设备间的传送方向又为分单工、半双工和全双工三种方式。分别如图8.3中的（a）、（b）和（c）所示。

2. 异步串行通信
（1）传送字符数据格式
（2）波特率
3. 通信接口
（1）RS232接口
（2）RS485接口
（3）RS422接口
8.1.2　网络概述
网络结构概述
（1）简单网络
（2）多级网络
2. 通信协议
（1）通用协议
（2）公司专用协议
1. 网络结构概述
（1）简单网络
多台设备通过传输线相连，可以实现多设备间的通信，就形成网络结构。下图8.5就是一种最简单的网络结构，它由单主设备和多个从设备构成。

（2）多级网络
现代大型工业企业中，一般采用多级网络的形式，可编程序控制器制造商经常用生产金字塔结构来描述其产品可实现的功能。这种金字塔结构的特点是：上层负责生产管理，底层负责现场检测与控制，中间层负责生产过程的监控与优化。
国际标准化组织（ISO）对企业自动化系统确立了初步的模型，如图8.6所示。

2. 通信协议
（1）通用协议
国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1978年提出了开放系统互联OSI（Open Systems Interconnection）的模型，它所用的通信协议一般为7层，如下图8.7所示。

（2）公司专用协议
低层子网和中层子网一般采用公司专用协议，尤其是最底层子网，由于传送的是过程数据及控制命令，这种信息较短，但实时性要求高。公司专用协议的层次一般只有物理层、链路层及应用层，而省略了通用协议所必须的其他层，信息传送速率快。
8.1.3　S7-200通信及网络
1. 字符数据格式
2. 网络层次结构
3. 通信类型及协议
4. 通信设备
1. 字符数据格式
（1）10位字符数据
传送数据由1个起始位、8个数据位、无校验位、一个停止位组成。传送速率一般为9600波特。
（2）11位字符数据
传送数据由1个起始位、8个数据位、1个偶校验位、一个停止位组成。传送速率一般为9600波特或19200波特。
2. 网络层次结构
西门子公司的生产金字塔由4级组成，由下到上依次是：过程测量与控制级、过程监控级、工厂与过程管理级、公司管理级。S7系列的网络结构如右图8.8所示。

3. 通信类型及协议
（1）通用协议
（2）公司专用协议
PPI协议
MPI协议
Profibus协议
自由口协议
（3）通信类型

可编程序控制器常见的有以下类型：
把计算机或编程器作为主站、把操作员界面作为主站和把PLC作为主站等类型，这几种类型又各有两种连接：单主站和多主站。

4. 通信设备
（1）通信口
S7-200 CPU主机上的通信口是符合欧洲标准EN 50170中Profibus标准的RS-485兼容9针D型接口。接口引脚如图8.11所示，端口0或端口1的引脚与Profibus的名称对应关系如表8.1所示。

（2）网络连接器
网络连接器可以用来把多个设备很容易地连接到网络中。网络连接器有两种类型：一种是仅提供连接到主机的接口，另一种增加了一个编程接口。带有编程口的连接器可以把编程器或操作员面板直接增加到网络中，编程口传递主机信号的同时，为这些设备提供电源，而不用另加电源。

（3）通信电缆
          网络电缆
          PC/PPI电缆

（4）网络中继器
网络中继器在Profibus可以用来延长网络的距离、允许给网络加入设备、隔离不同网络段，每个中继器为网络段提供偏置和终端匹配。
每个网络中最多可以有9个中继器，每个中继器最多可再增加32个设备。

（5）调制解调器
用调制解调器可以实现计算机或编程器与PLC主机之间的远距离通信。以11位调制解调器为例，通信连接如下图8.12所示。
8.2　通信实现
8.2.1　确立通信方案
8.2.2　参数组态
8.2.1　确立通信方案
包括根据实际通信需要选择单主站或多主站，同时确定各站的编号；选择实现通信的硬件，如选择用PC/PPI电缆，还是用CP卡、MPI卡、EM 277通信模块或调制解调器等。
这几种通信硬件的性能如表8.3所示。

8.2.2　参数组态
1. 通信设置
2. 安装或删除通信接口
3. 参数设置
通信设置

2. 安装或删除通信接口
（1）安装接口
（2）删除接口

3. 参数设置
在图7.14所示的对话框，单击Properties按钮，将弹出参数设置对话框，如图8.16所示。其中有两个选项卡：PPI选项卡和Local Connection选项卡。
8.3　网络通信
8.3.1　控制寄存器和传送数据表
8.3.2  网络指令
8.3.3  应用实例
8.3.1　控制寄存器和传送数据表
1. 控制寄存器
将特殊标志寄存器中的SMB30和SMB130的低2位置为2#10，其他位为0，即SMB30和SMB130的值为16#2，则可以控制将S7-200 CPU设置为PPI主站模式。
2. 传送数据表
（1）数据表格式
执行网络读写指令时，PPI主站与从站之间的数据以数据表的格式传送。传送数据表的程式描述如表8.4所示。

（2）状态字节
传送数据表中的第一个字节为状态字节，各位及其的含义如下：

8.3.2  网络指令
网络指令有两条：NETR和NETW。
1. NETR指令
NETR，网络读指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过通信端口PORT从远程设备上接收数据并形成数据表TBL。
NETR指令最多可从远程站点上读16个字节的信息。
指令格式： NETR TBL, PORT
例： NETR VB200, 0

2. NETW 指令
NETW网络读指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过端口PORT将数据表TBL中的数据发送到从远程设备。
NETW指令最多可向远程站点上写16个字节的信息。
指令格式：NETW   TBL, PORT
使能流输出ENO为0的出错条件为：SM4.3（运行时间），0006（间接寻址）。
8.3.3  应用实例
有一简单网络，结构如下图8.17所示。其中TD200为主站，在RUN模式下，CPU 224在用户程序中允许PPI主站模式，可以利用NETR和NETW指令来不断读写两个CPU 221模块中的数据。

操作要求：
站4要读写两个远程站（站2和站3）的状态字节和计数值（分别放在VB100和VW101中）。如果某个远程站中的计数值达到200，站4将发生一定动作，并将该远程站的计数值清0，重新计数。
CPU 224通信端口号为0，从VB200开始设置接收和发送缓冲区。接收缓冲区从VB200开始，发送缓冲区从VB250开始，内容如表8.6所示。该网络通信用户程序如图8.18所示。

8.4  自由口通信
8.4.1  相关寄存器及标志
8.4.2  自由口指令
8.4.3  应用实例
8.4.1  相关寄存器及标志
1. 控制寄存器
2. 特殊标志位及中断
3. 特殊存储器字节
1. 控制寄存器
SMB30控制和设置通信端口0，如果PLC主机上有通信端口1，则用SMB130来进行控制和设置。SMB30和SMB130的各位及其的含义如下：
2. 特殊标志位及中断
中断
接收中断：中断事件号为8（口0）和25（口1）。
发送完成中断：中断事件号为9（口0）和26（口1）。
接收完成中断：中断事件号为23（口0）和24（口1）。
特殊标志位
SM4.5和SM4.6：分别用来表示口0和口1发送空闲状态
3. 特殊存储器字节
接收信息时用到一系列特殊功能存储器。对端口0用SMB86到SMB94；对端口1用SMB186到SMB194。各字节及内容描述如下表8.7所示。
8.4.2  自由口指令
1. XMT指令
XMT，发送指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过通信端口PORT将数据表TBL中的数据发送到远程设备。
发送缓冲区（数据表）TBL的格式如表8.8所示。

2. RCV 指令
RCV，接收指令。使能输入有效时，指令初始化通信操作，通过通信端口PORT从远程设备上接收数据并放到缓冲区（数据表）TBL。
接收缓冲区TBL的格式如表8.8所示。
8.4.3  应用实例
1. 控制要求
本程序实现的功能是，一台CPU 224作为本地PLC，用另一台CPU 224作为远程PLC，本地PLC接收来自远程PLC的20个字符，接收完成后，信息又发回对方。
要求有一外部脉冲控制接收任务的开始，并且任务完成后用显示灯显示。
2. 参数设置
自由口通信模式。
通信协议为：波特率9600，无奇偶校验，每字符8位。
接收和发送用同一缓冲区，首地址为VB100。
不设立超时时间。

3. 程序
主程序如右图8.19所示。实现的功能是初始化通信口及缓冲区，建立中断联系，并开放全局中断。中断程序INT_0，启动发送指令。如图8.20所示。

中断程序INT_1，发结束时输出。如图8.21所示。

THANK YOU VERY MUCH ！
本章到此结束，
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