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西門子S7-300：CPU31x入門與調(diào)試(1

1. 我們將使用一個實例引導(dǎo)您通過完成所需步奏來創(chuàng)建一個功能性應(yīng)用。在操作實例過程中，您將了解與CPU關(guān)聯(lián)的軟、硬件基本功能。完成此過程需要1-2個小時，具體時間取決于您的經(jīng)驗。
2. 準(zhǔn)備工作

本實例使用一下CPU：

您需要具備電子、電氣工程的基本知識以及使用Microsoft(R)Windows(TM)的經(jīng)驗。

 
所需材料和工具

實例布局
 
圖1.簡單布局（CPU某些細(xì)節(jié)可能與上圖有差異）

1. 安裝導(dǎo)軌
2. 電源開/關(guān)
3. 用于設(shè)置線路電壓
4. LED
5. 存儲卡/SIMATIC微型存儲卡
6. 模式選擇開關(guān)
7. 用于連接MPI接口的PG電纜
8. 安裝了STEP 7軟件的編程設(shè)備（PG）

圖2.電源和CPU接線（前蓋打開）

1. 電源（PS）模塊
2. CPU
3. 用于連接PG的MPI接口
4. 可拆卸的電源連接
5. PS和CPU的連接電纜
6. 電源線扣夾

實例的功能
在按下按鈕前，輸出無法切換（即，使得輸出模塊上的二極管亮起）。

1. 導(dǎo)軌的安裝接地

（1）用螺釘固定裝配導(dǎo)軌（螺釘尺寸：6M）。確保裝配導(dǎo)軌的上下至少各留有40 mm的間隙。再將其安裝到接地金屬板或鋼制接地設(shè)備安裝板時，請確保裝配導(dǎo)軌與安裝表面之間的連接具有低阻抗。
（2）將導(dǎo)軌連接到保護(hù)導(dǎo)體上。為此，裝配導(dǎo)軌上提供了一個M6保護(hù)體螺釘。連接保護(hù)體的電纜的橫截面積最少為：30 mm(2)
 

將模塊安裝在裝配導(dǎo)軌上

1. 首先，插入電源模塊。將其向左滑動到裝配導(dǎo)軌上的接地螺釘位置，然后將其擰緊。
2. 要連接其他模塊，請將一個總線連接器插入CPU中（請參閱圖中部分）。

1. 懸掛在CPU上  1
2. 將其滑動至左側(cè)模塊  2
3. 然后可向下旋壓  3

1. 在裝配導(dǎo)軌上用螺釘擰緊模塊。
2. 需要使用帶有SIMATIC微型存儲卡的CPU。將其插入插槽中。
3. 還需要將數(shù)字輸入、輸出模塊安裝在該CPU的右側(cè)。要執(zhí)行此操作，請重復(fù)*步

1. 為模塊接線

為電源和CPU接線

1. 打開電源模塊和CPU的前面板。
2. 松開電源的電源線扣夾。
3. 剝?nèi)ボ涬娫措娎|的外皮，壓接在線端套管上，然后連接到電源。（藍(lán)色線接端子M，黑色線接端子L1，保護(hù)導(dǎo)線接端子PE）
4. 擰緊電源線扣夾，使其就位。
5. 接下來，將電源線連接到CPU，使用導(dǎo)線橫截面積為1 mm(2)的軟電纜。將線端剝?nèi)ゴ蠹s6mm的外皮，然后壓接到線端套管上，將電源上L+和M端子連接到CPU上的對應(yīng)端子
6. 檢查線路電壓選擇器開關(guān)是否已設(shè)置為正確的線路電壓。

電源出廠時將線路電壓設(shè)置為AC 230V。要標(biāo)記前連接器，請按照下列步驟操作：要調(diào)整電壓，請用螺絲刀卸下保護(hù)帽，將開關(guān)設(shè)為所需的線路電壓，然后重新安上保護(hù)帽。
為數(shù)字量輸入和輸出模塊接線

1. 打開數(shù)字量輸入和輸出模塊的前面板。
2. 將前連接器推入DI和DO，直至卡入到位。在此接線位置，前連接器仍伸出于模塊，并且未連接至該模塊。
3. 將大約10條導(dǎo)線（1mm(2)）切至所需長度（20 cm），并在線端安裝套管。
4. 按如下方式連接數(shù)字量輸入模塊的前連接器：

-端子L+連接電源上的端子L+；端子M連接電源上的端子M
-端子3連接到按鈕2的*個連接點
-端子4：連接到按鈕2的*個連接點
將按鈕1和2上的兩個未分配的連接點連接到電源上的L+端子。

1. 按如下方式為數(shù)字輸出模塊的前連接器接線：

-端子L+連接電源上的端子L+
-端子M連接電源上的端子M

1. 使導(dǎo)線向下穿出前連接器。
2. 按下模塊頂部前連接器上的釋放按鈕，同時，將前連接器推向模塊，直到釋放按鈕重新卡入其原來的位置。
3. 請注意：如果使用40針前連接器，還必須使用前連接器中心的固定螺釘固定前連接器。
4. 關(guān)閉數(shù)字輸入和輸出模塊以及電源的前面板
5. 
6. PLC的軟件組成

7. PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

   系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。

    PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機(jī)語言相對簡單、易懂、形象的語言。

    PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達(dá)方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達(dá)方式編程語言，如梯形圖等。

       以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。

      1.梯形圖語言

     梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用較廣泛的PLC的編程語言，是PLC的*編程語言。

   如圖1所示是傳統(tǒng)的電器控制線路圖和PLC梯形圖。

    

    

    

    

   a）  電器控制線路圖      b）PLC梯形圖

     從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是*的，具體表達(dá)方式有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器，定時／計數(shù)器等，都是由軟件來實現(xiàn)的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的。

       2.語句表語言

    這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達(dá)方式。在PLC應(yīng)用中，經(jīng)常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。雖然各個PLC生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖1中梯形圖對應(yīng)的（FX系列PLC）語句表程序。

      步序號      指令      數(shù)據(jù)

       0      LD       X1

       1       OR       Y0

        2      ANI      X2

        3      OUT      Y0

       4      LD       X3

        5      OUT      Y1

       可以看出，語句是語句表程序的基本單元，每個語句和微機(jī)一樣也由地址（步序號）、操作碼（指令）和操作數(shù)（數(shù)據(jù)）三部分組成。

   3.邏輯圖語言

     邏輯圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時器、計數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號組成。有數(shù)字電路基礎(chǔ)的電氣技術(shù)人員較容易掌握，如圖2 所示。

    

    

      4.功能表圖語言

      功能表圖語言（SFC語言）是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。它將一個完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動作結(jié)束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達(dá)一個控制過程，對于順序控制系統(tǒng)特別適用。

       5.高級語言

     隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，為了增強(qiáng)PLC的運算、數(shù)據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機(jī)一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮。 

   
8. PLC掃描工作原理

9.  當(dāng)PLC運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時（并行）完成的。這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。

       用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從*條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運行。

   PLC的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；而PLC采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該時才會動作。但由于PLC的掃描速度快，通常PLC與電器控制裝置在I/O的處理結(jié)果上并沒有什么差別。

10. 

        PLC執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，

     

        1．輸入采樣階段

     在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。

        2．程序執(zhí)行階段

      在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運算，運算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。

      3．輸出刷新階段

     當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。

       因此，PLC在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，集中一段時間對輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣。

      在用戶程序中如果對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進(jìn)行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。

    對于小型PLC，其I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但使PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗*力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

        而對于大中型PLC，其I/O點數(shù)較多，控制功能強(qiáng)，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。

         從上述分析可知，當(dāng)PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入／輸出響應(yīng)滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是*允許的。應(yīng)該注意的是，這種響應(yīng)滯后不僅是由于PLC掃描工作方式造成，更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設(shè)計有關(guān)。滯后時間是設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)注意把握的一個參數(shù)。

11. 

     

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