西门子TP700操作面板

PLC是以顺序循环的方式来执行控制程序的。也就是说，控制指令按照其在控制程序中的排列次序，由控制器从程序存储器中读取，并从条至后一条逐条执行。当后一条指令完成后，控制器又会再次回到程序存储器的初始位置，周而复始循环执行。PLC指令执行的过程如图1-2所示。

在一个程序处理周期开始时，可编程序控制器会首先查询控制器所有被占用的数字输入端的信号状态。查询所得的逻辑信号（“0”或“1”）将作为“输入过程映像”存入内存。控制器在接下来控制程序处理中只调用内存中的“输入过程映像”，而不是再次查询输入口的信号状态。这样，在一个程序处理周期中所发生的输入信号变化，将不会对控制过程产生干扰或影响。此外，访问内部数据存储器所需要的时间要远少于直接从外部组件读取数据所用的时间。

在程序处理过程中，通过对输入端口、寄存器或定时器信号的查询和逻辑处理所获得的新的输出信号状态，控制器会将这些变化后的输出信号先存入“输出过程映像”。直到后一条程序指令完成后，“输出过程映像”的内容才会被传输到外部的输出模块。这样，在一个程序处理周期里输出端口的状态是不会改变的，或者说，只有完成一个程序处理周期，输出端的状态才可能发生变化。

如果在一个程序周期中，多条程序指令对同一个输出信号作出多次状态修改，那么只有后一次存入“输出过程映像”的信号状态是有效的，并输出至输出模块。

西门子TP700操作面板

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1.1.3 相关名词定义与说明1.周期时间

周期时间是指可编程序控制系统执行一个程序周期所花费的时间。周期时间是由系统程序处理时间、输入/输出过程映像传输时间和用户程序处理时间三部分组成。典型的用户程序处理时间为0.1～0.3ms/1000条指令。

前一周期所花费的时间在OB1（主程序循环块）中是可以被读取出来的，所以一般在OB1中会设置周期时间监测（看门狗），这样就可以在自动控制设备发生超时情况（如程序出现死循环）时，使其自动转换到停止的状态。2.响应时间

响应时间是指从识别输入信号到相关输出信号发生改变所使用的时间。

响应时间取决于周期时间和输入/输出的延时。3.累加器（ACCU）

累加器是一种特殊的寄存器，该寄存器用来存储定时器或计数器的预先设置，以实现算术运算的执行。绝大多数的自动控制设备分配2～4个累加器来实现两个操作数的算术运算，如加法、减法、乘法或是比较运算。

将外部寄存器上的数据传输（复制）到累加器的操作使用“加载”指令（如L DW27，L T2或L IB4 等）。将累加器中的数据传输到外部寄存器的操作需要使用“传输”指令（如T MB3或T PB1等）。4.输入/输出模块

可编程序控制器的输入/输出信号通常是二进制信号，也就是说输入/输出信号有两种信号状态“0”或“1”（对应关断/接通）。在控制技术中，二进制状态“0”对应0V电压，状态“1”对应直流24V或者是交流220V电压。

例如：24V 额定电压

1）输入模块。控制所需要的过程变量是通过各类传感器加以采集，然后通过输入模块被送入可编程序控制器的。经常所使用的传感器有开关（限位开关）、电感式接近开关、按钮、液面高度传感器、温度传感器、光传感器和电流传感器等，这些传感器输出一个二进制开关信号。输入模块一般都是由8位、16位或32位输入端组成。

输入模块具有高输入阻抗的特点，因为输入模块内部一般采用光耦合器或继电器。同时，输入模块采用输入滤波器去除干扰，输入电平通过发光二极管进行显示。

2）输出模块。输出模块的主要功能是输出二进制信号对控制执行元件进行控制。常用的控制执行元件有继电器或接触器（对诸如电动机、加热装置等进行控制）、光学或声学信号发生器、阀门、功率晶闸管或功率三极管等。与输入模块相似，输出模块一般由8位、16位或32位输出端组成。

输出模块能够进行信号放大和转换，使得输出电压满足要求；输出模块内部具有防短路和限制输出电流的安全保护功能块。输出电平通过发光二极管进行显示。5.输入/输出模块的地址

每个输入和输出都有一个由硬件配置预定义的地址。该地址是直接指定的，所以称为地址。

例如，一个模拟输入器件插在槽位4上，则其通道0的地址是256，通道1的地址是258。模拟输出口有相同的起始地址，也就是通道0的地址是256，通道1的地址是258。槽位5上通道的起始地址增加16bit（即1个字），即256+16=272。6.中间存储器

中间存储器其实是自动控制系统中的一段内存，控制组件将二进制的信号状态暂存其中。中间存储器的处理方式就像输出端，只不过它不会通过输出模块被输出到外部。如果自动控制器有内部备份电池，则中间存储器有保持型和非保持型的区分。当出现断电或自动控制器被关闭时，在保持型中间存储器中的信号状态会被保留下来。从功能上说，中间存储器的功能类似于继电器中的辅助触点，控制的结果可以通过它被更多的电路使用。

中间存储器的逻辑状态就像输入/输出模块一样是可以被进一步处理的（比如查询等）。

1.2 S7—300 PLC硬件简介

S7—300 PLC是德国西门子（SIEMENS）公司较早推出的功能强大的中型PLC，在世界范围内中大型控制场合得到普遍使用。本节主要介绍S7—300 PLC的硬件特性及其主要模块。

S7—300系列PLC与其他可编程序控制器一样，都采用循环扫描工作方式。即CPU首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器，然后执行用户程序，后从输出过程映像寄存器中输出到输出模块，以此循环下去。

1.2.1 S7—300 PLC的组成

S7—300 PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无插槽位置限制的模块化结构，其系统构成如图1-5所示。它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元CPU模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。通过MPI网的接口可以直接与编程器PG、操作员面板OP和其他S7可编程序控制器相连接

除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时，先将总线连接器装在CPU模块，并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。

1）电源模块PS 307输出24VDC，它与CPU模块和其他信号模块之间通过外部电缆连接向各模块提供电源，而不是通过背板总线连接。

2）中央处理单元CPU模块有多种型号，如CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315—2DP等。CPU模块除完成执行用户程序的主要任务外，还为S7—300背板总线提供5V直流电源，并通过MPI多点接口与其他中央处理器或编程装置通信。

3）S7—300的编程装置可以是西门子专用的编程器，如PG705、PG720、PG740、PG760等，也可以用通用微机，配以STEP7软件包，并加MPI卡或MPI编程电缆构成。

4）信号模块SM可以使不同的过程信号电平与S7—300的内部信号电平相匹配，主要有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332。每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模块的前连接器上。特别指出的是，其模拟量输入模块独具特色，它可以接入热电偶、热电阻、4～20mA电流、0～10V电压等18种不同的信号，输入量程范围很宽。

5）功能模块FM主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。例如，快给进和慢给进驱动定位模块FM351、电子凸轮控制模块FM352、步进电机定位模块FM353、伺服电机位控模块FM354、智能位控制面模块SINUMERIKFM-NC等。

通信处理器是一种智能模块，它用于PLC间或PLC与其他装置间联网实现数据共享。例如，具有RS-232C接口的CP340，与现场总线联网的CP342-5DP等。

1.2.2 系统扩展和模块地址的确定1.S7—300系统的扩展

S7—300是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架（导轨）或多个机架上。与CPU312IFM和CPU313配套的模块只能装在一个机架上。除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上多只能安装8个信号模块或功能模块。

CPU314/315/315-2DP多可扩展为4个机架，IM360/IM361接口模块将S7—300背板总线从一个机架连接到下一个机架，

中央处理单元总是在0号机架的2号槽位上，1号槽位安装电源模块，3号槽位总是安装接口模块。槽位号4～11，可自由分配信号模块、功能模块和通信模块。需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。

用于发送的接口模块IM360，装在0号机架3号槽。通过专用电缆，将数据从IM360发送到IM361。IM360和IM361的大距离为10m。IM361上有指示系统状态和故障的发光二极管LED，如果CPU不确认此机架，则LED闪烁，出现这种情况可能是连接电缆没接好或者是串行连接的IM361关掉了。具有发送和接受功能的接口模块IM361，用于S7—300的机架1～机架3的扩展，通过连接电缆把数据从IM360接收到IM361或者从一个IM361传到另一个IM361。IM361和IM361之间的大距离也为10m。IM361不仅提供数据传输功能，还将24V直流电压转换为5V直流电压，给所在机架的背板总线提供直流5V电源，供电电流不超过1.2A。所以，每个机架所能安装的模块数量除了不能大于8外，还要受到背板总线5V电源供电电流的限制，即每个机架上各模块消耗的5V电流之和应小于该机架大的供电电流。2.S7—300系统模块地址的分配

根据机架上模块的类型，地址可以为输入（I）或输出（O）。数字I/O模块每个槽划分为4Byte（32bit等于32个I/O点）。模拟I/O模块每个槽划分为16Byte（等于8个模拟量通道），每个模拟量输入通道或输出通道的地址总是一个字（2Byte）地址。在机架0的个信号模块槽（槽位4）的地址为0.0～3.7，一个16bit的输入模块只占用0.0～1.7，地址2.0～3.7未用。

可编程序控制器实际上是一个特殊的计算机系统，系统上电后首先对硬件和软件进行初始化，然后以扫描的方式工作，周而复始不断循环。每一次扫描称为一个扫描周期，约为几十个微秒到十几个毫秒甚至更短，主要可以分成输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，当然还包括执行如：通信处理、CPU自诊断测试等其他功能的时间。其框图如图1-2所示。

（1）输入采样阶段。

PLC在每个扫描周期都将和输入端子相连接的外部输入元件（如：按钮、行程开关、传感器等）的状态（接通或断开）信号采样到输入映像区中，并存储起来保持一个扫描周期不变，以参与用户程序执行的运算

（2）程序执行阶段。

PLC按“自左向右，自上而下”的顺序扫描执行用户程序的每一条指令，并从输入映像区和输出映像区中取出相关数据参与用户程序的运算、处理，程序执行的结果保存在输出映像区内。

（3）输出刷新阶段。

在整个程序执行完毕后，PLC将输出映像区中的执行结果送到输出状态锁存器锁存，并通过输出端子输出驱动用户负载设备。

2）可编程控制器控制系统和继电器逻辑控制系统的比较

传统继电器控制系统如图1-3所示，控制信号对设备的控制作用是通过控制线路板的接线来实现的。在这种控制系统中，要实现不同的控制要求必须改变控制电路的接线。

输出端子是PLC向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的触点接到PLC的输出端子上，若输出继电器得电，其触点闭合，负载电源加到负载上，负载开始工作。而输出继电器由事先编好的程序（梯形图）驱动，因此修改程序即可实现不同的控制要求，非常灵活方便。应注意负载电源和负载的匹配，即负载电源是交流还是直流，额定电压、额定电流和额定功率都由负载决定。

其实PLC一般有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，为方便起见，若不特殊说明，