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常见问题:西门子S7-1200PLC工作原理是怎样的?

发布时间2021-11-26人气:13

问题:有很多出入plc工程师行业的人会问到西门子plc中s7-1200PLC工作原理是什么?它有什么特点和特征?如何入门学习呢?今天这篇文章给大家先整理一个大概的脉络和框架,方便大家学习使用。

常见问题:西门子S7-1200PLC工作原理是怎样的?

西门子S7-1200为例来讲解一下PLC的工作原理:

PLC采用循环执行用户程序的方式,称为循环扫描工作方式,一个循环扫描周期,主要可分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。PLC运行后首先执行一次启动组织块,再开始监视时间,在输入采样阶段,读取输入设备的状态,并存储到IO映像区中,之后进入执行用户程序阶段,按照从上到下从左到右的顺序依次执行用户程序,执行完用户程序,将输出映像区的结果刷新到输出设备。这一过程就是一个扫描周期,循环进行上述步骤称为循环扫描工作方式。

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循环扫描方式

    在扫描周期中的输入采样阶段,依次读入所有输入状态和数据,并将它们存入IO映像区中的相应单元内,输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,IO映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此如果输入是脉冲信号,该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能够保证在任何情况下该输入均能被读入。

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输入采样阶段

    在扫描周期中的用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序,再扫描每一条梯形图时,并按先左后右先上后下的顺序进行逻辑运算。逻辑运算的结果存于映像区,上面的逻辑运算,其运算结果会对下面的逻辑运算起作用。相反下面的逻辑运算,其运算结果只能到下一个扫描周期,才能对上面的运算结果起作用。

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用户程序执行阶段

    在扫描周期中的输出刷新阶段,当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照保存在IO映像区的运算结果,刷新所有对应的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设,这时才是PLC的真正输出。

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输出刷新阶段

    综合上述过程,PLC的工作特点如下:一、所有输入信号在程序处理前统一读入,并在程序处理过程中不再变化。而程序处理的结果也是在扫描周期的最后时段统一输出,其工作特点是将一个连续的过程分解成若干静止的状态。二、PLC仅在扫描周期的起始时段读取外部输入状态,该时段相对较短,对输入信号的抗干扰能力强。三、循环扫描的工作方式,对于高速变化的过程可能漏掉变化的信号,也会带来系统响应的滞后。为克服上述问题,可利用立即输入输出脉冲捕获高速计数器或中断技术等。

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PLC的工作特点

    下面我们来看一个实例,I0.1代表外部的按钮,当按钮动作后,左面的程序只需要一个扫描周期,就可以完成对M0.4的刷新,而右面的程序要经过四个扫描周期才能完成对M0.4的刷新,在扫描周期极短,无时序配合要求时,感觉不到这两个程序执行的差异。在有时序配合的情况下,这种差异要引起注意。

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程序对比

    结合PLC循环扫描工作方式分析图示双线圈输出程序。当I0.0按下时,最终输出Q0.0还是0,当I0.1按下时,最终输出Q0.0才是1。

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双线圈输出程序

    下面通过示意图介绍S7-1200 PLC启动到运行的过程,启动过程中依次执行以下步骤:A、清除输入映像存储器。B、使用上一个值或替换值,对输出执行初始化。C、执行启动OB块。D、将物理输入的状态复制到输入映像存储器。F、启用将输出映像存储器的值写入到物理输出。E、将所有中断事件存储到要在软模式下处理的队列中。运行时依次执行以下步骤:①将输出映像存储器写入物理输出。②将物理输入的状态复制到输入映像存储器。③执行程序循环OB块。④执行自检诊断。⑤请注意,在扫描周期的任何阶段,可实时处理中断和通信。

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S7-1200从启动到运行的执行过程

PLC的硬件和工作原理:

西门子S7-1200 PLC的主要特点

PLC的高速发展,除了工业自动化的客观需要外,还有许多适合工业控制的独特优点,解决了工业控制领域中普遍关心的安全、可靠、方便等问题。

01 抗干扰能力强,可靠性高

PLC控制系统中大量的开关动作由无触点的半导体电路完成,大大减少故障发生率。

硬件方面:

所有的I/O信号都采用光电隔离,使得外部电路与PLC内部电路实现了物理隔离。

各模块之间采用屏蔽措施,防止辐射干扰。

电路中采用滤波技术,用来防止或抑制高频干扰。

软件方面:

PLC具有良好的自诊断功能,一旦系统的软硬件放生异常情况,CPU会立即采取措施,防止故障扩大。

02 程序简单易学,系统的设计调试周期短

程序采用梯形图或者面向工业控制的简单指令形式。

梯形图与继电器原理图很相似,直观、易懂。

03 安装简单,维修方便

PLC可以在各种工业环境下直接运行,使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。

04 采用模块化结构,体积小,重量轻

绝大数PLC采用模块化设计结构,PLC的各部件,包括CPU、电源以及I/O模块都采用模块化设计。

05 丰富的I/O接口模块,扩展能力强

PLC针对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。

为了提高操作性能,PLC提供多种人-机对话模块。

为了组成工业局部网络,PLC提供多种通信网络的接口模块等。


PLC的硬件组成

中央处理器(CPU)

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中央处理器的功能是完成PLC内所有的数据监控和控制作用。

中央处理器的工作分为以下 5 个阶段:取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。

1.取指令阶段:就是将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值,用来指示当前指令在主存中的位置。

2.指令译码阶段:取出指令后,指令译码器按照预定的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。

3.行指令阶段:具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来,以执行所需的操作。

4.访存取数阶段: 根据指令需要访问主存、读取操作数,CPU得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算。

5.结果写回阶段: 作为最后一个阶段,结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。


存储器

PLC中的有两种类型的存储器:一种是只读类型的存储器,一种是可读、可写的存储器。

PLC中的存储器一种可以分为五个区域:

1.程序存储器(只读类型):程序存储器里存放的是PLC的操作系统,程序一般由PLC的制造商固化,不可以进行修改。

2.系统存储器(可读可写):用于存储计算结果、数据。系统存储器用户一般没有查看权限。

3.IO状态存储器(可读可写):用于存储IO设备的状态信息。

4.数据存储器(可读可写):主要用于PLC的设备的数据处理。

5.用户存储器(可读可写):主要用于存放用户编写的程序。


输入/输出接口

PLC的输入和输出接口有开关量和模拟量两种类型。

1.输入接口

输入接口可以分为开关信号和模拟信号。

开关信号一般为BOOL数据类型,其值只有0和1。比如按钮开关、接近开关、光电开关等设备。

模拟信号一般为int或者real类型的信号,比如压力传感器、温度传感器等设备。

2.输出接口

输出接口可以分为开关信号和模拟量信号。

开关信号通常是指示灯、接触器、蜂鸣器等设备。

模拟量通常用于电机调速、温度控制器等设备。


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