西門(mén)子KTP400觸摸屏控制板

西門(mén)子KTP400觸摸屏控制板

結(jié)合PLC的組成和結(jié)構(gòu)分析PLC的工作原理更容易理解。PLC是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱(chēng)為掃描。CPU對(duì)用戶(hù)程序的執(zhí)行過(guò)程是CPU的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來(lái)完成的。一個(gè)掃描周期主要可分為：

（1）讀輸入階段。 每次掃描周期的開(kāi)始，先讀取輸入點(diǎn)的當(dāng)前值，然后寫(xiě)到輸入映像寄存器區(qū)域。在之后的用戶(hù)程序執(zhí)行的過(guò)程中，CPU訪(fǎng)問(wèn)輸入映像寄存器區(qū)域，而并非讀取輸入端口的狀態(tài)，輸入信號(hào)的變化并不會(huì)影響到輸入映像寄存器的狀態(tài)，通常要求輸入信號(hào)有足夠的脈沖寬度，才能被響應(yīng)。

（2）執(zhí)行程序階段。 用戶(hù)程序執(zhí)行階段，PLC按照梯形圖的順序，自左而右，自上而下的逐行掃描，在這一階段CPU從用戶(hù)程序的*條指令開(kāi)始執(zhí)行直到后一條指令結(jié)束，程序運(yùn)行結(jié)果放入輸出映像寄存器區(qū)域。在此階段，允許對(duì)數(shù)字量I/O指令和不設(shè)置數(shù)字濾波的模擬量I/O指令進(jìn)行處理，在掃描周期的各個(gè)部分，均可對(duì)中斷事件進(jìn)行響應(yīng)。

（3）處理通信請(qǐng)求階段。 是掃描周期的信息處理階段，CPU處理從通信端口接收到的信息。

（4）執(zhí)行CPU自診斷測(cè)試階段。在此階段CPU檢查其硬件，用戶(hù)程序存儲(chǔ)器和所有I/O模塊的狀態(tài)。

（5）寫(xiě)輸出階段。每個(gè)掃描周期的結(jié)尾，CPU把存在輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)字量輸出端點(diǎn)（寫(xiě)入輸出鎖存器中），更新輸出狀態(tài)。然后PLC進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期，重新執(zhí)行輸入采樣階段，周而復(fù)始。

如果程序中使用了中斷，中斷事件出現(xiàn)，立即執(zhí)行中斷程序，中斷程序可以在掃描周期的任意點(diǎn)被執(zhí)行。

如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O點(diǎn)。用立即I/O指令讀輸入點(diǎn)值時(shí)，相應(yīng)的輸入映像寄存器的值未被修改，用立即I/O指令寫(xiě)輸出點(diǎn)值時(shí)，相應(yīng)的輸出映像寄存器的值被修改。

可編程控制器目前常用的編程語(yǔ)言有以下幾種：梯形圖語(yǔ)言、助記符語(yǔ)言、順序功能圖、功能塊圖和某些高級(jí)語(yǔ)言。手持編程器多采用助記符語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)軟件編程采用梯形圖語(yǔ)言，也有采用順序功能圖、功能塊圖的。

（1）梯形圖語(yǔ)言

梯形圖的表達(dá)式沿用了原電氣控制系統(tǒng)中的繼電接觸控制電路圖的形式，二者的基本構(gòu)思是*的，只是使用符號(hào)和表達(dá)方式有所區(qū)別。

【例1】某一過(guò)程控制系統(tǒng)中，工藝要求開(kāi)關(guān)1閉合40S后，指示燈亮，按下開(kāi)關(guān)2后燈熄滅。采用三菱 FX_2N系列 PLC實(shí)現(xiàn)控制，圖1-5(a)為實(shí)現(xiàn)這一功能的梯形圖程序，它是由若干個(gè)梯級(jí)組成的，每一個(gè)輸出元素構(gòu)成一個(gè)梯級(jí)，而每個(gè)梯級(jí)可由多條支路組成。

梯形圖從上至下按行編寫(xiě)，每一行則按從左至右的順序編寫(xiě)。CPU將按自左到右，從上而下的順序執(zhí)行程序。梯形圖的左側(cè)豎直線(xiàn)稱(chēng)母線(xiàn)(源母線(xiàn))。梯形圖的左側(cè)安排輸入觸點(diǎn)(如果有若干個(gè)觸點(diǎn)相并聯(lián)的支路應(yīng)安排在左端)和輔助繼電器觸點(diǎn)（運(yùn)算中間結(jié)果），右邊必須是輸出元素。

梯形圖中的輸入觸點(diǎn)只有二種：動(dòng)合觸點(diǎn)(   ）和動(dòng)斷觸點(diǎn)（     ），這些觸點(diǎn)可以是PLC的外接開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部映像觸點(diǎn)，也可以是PLC內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)，或內(nèi)部定時(shí)、計(jì)數(shù)器的觸點(diǎn)。每一個(gè)觸點(diǎn)都有自己特殊的編號(hào)，以示區(qū)別。同一編號(hào)的觸點(diǎn)可以有常開(kāi)和動(dòng)斷兩種狀態(tài)，使用次數(shù)不限。因?yàn)樘菪螆D中使用的“繼電器”對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)某字節(jié)或某位，所用的觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)于該位的狀態(tài)，可以反復(fù)讀取，故人們稱(chēng)PLC有無(wú)限對(duì)觸點(diǎn)。梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意的串聯(lián)、并聯(lián)。

梯形圖中的輸出線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)存的相應(yīng)位，輸出線(xiàn)圈包括輸出繼電器線(xiàn)圈、輔助繼電器線(xiàn)圈以及計(jì)數(shù)器、定時(shí)器線(xiàn)圈等，其邏輯動(dòng)作只有線(xiàn)圈接通后，對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)才可能發(fā)生動(dòng)作。用戶(hù)程序運(yùn)算結(jié)果可以立即為后續(xù)程序所利用。

（2）助記符語(yǔ)言

助記符語(yǔ)言又稱(chēng)命令語(yǔ)句表達(dá)式語(yǔ)言，它常用一些助記符來(lái)表示PLC的某種操作。它類(lèi)似微機(jī)中的匯編語(yǔ)言，但比匯編語(yǔ)言更直觀易懂。用戶(hù)可以很容易地將梯形圖語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成助記符語(yǔ)言。

圖1-5(b)為梯形圖對(duì)應(yīng)的用助記符表示的指令表。

這里要說(shuō)明的是不同廠家生產(chǎn)的PLC所使用的助記符各不相同，因此同一梯形圖寫(xiě)成的助記符語(yǔ)句不相同。用戶(hù)在將梯形圖轉(zhuǎn)換為助記符時(shí)，必須先弄清PLC的型號(hào)及內(nèi)部各器件編號(hào)、使用范圍和每一條助記符的使用方法。

（3）順序功能圖

順序功能圖常用來(lái)編制順序控制程序，它包括步、動(dòng)作、轉(zhuǎn)換三個(gè)要素。順序功能圖法可以將一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程分解為一些小的工作狀態(tài)。對(duì)于這些小狀態(tài)的功能依次處理后再把這些小狀態(tài)依一定順序控制要求連接成組合整體的控制程序。圖1-6所示為采用順序功能圖編制的程序段，

（4）功能塊圖

功能塊圖是一種類(lèi)似于數(shù)字邏輯電路的編程語(yǔ)言，用類(lèi)似與門(mén)、或門(mén)的方框來(lái)表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方塊左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入端、輸出端的小圓點(diǎn)表示“非”運(yùn)算，信號(hào)自左向右流動(dòng)。類(lèi)似于電路一樣，方框被“導(dǎo)線(xiàn)”連接在一起。圖1-7所示為功能塊圖示例。

在數(shù)控機(jī)床中,通常用可編程控制器(PLC)對(duì)機(jī)床開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制。PLC可靠性高,使用方便。但在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床,特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中,要求的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并不多,通常在60點(diǎn)以下,因此,為了降低數(shù)控機(jī)床成本,在基于工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中,可以采用開(kāi)關(guān)量I/O板加外接繼電器,配合主機(jī)的軟件對(duì)機(jī)床開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。但如果PC機(jī)采用單任務(wù)操作系統(tǒng)(如DOS),數(shù)控系統(tǒng)的所有任務(wù)運(yùn)行都置于一個(gè)總體的消息循環(huán)中,軟件的模塊化和可維護(hù)性較差,系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)集中,而且不能充分利用PC機(jī)系統(tǒng)資源。而采用非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows)時(shí),Win32API的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開(kāi)發(fā)用途,其系統(tǒng)調(diào)用的效率不高,不能滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的實(shí)時(shí)性要求。

    為此,本文提出一種基于RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC,利用RT-Linux的開(kāi)放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和多線(xiàn)程/多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境,在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí),使故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)分散。

    數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)

    數(shù)控系統(tǒng)硬件建立在通用工業(yè)PC的開(kāi)放體系之上,數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC硬件包括:工控機(jī)及其外圍設(shè)備,基于ISA總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口卡,光電隔離模塊,繼電器輸出模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。    

    工控機(jī)采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)控代碼處理、軌跡規(guī)劃、參數(shù)管理以及PLC控制都通過(guò)工控機(jī)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),不需要獨(dú)立的PLC控制器,減少了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴(lài),有利于提高系統(tǒng)的開(kāi)放性。

    I/O輸入輸出信息通過(guò)PC機(jī)I/O接口卡實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服接口模塊和I/O接口模塊之間的信息交換,PC機(jī)I/O接口卡基于ISA或者PCI總線(xiàn)。

軟起動(dòng)器還具有其它集成式功能，如可調(diào)限流、電機(jī)過(guò)載和本征設(shè)備保護(hù)及可選熱敏電阻電機(jī)保護(hù)。由于這些功能，無(wú)需再購(gòu)買(mǎi)和安裝如過(guò)載繼電器等保護(hù)設(shè)備，因此，電機(jī)額定值越 高，這些功能也越重要。 內(nèi)部本征設(shè)備保護(hù)可防止晶閘管熱過(guò)載及功率方面的缺陷。另一個(gè)選擇，可使用半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲防止晶閘管短路。 由于集成式狀態(tài)監(jiān)控和故障監(jiān)控，該緊湊型軟起動(dòng)器具有許多不同的診斷功能。 使用 4 個(gè) LED 和繼電器輸出，來(lái)指示工作狀態(tài)以及電源或相位故障、負(fù)載缺失、不允許的脫扣時(shí)間/等級(jí)設(shè) 置、熱過(guò)載或設(shè)備故障等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和診斷。 起動(dòng)器額定功率達(dá) 250 kW（400 V 時(shí)），可用于三相電網(wǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。超小外形尺寸、低功率損耗和簡(jiǎn)單起動(dòng)僅僅是 SIRIUS 3RW40 軟起動(dòng)器的眾多優(yōu)點(diǎn)中的三個(gè)。 “增安型”防護(hù) EEx e，符合 ATEX 指令 94/9/EU S0 到 S12 規(guī)格的 3RW40 軟起動(dòng)器適合起動(dòng)帶“增安”型保護(hù) EExe 的防爆電機(jī)。 關(guān)于產(chǎn)品目錄 IC 10 中的 SIRIUS 開(kāi)關(guān)單元，請(qǐng)參見(jiàn)“附錄”->“標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證”->“防爆認(rèn)證”。 功能性 緊湊型 SIRIUS 3RW40 軟起動(dòng)器所需的空間僅為用于比較額定值 wye-delta 起動(dòng)的接觸器所需空間的三分之一。這不僅節(jié)約了控制柜和標(biāo)準(zhǔn)安裝導(dǎo)軌的空間，還*省去了 wye-delta 起動(dòng) 器所需的布線(xiàn)工作。

PLC有兩種基本的工作模式，即運(yùn)行(RUN)模式與停止(STOP)模式。在運(yùn)行模式，PLC通過(guò)反復(fù)執(zhí)行反映控制要求的用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶(hù)程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機(jī)或切換到STOP工作模式。

除了執(zhí)行用戶(hù)程序外，在每次循環(huán)過(guò)程中， PLC還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段（見(jiàn)圖1-5）。PLC的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度*，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。

在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU．模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些其它內(nèi)部工作。

在通信服務(wù)階段，PLC與其它的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。

  當(dāng)PLC處于停止(STOP)模式時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。PLC處于運(yùn)行(RUN)模式時(shí)，還要完成另外三個(gè)階段的操作。

    在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱(chēng)為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱(chēng)為元件映像寄存器。

   在輸入處理階段，PLC把所有外部輸入電路的接通，斷開(kāi)狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。 外部輸入電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為l狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外部輸入觸點(diǎn)電路斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為0狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。

PLC的控制方式屬于存儲(chǔ)程序控制，其控制功能是通過(guò)存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，若要對(duì)控制功能作必要修改，只需改變控制程序即可，這就實(shí)現(xiàn)了控制的軟件化?？删幊炭刂破鞯膬?yōu)點(diǎn)在于"可"字，從軟件來(lái)講，其控制程序可編輯、可修改；從硬件上講，其外部設(shè)備配置可變。構(gòu)建一個(gè)PLC控制系統(tǒng)的重心就在于控制程序的編制，但外部設(shè)備的選用也將對(duì)程序的編制產(chǎn)生影響。因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要，硬、軟件綜合考慮。本文就硬、軟兩方面，選取梯形圖為編程語(yǔ)言，以松下電工FPO-C32型PLC為例，對(duì)PLC使用過(guò)程中易出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了分析。