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PLC應用軟件設計的內容

PLC應用軟件的設計是一項十分復雜的工作，它要求設計人員既要有PLC、計算機程序設計的基礎，又要有自動控制的技術，還要有一定的現場實踐經驗。

一個實用的PLC軟件工程的設計通常要涉及以下幾個方面的內容：

(1) PLC軟件功能的分析與設計；

(2) IO信號及數據結構分析與設計(3) 程序結構分析與設計；

(4) 軟件設計規格說明書編制；

(5) 用編程語言、PLC指令進行程序設計；

(6) 軟件測試；

(7) 程序使用說明書編制。

PLC應用系統的軟件設計步驟

根據可編程序控制器系統硬件結構和生產工藝要求，在軟件規格說明書的基礎上，編制實際應用程序并形成程序說明書的過程就是應用系統的軟件設計。

1. 制定設備運行方案

制定方案就是根據生產工藝的要求，分析各輸入、輸出與各種操作之間的邏輯關系，確定需要檢測的量和控制的方法，并設計出系統中各設備的操作內容和操作順序。據此便可畫出流程圖。

2. 畫控制流程圖

對于較復雜的應用系統，需要繪制系統控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。對于簡單的控制系統，可省去這一步。

3. 制定系統的抗干擾措施

根據現場工作環境、干擾源的性質等因素，綜合制定系統的硬件和軟件抗干擾措施，如硬件上的電源隔離、信號濾波，軟件上的平均值濾波等。

4. 編寫程序

根據被控對象的輸入輸出信號及所選定的PLC型號分配PLC的硬件資源，為梯形圖的各種繼電器或接點進行編號，再按照軟件規格說明書(技術要求、編制依據、測試)，用梯形圖進行編程。

5. 軟件測試

剛編寫好的程序難免有缺陷或錯誤。為了及時發現和消除程序中的錯誤和缺陷，需要對程序進行離線測試。經調試、排錯、修改及模擬運行后，才能正式投入運行。

6. 編制程序使用說明書

當一項軟件工程完成后，為了便于用戶和現場調試人員的使用，應對所編制的程序進行說明，說明書應包括程序設計的依據、結構、功能、流程圖，各項功能單元的分析，PLC的IO信號，軟件程序操作使用的步驟、注意事項等。

PLC應用系統設計實例

機械手控制系統設計

1. 工藝過程及控制要求

1) 工藝過程

圖6.1所示為一簡易物料搬運機械手的工藝流程圖。該機械手是一個水平垂直位移的機械設備，其操作是將工件從左工作臺搬運到右工作臺，由光耦合器VLC來檢測工作臺上有沒有工件。機械手通常位于原點，它的動作全部由氣缸驅動，而氣缸則由相應的電磁閥控制。其中，上升下降和左移右移分別由雙線圈二位電磁閥控制，放松夾緊由一個單線圈二位電磁閥(稱為夾緊電磁閥)控制。

2) 控制要求

機械手整個搬運過程要求都能自動控制。在啟動過程中能切換到手動控制及自動控制或半自動控制(又稱單周期控制)，以便對設備進行調整和檢修。圖6.2是機械手控制系統的邏輯流程圖。系統啟動之前，機械手處于原始位置，條件是機械手在高位﹑左位。

2. 可編程序控制器選型

1) 硬件配置

系統輸入信號有3個啟動按鈕，4個限位開關，5個手動輸入信號，1個有工件檢測信號，共計14個數字量輸入信號；輸出信號有機械手上升下降驅動信號﹑左移右移驅動信號和機械手夾緊驅動信號，共有5個數字量輸出信號。不需模擬量模塊，選擇S7-300系列的CPU313，加上數字量輸入模塊SM321及輸出模塊SM322就可以滿足要求，而且還有一定的裕量。

2) IO地址分配

將14個輸入信號、5個輸出信號與PLC的IO端一一對應，編排好地址，

其它地址分配

(1) 夾緊定時器T1，定時5 s；

(2) 放松定時器T2，定時5 s；

(3) 自動方式標志M0.0；

(4) 單動方式標志M0.1；

(5) 手動方式標志M0.2；

(6) 結束標志M0.5。

3. 機械手程序設計

1) 邏輯功能塊(子程序)

邏輯功能塊包括兩個部分：自動方式或單動方式控制(FC10)和手動方式控制(FC11)。

(1) 自動方式或單動方式控制(FC10)的具體程序(梯形圖表示)如圖6.3所示。

(2) 手動方式控制(FC11)的具體程序(梯形圖表示)如圖6.4所示。

2) 組織塊(主程序)

組織塊OB1用于設定機械手啟動方式，主要負責功能塊或子程序的調用，是自動運行還是單動運行，以及系統的循環掃描、故障診斷和輸出刷新。其梯形圖如圖6.5所示。

5.1 編程方式與程序塊

5.2 數據塊與數據結構

5.3 S7系列PLC程序設計

5.1.1 S7-300編程方式簡介

S7-300系列PLC的編程語言是STEP 7。STEP 7繼承了STEP 5語言結構化程序設計的優點，用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運行所需的數據。如果這些文件塊是子程序，則可以通過調用語句，將它們組成結構化的用戶程序。這樣，PLC的程序組織明確，結構清晰，易于修改。

為支持結構化程序設計，STEP 7用戶程序通常由組織塊(OB)、功能塊(FB)或功能塊(FC)等三種類型的邏輯塊和數據塊(DB)組成。

組織塊(OB)是系統操作程序與用戶應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。OB塊根據操作系統調用的條件(如時間中斷、報警中斷等)可分成幾種類型，這些類型有不同的優先級，高優先級的OB可以中斷低優先級的OB。每個S7 CPU包含一套可編程的OB塊(隨CPU而不同)，不同的OB塊執行特定的功能。

OB1是主程序循環塊，在任何情況下，它都是需要的。根據過程控制的復雜程度，可將所有程序放入OB1中進行線性編程，或將程序用不同的邏輯塊加以結構化，通過OB1調用這些邏輯塊，并允許塊間的相互調用。塊的調用指令中止當前塊(調用塊)的運行調用，然后執行被調用塊的所有指令。一旦被調用的塊被完成，執行調用指令的塊繼續執行調用指令后的指令。調用塊可以是任何邏輯塊，被調用塊只能是功能塊(除OB外的邏輯塊)。圖5.1所示是一個STEP 7調用實例。除了OB1，操作系統可以調用其它的OB塊以響應確定事件。其它可用的OB塊隨所用的CPU性能和控制過程的要求而定。

功能塊(FB、FC)實際上是用戶子程序，分為帶“記憶"的功能塊FB和不帶“記憶"的功能塊FC。前者有一個數據結構與該功能塊的參數表*相同的數據塊(DB)附屬于該功能塊，并隨功能塊的調用而打開，隨功能塊的結束而關閉。該附屬數據塊叫做背景數據塊(Instance Data Block)，存放在背景數據塊中的數據在FB塊結束時繼續保持，即被“記憶"。功能塊FC沒有背景數據塊，當FC完成操作后數據不能保持。

數據塊(DB)是用戶定義的用于存取數據的存儲區，可以被打開或關閉。DB可以是屬于某個FB的情景數據塊，也可以是通用的全局數據塊，用于FB或FC。S7 CPU還提供標準系統功能塊(SFB、SFC)，它們是預先編好的，經過測試后集成在S7 CPU中的功能程序庫。用戶可以直接調用它們，高效地編制自己的程序。由于它們是操作系統的一部分，因此不需將其作為用戶程序下載到PLC。與FB塊相似，SFB需要一個背景數據塊，并需將此DB塊作為程序的一部分安裝到CPU中。不同的CPU提供不同的SFB、SFC功能。

系統數據塊(SDB)是為存放PLC參數所建立的系統數據存儲區。用STEP 7的S7組態軟件可以將PLC組態數據和其它操作參數存放于SDB中。

功能塊編程及調用

功能塊由兩個主要部分組成：一部分是每個功能塊的變量聲明表，變量聲明表聲明此塊的局部數據；另一部分是邏輯指令組成的程序，程序要用到變量聲明表中給出的局部數據。

當調用功能塊時，需提供塊執行時要用到的數據或變量，也就是將外部數據傳遞給功能塊，這被稱為參數傳遞。參數傳遞的方式使得功能塊具有通用性，它可被其它的塊調用，以完成多個類似的控制任務。

1. 變量聲明表(局部數據)

每個邏輯塊前部都有一個變量聲明表，在變量聲明表中定義邏輯塊用到的局部數據。局部數據分為參數和局部變量兩大類，局部變量又包括靜態變量和臨時變量(暫態變量)兩種。參數是在調用塊和被調用塊間傳遞的數據。靜態變量和臨時變量是僅供邏輯塊本身使用的數據。表5.1給出了局部數據聲明類型，表中內容的排列順序也是在變量聲明

表中聲明變量的順序和變量在內存中的存儲順序。在邏輯塊中不需使用的局部數據類型，可以不必在變量聲明表中聲明。

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