西門子卡件6ES7414-5HM06-0AB0西門子卡件6ES7414-5HM06-0AB0

6ES7414-5HM06-0AB0 SIMATIC S7-400H，CPU 414-5H, 中央組件，用于 S7-400H 和 S7-400F， 5 個接口： 1x MPI/DP,1x DP,1x PN 和 2 個同步模塊接口， 4 MB 存儲器 （2 MB 數(shù)據(jù)/2 MB 程序）

1. 掃描與掃描周期

??PLC有兩種工作模式，即RUN/STOP模式，這兩種模式的掃描過程是不相同的。PLC在STOP模式時(shí)，僅完成內(nèi)部處理和通信處理工作，而在RUN 工作模式時(shí)，要執(zhí)行從內(nèi)部處理到輸出刷新處理五個階段的工作，用戶程序執(zhí)行處理必須在RUN模式下進(jìn)行。

??PLC在RUN 工作模式時(shí)，執(zhí)行一次從內(nèi)部處理到輸出處理五個階段掃描操作所需要的時(shí)間稱為掃描周期，其中，內(nèi)部處理和通信處理的時(shí)間很短，僅1~4ms左右，掃描時(shí)間主要集中在用戶程序的執(zhí)行處理上，很多資料中把一個掃描周期定義為執(zhí)行一次用戶程序三個階段的時(shí)間。

??個 PLC 的掃描周期長短主要和用戶程序的容量、CPU 的主頻、指令的執(zhí)行及用戶程序的結(jié)構(gòu)有關(guān)。用戶程序容量大，表示其程序步多，執(zhí)行時(shí)間就要長。而指令的執(zhí)行速度與CPU的主頻有關(guān)，主頻越高，則指令的執(zhí)行時(shí)間就越短，同樣的程序容量其掃描周期也短。

??掃描周期長短還與指令的執(zhí)行和用戶程序的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對基本指令來說，其ON和OFF 狀態(tài)的執(zhí)行時(shí)間基本是一致的，但對功能指令來說，執(zhí)行(ON)和不執(zhí)行(OFF)的時(shí)間相差很大，例如，加法指令 ADD，如果驅(qū)動條件斷開，指令不執(zhí)行，其執(zhí)行時(shí)間僅為0.455μs，而驅(qū)動條件成立時(shí)，指令功能執(zhí)行，其執(zhí)行時(shí)間變成了8.1μs?？梢?，PLC的掃描時(shí)間與指令是否被執(zhí)行有關(guān)。另一方面，PLC的掃描時(shí)間還與程序結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如，當(dāng)程序中含有循環(huán)指令時(shí)，循環(huán)指令中的循環(huán)次數(shù)是在當(dāng)前掃描周期內(nèi)完成的，這就必定加長了本次掃描時(shí)間。又如，當(dāng)程序中含有轉(zhuǎn)移指令時(shí)，跳過去的程序段是不掃描的，這就減少了程序的掃描時(shí)間。含有子程序時(shí)，如果調(diào)用子程序，增加了掃描時(shí)間，不調(diào)用則不去掃描子程序。PLC的掃描時(shí)間是動態(tài)變化的，每次掃描的時(shí)間會不一樣。三菱FX系列PLC有三個特殊數(shù)據(jù)寄存器與掃描時(shí)間有關(guān)，用戶可以通過查看這三個寄存器了解程序的掃描時(shí)間，這三個數(shù)據(jù)寄存器如下所述。

??D8010：本周期當(dāng)前掃描時(shí)間。

??D8011：掃描時(shí)間最小值。

??D8012：掃描時(shí)間最大值。

??一般PLC應(yīng)用程序掃描周期應(yīng)在100ms以內(nèi)。如果掃描周期超過200ms，這樣的程序不建議采用，在程序中下面一些情況會使程序的掃描周期超過200ms。

??(1)循環(huán)程序運(yùn)行時(shí)間過長或死循環(huán)。看門狗最早就是為這類程序設(shè)計(jì)的。

??(2)過多的中斷服務(wù)程序和過多的子程序調(diào)用會延長程序運(yùn)行周期。

??(3)當(dāng)采用定位、凸輪開關(guān)、鏈接。在模擬量等較多特殊擴(kuò)展設(shè)備的系統(tǒng)中，PLC會執(zhí)行緩沖存儲器的初始化而延長運(yùn)行周期時(shí)間。

??(4)執(zhí)行多個FROM/TO指令，傳送多個緩沖存儲區(qū)數(shù)據(jù)會使PLC的運(yùn)行周期延長。

??(5)多個高速計(jì)數(shù)器對高頻進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，運(yùn)行周期會延長。

??FX系列PLC的看門狗設(shè)定值為200ms，一旦超過200ms，看門狗就會出錯，CPU 出錯，LED燈亮并停止所有輸出。

??在上述情況中，有一些程序是異常的(如死循環(huán))，但大多數(shù)控制程序是正常的運(yùn)行周期時(shí)間較長(遠(yuǎn)超過 200ms)的程序。為了使這類正常程序能夠正常運(yùn)行，一般采用了兩種辦法解決。

??一是改變監(jiān)視定時(shí)器 D8000的設(shè)定值。二是利用看門狗指令 WDT 對監(jiān)視定時(shí)器不斷刷新，讓其當(dāng)前值在不到200ms時(shí)復(fù)位為0，又重新開始計(jì)時(shí)，從而達(dá)到在分段計(jì)時(shí)不超過200ms 的目的。關(guān)于指令 WDT 的功能及使用可參看拙著《三菱FX2N PLC 功能指令應(yīng)用詳解》一書12.3.3節(jié)。

??2. 掃描對梯形圖程序的影響

??PLC采用循環(huán)掃描工作方式，每個掃描周期都按順序把每一行梯形圖執(zhí)行一次，并集中對I/O 進(jìn)行處理。這種方式與繼電控制并行工作方式相比，至少帶來了兩個好處。其一是每行梯形圖都進(jìn)行了掃描，保證了控制的實(shí)時(shí)性其二是較好的抗干擾性，因?yàn)樵谝粋€掃描周期中，I/O的處理僅占很少時(shí)間(幾毫秒)，大部分時(shí)間在執(zhí)行用戶程序，這期間外部信號是不會采集進(jìn)來的。

??PLC的工作原理是采用循環(huán)掃描工作方式，在每一個掃描周期內(nèi)，對用戶程序執(zhí)行分三個階段：輸入集中采樣、用戶程序運(yùn)行和輸出集中刷新。

??在用戶程序運(yùn)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新位元件線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中或輸出線圈Y在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)X在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)不會發(fā)生變化，而輸出點(diǎn)Y在I/O映像區(qū)和其他位元件在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，這種變化會馬上直接影響其下面的梯形圖相泣觸點(diǎn)和數(shù)據(jù)，但對排在其上面的觸點(diǎn)和數(shù)據(jù)要等到下一個掃描周期才會影響到。

??當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新。在此期間，PLC按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)集中刷新所有的輸出鎖存存儲區(qū)，傳送到各相應(yīng)的輸出端子，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的實(shí)際負(fù)載。在下一個掃描周期內(nèi)，輸出端子的狀態(tài)是不會變化的，但程序中輸出點(diǎn)Y是在變化的。輸出Y的變化并不馬上送到輸出端口，僅是改變I/O映像區(qū)中的狀態(tài)，PLC僅用最后的Y狀態(tài)去刷新輸出鎖存區(qū)。初學(xué)者對這種循環(huán)掃描的工作方式一定要理解，它涉及很多PLC梯形圖程序問題。圖5.1-1是對循環(huán)掃描工作的圖示說明，三個環(huán)節(jié)處理的要點(diǎn)見表5.1-1。

??圖5.1-1 PLC循環(huán)掃描工作原理

??表5.1-1 循環(huán)掃描工作三個環(huán)節(jié)處理

??

PLC采用的循環(huán)掃描工作是一種分時(shí)串行處理方式，與繼電控制系統(tǒng)的并行處理方式是完全不同的。在繼電控制線路中，系統(tǒng)是按并行方式工作的。例如，某個繼電器通電時(shí)，它的觸點(diǎn)是和線圈通電動作的，如果有多個觸點(diǎn)分配在不同的支路，則在不同支路上的觸點(diǎn)也是和線圈通電動作的。也就是說，線圈通電和觸點(diǎn)動作是發(fā)生的，這就稱為并行工作。在繼電控制電氣原理圖上，一條支路所關(guān)心的只是它的邏輯控制條件和控制對象，至于它在電氣原理圖上的位置是沒有關(guān)系的。一個啟保停控制支路可以放在最前面，也可放在最后面。而PLC循環(huán)掃描工作則不同，它是一種串行方式工作。在程序執(zhí)行區(qū)，PLC 每次僅掃描一個程序行，再掃描下一個程序行。當(dāng)一個程序行掃描到某個位元件線圈有輸出時(shí)，它的觸點(diǎn)要等掃描到觸點(diǎn)所在行才發(fā)生動作。線圈輸出和觸點(diǎn)動作發(fā)生了時(shí)間差，這就是串行工作的特點(diǎn)。這種時(shí)間差最大可達(dá)到一個掃描周期，在這個時(shí)間差中，還不能發(fā)生該位元件狀態(tài)發(fā)生變化的情況，如果發(fā)生，其動作就按新的狀態(tài)處理了。下面舉一例給予說明。

??圖5.1-2是繼電控制原理圖與梯形圖比較說明，圖5.1-2(a)為繼電控制原理圖，當(dāng)SA 閉合時(shí)，KA1～KA3線圈是動作的。而SA控制KA4的支路位置放在哪里都一樣。把繼電控制換成梯形圖，圖5.1-2(b)是一種設(shè)計(jì)。根據(jù)PLC的循環(huán)掃描工作原理，Y1~Y4 均在同一掃描周期里被驅(qū)動輸出。可以認(rèn)為，它的效果是與繼電控制一樣的。再看圖5.1-2(c)，把程序行進(jìn)行了調(diào)換，當(dāng)X0為ON時(shí)，線圈Y0輸出，但其觸點(diǎn)在它前面，要等到第2個掃描才動作，驅(qū)動Y1輸出，同理，Y3要等到第3個掃描周期才接通，而Y4要等到第4個掃描周期才接通。經(jīng)過4個掃描周期，Y1～Y4才接通，達(dá)到和繼電控制線路一樣的效果。在這4個掃描周期內(nèi)，X0不能斷開，一斷開，結(jié)果完全不同。

??圖5.1-2 并行處理與串行處理

??通過分析比較，讀者可以從中理解串行工作與并行工作的不同。也可以看到，采用串行工作的梯形圖程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電控制電路并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別，如果串行工作所占用的時(shí)間對運(yùn)行來說可忽略，那么兩者就沒有區(qū)別，如圖 5.1-2(b)所示。更重要的是，這個例子告訴讀者，用梯形圖程序處理同一問題，如果同樣的若干條梯形圖，其排列順序不同，則執(zhí)行結(jié)果會完全不同。還給梯形圖設(shè)計(jì)帶來了很多麻煩，例如雙線圈問題就是。

??這就給梯形圖設(shè)計(jì)多增加了一層考慮。

??舉這個例子的目的是告訴廣大從事電工的讀者朋友，當(dāng)由繼電控制轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)PLC 控制時(shí)，分析方法一定要及時(shí)轉(zhuǎn)變，從并行轉(zhuǎn)向串行。不可以總是用繼電控制分析方法(并行)去思考梯形圖的運(yùn)行(串行)。這樣，很容易鉆牛角尖而影響學(xué)習(xí)進(jìn)度。

??3. 對一個掃描周期的理解

??“一個掃描周期”經(jīng)常出現(xiàn)在各種資料中，通常的說明是執(zhí)行一次從內(nèi)部處理到輸出處理的掃描操作所需要的時(shí)間，有的則說從程序0行開始掃描到END指令所需要的時(shí)間，這兩種說法在時(shí)間上前一種說法比較完整，后一種說法則是針對用戶程序執(zhí)行而言。

??“僅接通一個掃描周期”這也是各種資料中經(jīng)常出現(xiàn)的一種說法。在第3章中講到脈沖邊沿操作指令時(shí)，曾經(jīng)指出，脈沖邊沿操作指令是執(zhí)行僅接通一個掃描周期功能操作的指令，并在表3.3-8中列出了與脈沖邊沿操作相同的指令類型。這類指令均為“僅接通一個掃描周期”的指令。這里接通了一個掃描周期是指從指令開始接通時(shí)的一個掃描周期。在程序中是指從脈沖邊沿操作指令開始到其上一行程序結(jié)束，現(xiàn)以圖5.1-3 進(jìn)行說明。圖中，X0為脈沖邊沿操作常開觸點(diǎn)。如果X0在外電路上接通，不管其接通多長時(shí)間，在程序中僅接通一個掃描周期。這一個掃描周期指當(dāng)X0接通后，程序第一次掃描到第8步時(shí)開始計(jì)算，到END指令又循環(huán)掃描到第2步程序行完成為止。第2次掃描到X0時(shí)，它已呈現(xiàn)斷開狀態(tài)(與 X0 實(shí)際接通、斷開無關(guān))。根據(jù)上述說明，讀者可分析一下，僅當(dāng) X0 接通后，程序運(yùn)行后各個位元件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是多少。

??圖5.1-3 一個掃描周期說明

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