前言

學(xué)習(xí)S7-300/400，不能僅僅局限于閱讀或編寫(xiě)一段程序，更要從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)PLC，方能更好的駕馭它。

一、PLC的循環(huán)處理過(guò)程

CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶(hù)程序。

操作系統(tǒng)用來(lái)處理PLC的起動(dòng)、刷新輸入/輸出過(guò)程映像區(qū)、調(diào)用用戶(hù)程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)區(qū)和通信等任務(wù)。

用戶(hù)程序由用戶(hù)根據(jù)需求自己編寫(xiě)，以完成特定的控制任務(wù)。STEP7將用戶(hù)編寫(xiě)的程序和數(shù)據(jù)維護(hù)在"塊"中，如功能塊FB、功能FC和數(shù)據(jù)塊DB等。

PLC采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行用戶(hù)程序，即掃描工作方式。

圖1PLC的掃描工作方式

1.PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時(shí)，CPU起動(dòng)，同時(shí)清除沒(méi)有保持功能的位存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。

2.執(zhí)行"系統(tǒng)起動(dòng)組織塊"OB100，該組織塊可以自定義編程，實(shí)現(xiàn)一些初始化的工作；

3.系統(tǒng)進(jìn)入周期掃描，并起動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控；

4.CPU將輸出過(guò)程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出模塊；

5.讀取輸入模塊的狀態(tài)，并寫(xiě)入輸入過(guò)程映像區(qū)；

6.CPU調(diào)用OB1，執(zhí)行用戶(hù)程序，期間，根據(jù)需要可調(diào)用其他邏輯塊（FB、SFB、FC及SFC），來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)；

7.在循環(huán)結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)，例如下載和刪除塊、接收和發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)等；

8.CPU返回"第3步"，重新啟動(dòng)循環(huán)時(shí)間監(jiān)控。

9、在執(zhí)行用戶(hù)程序的過(guò)程中，如果有中斷事件發(fā)生，當(dāng)前執(zhí)行的塊將暫停執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的組織塊，來(lái)響應(yīng)中斷。該組織塊執(zhí)行完成后，之前被暫停的塊將從中斷的地方繼續(xù)開(kāi)始執(zhí)行。OB1具有很低的優(yōu)先級(jí)，除了OB90外，所有的組織塊都能中斷OB1。

二、過(guò)程映像區(qū)

PLC的存儲(chǔ)器中，特別設(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)，分別稱(chēng)之為輸入過(guò)程映像區(qū)和輸出過(guò)程映像區(qū)。在循環(huán)程序處理過(guò)程中，CPU不會(huì)直接訪問(wèn)I/O模塊，而是訪問(wèn)CPU內(nèi)部的過(guò)程映像區(qū)。

如圖1所示，在整個(gè)掃描周期內(nèi)，CPU會(huì)分配一段時(shí)間集中將輸出過(guò)程映像區(qū)的狀態(tài)傳送給輸出模塊。同樣，輸入模塊的狀態(tài)/數(shù)據(jù)也是集中、統(tǒng)一讀入輸入過(guò)程映像區(qū)。在程序的執(zhí)行階段，CPU只和輸入/輸出過(guò)程映像區(qū)做數(shù)據(jù)交互，這樣做的好處是，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生變化，輸入過(guò)程映像區(qū)的狀態(tài)也暫時(shí)不變，可防止程序執(zhí)行時(shí)發(fā)生"紊亂"；而給到輸出模塊的數(shù)據(jù)是"同時(shí)"的，也可有效避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作序列的不同步。

對(duì)過(guò)程映像區(qū)的訪問(wèn)可以以位、字節(jié)、字以及雙字的方式進(jìn)行。

圖2過(guò)程映像區(qū)直接尋址

如圖2所示，假設(shè)其為輸入過(guò)程映像區(qū)的一部分：

·I1.3即可訪問(wèn)到粉色部分的內(nèi)容，即尋址一個(gè)位；

·IB0即可訪問(wèn)綠色部分的內(nèi)容，即尋址一個(gè)字節(jié)；

·IW2:即可訪問(wèn)藍(lán)色部分的內(nèi)容，即尋址一個(gè)字；

·ID4即可訪問(wèn)橙色部分的內(nèi)容，即尋址雙字；

三、掃描循環(huán)時(shí)間

掃描循環(huán)時(shí)間是指圖1中相鄰兩次"循環(huán)時(shí)間監(jiān)控"之間的時(shí)間，它與用戶(hù)程序的復(fù)雜程度及CPU執(zhí)行指令的速度有關(guān)。如下為315和416兩款CPU的指令執(zhí)行速度，相比315,CPU416的執(zhí)行速度快很多。

CPU315-2DP：0.3ms/1000條指令；

CPU416-2DP：0.08ms/1000條指令

掃描循環(huán)時(shí)間不是一成不變的，以下事件都會(huì)延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間：

·中斷

·診斷和故障處理

·測(cè)試和調(diào)試功能

·通訊

·傳送和刪除塊

·壓縮用戶(hù)程序存儲(chǔ)器

·讀/寫(xiě)MMC卡

圖3最大循環(huán)時(shí)間與最小循環(huán)時(shí)間

如圖3所示，在硬件組態(tài)中，可以修改最大循環(huán)時(shí)間，默認(rèn)150ms。如果實(shí)際的循環(huán)時(shí)間超出設(shè)置的最大時(shí)間，CPU會(huì)調(diào)用組織塊OB80，在其中響應(yīng)這個(gè)故障。如果OB80中未編寫(xiě)程序，CPU將轉(zhuǎn)入STOP模式。

400的CPU中還可以設(shè)置最小掃描周期，當(dāng)用戶(hù)程序較為簡(jiǎn)單，使得循環(huán)時(shí)間太短時(shí)，過(guò)程映像區(qū)會(huì)太過(guò)頻繁的刷新，設(shè)置最小掃描周期可以避免這種情況。

四、系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

PLC的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻到它所控制的外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，稱(chēng)之為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。它由以下三部分組成：

1、輸入電路的濾波時(shí)間

輸入模塊通過(guò)RC濾波電路來(lái)過(guò)濾輸入端引入的干擾，并消除因外接輸入觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)而引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長(zhǎng)短，一般為10ms左右。

2、輸出電路的滯后時(shí)間

輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類(lèi)型有關(guān)，

·繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右；

·雙向晶閘管型輸出電路在負(fù)載通電時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由通電到斷電時(shí)的最大滯后時(shí)間為10ms；

·晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間一般在1ms以下。

3、CPU掃描循環(huán)工作方式帶來(lái)的滯后時(shí)間

由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最壞的情況下，可達(dá)2-3個(gè)掃描周期。

PLC總的響應(yīng)延遲時(shí)間一般只有幾毫秒到幾十毫秒，對(duì)于一般的系統(tǒng)是無(wú)關(guān)緊要的。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，要求輸入、輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間盡可能短的時(shí)候，可以選用掃描速度更快的PLC或采取中斷等措施。