第四章 基于PLC的全自动洗衣机的系统软件设计
4.1 PLC可编程控制技术的概述
PLC的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。
可编程控制技术的特点：PLC综合继电器接触器控制的优点及计算机的灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其它控制器无法相比的特点。
1.可靠性高，抗干扰能力强 2.通用性强，使用方便
3.采用模块化结构，使系统组合灵活方便 4.编程语言简单、易学、便于掌握 5.系统设计周期短 6.对生产工艺改变适应性强
7.安装简单、调试方便、维护工作量小
PLC的应用：PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动断控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用，成为现代工业的三大支柱（PLC、 机器人和CAD/CAM）之一。
[12]
[13]
PLC的发展前景：为了适应市场的各方面的需求，各生产厂家对PLC不断进行改进，推出功能更强、结构更完善的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个是超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。
[13]
4.2 可编程控制技术PLC的基本结构图
PLC的组成：PLC的主机由微处理器（CPU）、传感器（EPROM、RAM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。对于整体式的PLC，这些部件都在同一个极壳内。而对于模块式结构的PLC，部件独立封装，称为模块，模块通过机架和电缆连接在一起。其基本机构如图4.1所示。
可编程控制系统基本结构图：
17
开关输入模块CPU模块输出模块输出电源电源
图4.1 可编程控制系统的基本结构图
主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。下面分别介绍PLC 各组成部分及其作用：
1.处理单元（CPU）CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊的工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。
CPU的具体作用如下： （1）.接受、存储用户程序
（2）.以扫描方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 （3）.执行监控程序和用户程序。 （4）.响应外部的请求 2.存储器
可编程控制器有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器(RAM)。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分数据存储区。它包括输入、输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前的数据区，存放中间结果的缓冲区。
[14]
3.输入/输出模块
PLC的控制对象是工业生产过程，实际生产过程中的信号电平时多种多样的，外部执行机构所需的电平也是各不相同的，而可编程控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平，这样就需要相应的I/O模块作为CPU与工业生产的桥梁，进行信号电平的转换。
[14]
4.3 PLC的工作原理
PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。
PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。
18
（1）输入采样 PLC在开始执行程序之前，首先扫描入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。
（2）程序执行 PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行完毕之前
（3）输出刷新 在执行到END的命令时，即执行完用户所有的程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。
[14]
4.4 可编程控制PLC的编程语言
1.梯形图与继电器控制区别
梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图。逻辑关系明显，电气技术人员容易接受。读同一控制电路，继电器控制原理图和梯形图的收入、输出信号、控制过程等效。但两者有本质的区别：继电器控制原理图使用是硬件继电器和定时器，靠硬件连接组成控制线路。而PLC的梯形图使用的是内部继电器、定时器/计数器等，靠软件实现控制。
2.梯形图程序简介
（1）.梯形图程序按行从上至下，每一行从左到右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写一致。
（2）.梯形图左边垂直线称左母线，右边称为右母线。左母线右侧放置输入接点和内部继电器触点。梯形图触点有两种，即常开触点和常闭触点。
（3）.梯形图最右侧必须放置输出器件。PLC的输出器件用圆圈表示，圆圈可以表示内部继电器线圈，输出继电器线圈或定时器/计数器的逻辑运算结果。其逻辑动作只有在线圈接通后，对应的触点才动作。输出线圈直接与右母线相连，输出线圈只能并联不能串联。
（4）.梯形图程序中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联不能串联。 （5）.输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能直接驱动现场设备。 （6）.梯形图中每个编程元件应按一定规则加标字母数字串。
3.助记符语言是PLC的命令语句表达式，它与计算机汇编语言相类似。用户可以直观地根据梯形图写出助记符语言程序，并通过编程器送到PLC中。
4.顺序功能图常用来编制控制类程序，可以将一个复杂的控制过程分解为一些具体的工作状态，把这些具体的状态依据依一定顺序控制要求，组合成整体的控制程序。
5．语句表（STL）是用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇
19
编语言，这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。
[15]
4.5 西门子S7-200系列PLC的系统配置及I/O配置
4.5.1 西门子S7-200系列PLC的特点及选型
1.西门子S7-200系列PLC
先进美观的外部结构 西门子S7-200系列PLC吸收了整体式和模块式可编程序控制器的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和宽带相同。它们的相互连接不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。具有紧凑的设计，良好的扩展性，低廉的价格及强大的指令系统，使得S&-200可以近乎完美的满足小规模的控制要求。
2.可编程控制PLC的选型
S7-200是西门子S7系列中功能最强/速度最高的微型可编程控制器。其基本单元如用户存储器容量可扩展到16k步。I/O点最大可扩展到256点。它有27条基本指令，基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。有多种特殊功能模块，使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟控制，位置控制和联网通信等功能。
S7-200有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、800多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。这为应用程序的设计提供了丰富的资源。
[16]
4.5.2 S7-200 PLC的系统配置及I/O地址分配表
1.S7-200 PLC任一型号的主机，都可以单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统。S7-200 PLC各种型号主机的I/O配置是固定的，它们具有固定的I/O地址。S7-200 CPU22X 系列产品的I/O配置及地址分配如表4-1所示。
[17]
20
项目 本机数字量输入地址分配 表4-1 S7-200 CPU22X系列产品的I/O配置及地址分配 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 6 输入 I0.0-I0.7 8 输入 I0.0-I0.7 14 输入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.5 24 输入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.7 I2.0-I2.7 本机数字量输出地址分配 4 输入 Q0.0-Q0.3 6 输出 Q0.0-Q0.5 10 输出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.1 本机模拟量输入/输出 扩展模块数量 无 无 无 2个模块 无 7个模块 16输出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.7 无 7个模块 2.S7-200系列PLC的内部扩展配置
可以采用主机带扩展模块的方法扩展S7-200 PLC的系统配置。采用数字量模块或模拟量模块可扩展系统的控制规模。
（1）.数字量I/O映像区的大小
S7-200 PLC各类主机提供的数字量I/O映像区区域为：128个输入映像寄存器（I0.0-I15.7）和128个输出映像寄存器（Q0.0-Q15.7），最大的I/O配置不能超过此区域。
数字量输入/输出映像区的逻辑空间是以8位为递增的。编址时，对数字量模块物理点的分配也是按照8点来分配地址的。即使有些模块的端子书不是8的整倍数，但是仍以8点来分配地址。
（2）.模拟量I/O映像区的大小
主机提供的模拟量I/O映像区区域为：CPU222模块，16入/16出；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块，32入/32出，模拟量的最大I/O配置不能超出此区域。模拟量扩展模块总是以2字节递增的方式来分配空间的。
[18]
现选用CPU226模块作为主机进行系统的I/O配置，如表4-2所示。
主机 CPU226 I0.0-I2.7/ Q0.0-Q1.7 表4-2 CPU226模块的I/O配置及地址分配 模块0 模块1 模块2 8IN 4IN/4OUT 4AI/1AQ I4.0/Q2.0 AIW0/AQW0 I4.1/Q2.1 AIW2 I3.0-I3.7 I4.2/Q2.2 AIW4 I4.3/Q2.3 AIW6 模块3 4AI/1AQ AIW8/AQW4 AIW10 AIW12 AIW14 4.5.3 S7-200PLC控制系统设计的原则以及设计流程图
任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或生产过程）的工艺要
22