2.可编程序控制器的工作方式 (1)工作方式
可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN\LED显示当前的工作方式。
在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。可编程序控制器操作系统存储非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进入停止方式。 (2)方式开关改变工作方式
CPU模块上的方式开关在STOP位置时将停止用户程序的运行;在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM位置时。电源通电后CPU自动进入STOP方式:在RUN位置时电源通电后自动进入RUN方式。
(3)用STEP 7-Micro/WIN 32编程软件改变工作方式
在用编程软件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之间建立起通信连接，并将方式开关设置在RUN或TERM位置.允许用编程软件改变CPU的工作方式。在软件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。选择“PLC一运行”菜单命令可进入运行方式，选择“PLC-停止”菜单命令可进入停止方式。 (4)程序中改变工作方式
在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。 3.可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务(见图3.6)，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 (1)读取输入
在可编程序控制器的存储中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节为单位来读写输入/输出映像寄存器。
在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电路的ON/OFF状态读入输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。
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图3.6扫描过程
(2)执行用户程序
可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。在执行指令时，从I/0映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/I状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，映像的结果写入相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器(只读的输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变化，输入信号变化的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常时通过映像寄存器，而不是实际的I/0点，这样做有以下好处:
1)程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。
2)用户程序读写I/0映像寄存器比读写I/0点快得多，这样可以提高程序的行速度。 3) I/0点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。 (3)通信处理
在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。 (4) CPU自诊断测试
自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、I/0模块状态以及I/0扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 (5)修改输出
CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/I状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。
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当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后的值。 (6)中断程序的处理
如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。 (7)立即I/0处理
在程序执行过程中使用立即I/0指令可以直接存取I/0点。用立即I/0指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/0指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。
(三) S7-200系列可编程序控制器性能简介
西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它由极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)和功能模块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS485通信/编程接口、PPI通信协议和自由方式通信功能，I/0端子排可以很容易的拆卸。最大可扩展到248点数字量I/0或35路模拟量I/0，最多有26KB程序和数据存储空间。
S7-200在下列领域已经得到了广泛的应用:机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化工工业、陶瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。 1. CPU模块
S7-200有5种CPU模块，CPU221无扩展功能，适于用小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。S7-200 CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数字转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等，采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1～255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器(看门狗)的定时时间为300ms.
数字量输入中有4个可用作硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加碱计数器的最高计数频率为30kHz,可对增量式编码器的两个互差90°的脉冲列计数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。两个高速输出可输出最高20kHz,频率和宽度可调的脉冲列。
RS-485串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持PPI, DP/T、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议(使用NETR/NETW指令)。PPI/MPI协议的波特率为9.6Kbps. 19.2Kbps和187.5Kbps;自由口协议的波特率为0.3Kbps, 0.6Kbps,1.2Kbps, 2.4Kbps, 4.8Kbps, 9.6Kbps, 19.2Kbps、和38.4Kbps。单段网络最大电缆长度:38.4Kbps时为1200m,187.5Kbps时为1000m.每个网络最多126个站，最多32个站。MPI共有4个连接，2个分别保留给编程器(PG)和操作员面板(OP)。通信接口可用于与运行编程软件计算机通信，与人机接口(操作员界面)TD200和OP通信，以及与
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S7-200 CPU之间通信。通过自由通信口协议，可与其他设备进行串行通信。通过AS-I通信接口模块，可接入496个远程数字量输入输出点。
数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。超级电容充电20min,可充60%的电量。可选的存储器卡可永久保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数据的时间典型值为200天。
DC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4个上升沿和2或4个下降沿。高速计速器的单相逻辑电平为15～30V DC时，时钟输入速率为20kHz;单相逻辑1电平为15～26V DC时，时钟输入速率为30kHz。两项逻辑1电平为15～30V DC时，时钟输入速率为lOkHz;两项逻辑1电平为15～26V DC时，时钟输入速率为20kHz。实时时钟精度在250°C时为2min/月，0～55°C时为7min/月。
S7-200的DC输出型电路用场效应管(MOSFET)作为功率放大元件，继电器输出型用继电器触点控制外部负载。DC输出的最高开关频率为20kHz，继电器输出的最高输出频率为1Hz. 2.数字量扩展模块
可选用不同I/0点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加I/0点数也很方便。用可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。 表3-2数字量扩展模块
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3.模拟量输入输出扩展模块
在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(如晶闸管调速装、电动调节阀和变频器等)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，4～20mA, 1～5V, 0～1OV,可编程序控制器用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。
D/A转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现AID转换(模拟量输入)和D/A转换(模拟量输出)。
A/D, D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高，例如8位A/D转换器的分辨率为1/2 =0.38% 。模拟量输入/输出模块的另一个重要指标是转换时间。
S7-200有3种模拟量扩展模块. S7-200的模拟量扩展模块中A/D,D/A转换器的位数为12位。模拟量输入、输出有多种量程供选用。 表3-3模拟量扩展模块技术数据
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A/D转换的时间小于250μs,模拟量输入的阶跃相应时间为1.5ms(到达稳定值的95%时)。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0～32000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000～ +32000.输入阻抗大于等于l0MΩ.
四 步进电动机
步进电动机是纯粹地数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合于数字量控制。 （一）步进电动机的特点:
1. 步进电动机地角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，有良好的跟随性。
2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，即非常简单，廉价，又非常可靠。同时可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
3. 步进电机的动态响应快，易于起停，正反转及变速。
4. 速度可以在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
5. 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源或直流电源。 6. 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 7. 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 （二）反应式步进电动机的结构
步进电动机可分为3大类。
1. 反应式步进电动机(variable reluctance)
反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能差。
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