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1、太原科技大学毕业设计（论文）目录摘要IIIAbstractIV第1章 水压试管机介绍11.1水压试管机分类11.2水压试管机平衡及密封原理11.3水压试管机液压控制方案21.4 水压试管机计算机监控系统设计31.4.1 系统描述31.4.2 计算机监控系统设计41.4.3 结论7第2章 PLC及S7-200简介82.1 PLC简介82.1.1 PLC发展82.1.2 PLC 内部结构图102.1.3 PLC的基本结构112.1.4 PLC的工作原理112.1.5 PLC的应用领域132.1.6 PLC未来展望142.2 S7-200简介142.2.1 S7-200系列优点142.2.2 S7-
2、200 的CPU介绍152.2.3 S7-200的特性16第3章 串行通信接口技术173.1 用自由口模式创建用户定义的协议173.2 自由口模式下PLC与计算机的通信173.2.1通信协议173.2.2 指令格式定义18第4章 水压试管机下位机通讯模块的设计224.1 PLC程序执行过程224.2 程序清单224.21 MAIN主程序：234.2.2 Read子程序:244.2.3 Write子程序:264.2.4 Verify子程序：274.2.5 Initialize子程序：294.2.6 RCVcomplete中断程序:324.2.7 XMTcomplete中断程序:33总结35参考文
3、献36致谢37水压试管机监控系统 下位机通讯模块设计摘 要本设计用可编程控制器（PLC）与工业计算机实现对钢管的水压密封试验。本文对通讯模块的系统设计将两者结合，由PLC完成对现场设备的直接控制，同时通过串行总线与工业计算机通信用来实现设计要求。 本设计首先对试管机的原理概述，并给出了对其设计的一套方案；其次对设计所需要的PLC及S7-200的特点进行介绍，由此可见PLC的优越性，然后又对自由口及通信协议进行了诠释，对设计程序时提出了要求；最后就是此次设计的程序的要点。本次设计通过四个章节对水压试管机进行从原理到软件实现的流程，最终完成整个设计。关键词：通讯，PLC，协议Hydrostatic
4、 test machine control systemThe communication module designAbstractThis design with programmable logic controller (PLC) and industrial computer for the hydraulic sealing test tube. Based on communication module system design will finish by combination of PLC, the direct control, and through serial b
5、us and industrial computer communication to realize the design requirements.The design principle of the first test-tube machine, and presents the design of a set of solutions, Next to the needs of design of S7-200 PLC and characteristics, thus the superiority of PLC, then to freedom and the communic
6、ation protocol, put forward to design program requirements, Finally, the design procedure is the key. The design of hydraulic pressure tube through the four chapters from principles to machine to process of software, complete the whole design.Keywords: Communication, PLC, The agreementIV第1章 水压试管机介绍在
7、我国的钢管生产企业中广泛使用水压试管机对钢管进行水压实验，确保产品质量。水压试管机试压的流程是：送料机构把钢管送至水压机的预定密封位冲水头和排气头内的径向预密封加压充水排气增压保压卸压径向预密封卸压冲水头和排气头退回钢管退出。在整个过程中冲水头和排气头的径向预密封加压环节非常关键，如果不能及时完成径向预密封加压，水压机将无法增压。1.1水压试管机分类水压试管机根据其密封型式可分为径向密封水压试管机和端面密封水压试管机。径向密封采用与焊管内径或外径配合密封圈。通过密封圈的受压膨胀实现管壁密封，其优点是钢管夹紧和抽出都很容易，密封可靠，钢管轴向受力小，不易弯曲，但密封头结构较为复杂，规格较多；端面
8、密封依靠密封材料在管口端面被压迫产生弹性变形而达到管口密封的效果，其优点是试验头结构简单，通用性好，但对密封材料性能和油水压差比例伺服控制系统要求较高。1.2水压试管机平衡及密封原理 水压试管机广泛应用于国民经济的各个领域。被试管件有螺焊管、无缝钢管等，试验压力从7.5MPa一120MPa不等。水压试管机也有多种结构形式。大部分水压试管机有一个共同点，移动端采用液压平衡缸与水压相平衡技术，见图1.1，是水压试管机的关键技术之一。图1.1 移动端与被试管件水压试管机的预密封加压原理图如图1.2所示。当水压试管机的送料机构把钢管送至水压机的预定密封位后，排气头装置向前运动把钢管推入充水头，接着预密
9、封装置开始对位于充水头和排气头装置内的密封圈进行加压，使密封圈产生变形与钢管外壁紧密结合形成密闭空间，这一过程称为预密封。进行预密封时，预密封增压器的水缸活塞杆在液压缸的带动下首先伸出，使水缸内的容积增大产生负压；在负压的作用下，储水罐内的水经过单向阀1被吸入水缸内，此时单向阀2处于关闭状态；当预密封增压器的活塞杆反向运动，活塞杆向水缸内回缩，把水缸内的水加压排除；经过加压的水打开单向阀2，然后顺序流过卸压阀、梭阀3和4进入位于充水头和排气头装置内的密封圈的径向加压槽内，对密封圈进行施压，密封圈受力变形与钢管外壁紧密结合形成密闭空间。改预密封方式的优点是结构简单，但也存在着明显的缺陷，即吸水过
10、程中单向阀2必须处于反向关闭状态。若单向阀2反向关闭不严将导致已流入密封圈径向加压槽内的高压水反向流出，密封圈会因水压降低离开钢管外壁引发密封失效；在实际使用中，由于试压用水的清洁度较低，经常会造成单向阀2丧失反向关闭功能，从而影响到水压机的正常使用。图1.2 水压试管机的预密封原理图1.3水压试管机液压控制方案随着我国石油天然气业的快速发展，油井深度的不断增加，对管线管、流体管、油管、套管不仅需求量日益增加，而且钢级要求亦有很大的提高。这些管子在出场前很重要的一道工序就是进行高压水压试验。48178高压水压试管机是两支钢管同时试压的高效试压设备。试压流程为下送料上试压方式，通过步进运输机将钢
11、管从一个工位送到另一个工位，生产线中有冲洗、试压、空水工位。在冲洗工位完成钢管的一端对齐、冲洗、测长等功能；在试压工位完成对钢管夹紧对中升起向试压中心送料、充水头和排气头前进至预定密封位、径向预密封加压、充水排气、增压、保压、卸压、径向预密封卸压、充水头和排气头退回、钢管下降松开；在空水工位对钢管进行空水。步进运输机有两种步距：800mm和1600mm，均由液压缸驱动，它负责完成整个试压过程中的接料和送料，要提高整个生产线的节奏，步进运输机的运行必须又快又稳。为了提高生产线的工作效率，在试压工作的同时，步进运输机的一些动作仍在执行，该设备有很高的自动化水平。试压中心与送料中心有700mm的落差
12、，试压时控制试压架升起的2个液压缸必须有700mm的垂直行程且必须同步，在液压系统中采用了分流马达控制满足了设备对同步举升的要求。管子试压时，两端的密封虽然采用的是大间隙密封，但间隙只不过10mm左右，为了延长装在充水头和排气头内密封圈的寿命，也为了避免试压架撞机架，试压架必须升起平稳快速、停靠准确，同时冲水头和排气头的前进也要平稳可靠。48178高压水压试管机的试压介质是乳化液，也就是说被试钢管中充满乳化液，靠外力压缩乳化液压力升高达到试压的目的。目前，液压泵和油阀的耐压已经比较高，而且性价比很好，因此我们采用油增水的方法，通过高压增压器来实现试验压力110 MPa的高压。高压试管时，不仅要
13、保压曲线平稳，而且要效率高。这就要求液压系统既要快速升压又要平稳卸压。该设备所试的最大管子直径为l778mm、长度15m，因此，快速充水、排气高压试管时密封可靠这一性能给液压系统又提出了更高的要求。1.4 水压试管机计算机监控系统设计 螺旋焊管是天然气等气体输送工程所使用的重要焊接管材，其质量的优劣直接影响到整个输气工程的安全及可靠，甚至关系到人身安危。为此，我们基于PLC和工业控制计算机以及触模屏，设计了一套水压试管机计算机监控系统。1.4.1 系统描述水压试管机系统由水压系统和液压系统及被试焊管组成。（1）水压系统 水压系统由高压水站和低压水站组成，包括2台400m3/h、37kW的低压水
14、泵和电机、2台75L/min、45kW的高压水泵、循环水池、清水池、各种控制阀及其它辅助组件，该系统在低压卸荷阀、充水阀、电磁换向阀等控制阀的控制下完成冲渣、低压充水和卸水、增水压、保压和减水压等工序。系统要求试压介质（水）的最高压力为20.7MPa，水压系统最高水压可达25MPa。（2）液压系统 液压系统由主液压站和副液压站、各种控制阀及液压辅件组成，包括额定流量分别为100L/min和25L/min、额定压力分别为12MPa和32MPa的液压泵、电机、加热器、液位计、磁性滤油器、先导式溢流阀、电接点温度表、电接点压力表等液压辅件。液压系统专为电液比例加载系统和多个工作油缸提供液压油；电液比
15、例加载系统由电液比例溢流阀、单向节流阀、直动式溢流阀、充液阀、充液箱、主液缸、压力传感器、三位四通电磁换向阀等组成，主要完成对被试螺旋焊管活动堵头（直接和主液缸的柱塞杆相连）的加压，以保证当水压增大时加在活动堵头上的力能随之增大，并总是大于水压对堵头所产生的力，达到精确控制水压增长。副液压站和辅助控制系统主要完成被试管的定位（移动和升降）、低压充水和卸荷、放气和集气管动作、往复缸的动作、机架和插销的移动等系统功能。整个系统的工作过程如下：首先启动主副液压泵和高低压水泵，通过移动管子和托辊升降使被试管子定位到所要求的位置；打开充水阀，关闭低压卸水阀，完成冲渣；开动往复缸封堵管子两端并启动电液比例
16、加载系统给活动端堵头预加载，然后给被试管大流量充水；待水充满后关闭低压卸水阀同时打开高压进水阀，给被试管子充高压水，同时电液比例加载系统通过主液缸加压和PID控制使作用在管子堵头上的压力随着水压上升逐步增大；水压达到设定值后，系统保压1540s，可根据保压情况确定焊管合格与否；保压时间到，先通过卸水球阀卸压，再打开高压卸水阀和放气阀使管内卸压，同时电液比例加载系统随之卸荷；最后，打开充液阀，让往复缸带动堵头离开管端，然后移动管子，下降托辊，将管子移出水压试管机，并进入下一根管子的检测。1.4.2 计算机监控系统设计根据用户要求和系统对测控过程的要求，我们选用了以PLC为核心，以工业控制计算机和
17、触摸屏为辅助设备的计算机监控系统，系统的基本结构见图1.3。触摸屏试管机系统电源PLC系统工控机打印机刻录机图1.3 系统结构图（1）PLC系统 选用西门子S7200系列PLC（型号CPU226）为主模块，增加了2个EM233开关量模块和一个EM235模拟量IO模块，共计开关量为72个输入点，54个输出点；模拟量为3个输入点，1个输出点，PLC系统控制总共6台电机的启停，控制22个电磁铁的动作及其它辅助组件的动作；完成电液比例伺服系统的数据采集和处理、PID控制、系统的标定、系统超限报警、急停互锁等功能，全部PLC程序采用梯形图编制。PLC控制系统流程图见图1.4：图1.4 PLC控制系统流程
18、图（2）工业控制计算机系统 所选用的工控机是研华工业控制计算机，该系统主要完成系统参数和报表参数的输入、系统监控、系统测试资料的保存、刻录和实时显示及打印；日报表和月报表的生成和打印；历史资料的查询和打印等。全部工控机程序采用MCGS（monitor and control generated syestem）和VB混合编制，在系统运行下，在主控接口下能实时观察水压、油压的数值以及给被试管加压和保压时水压和油压的变化曲线、变化的棒型图；工控机和PLC之间的通信是通过专用的PCPPI电缆来实现的，PLC和触摸屏之间的通讯时通过RS485422专用电缆来实现的。工控机通过和PLC的通讯来读取水压、
19、油压等测试参数以及某些控制阀的状态以实现对系统的监控。（3）TP27触摸屏 SIMENS TP2710触摸屏主要完成系统的压力参数的实时设定、被试管参数的输入以及控制程序中一些控制参数的设定，同时，在触摸屏上也能实时显示水压、油压的变化曲线及其变化的棒型图，并显示保压时水压值的设定值。触摸屏应用软件是使用基于Windows98的PROTOOL系统软件编制而成，主要包括通讯设置程序，测试标定程序，标定检测程序，测试显示程序PID参数设定程序，压力及管子参数设定程序等。所设计的系统能够完成下列工作：被试焊管的自动安装和自动检测；加压和卸压过程能实现PID控制，控制精度高，水压波动小；被试管的参数、
20、系统控制参数和PID参数能够通过触模屏实时设置；在工业控制计算机和触模屏上能实时显示水压、油压的变化状况；能实现对测试资料的记录、保存、刻录以及查询。1.4.3 结论基于PLC和工业控制计算机以及触模屏，设计了一套水压试管机计算机监控系统，经调试和现场使用证明，所设计的计算机监控系统和原手动系统比较具有操作简便、工作准确可靠、自动化程度高、控制精度高等优点，完全能够满足整个系统的工作要求。第2章 PLC及S7-200简介可编程逻辑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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字
21、式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。2.1 PLC简介 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，为了和个人计算机相区别，把可编程逻辑控制器缩写为PLC。2.1.1 PLC发展自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增
22、加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它
23、以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在
24、微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的
25、不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器，很好很强大 。它是一种即时系统有别于个人电脑 传统式以继电器为主的电机控制系统中, 每当变更设计时,整个系统几乎都要重新制作, 不但费时又费力;同时由于继电器还有接点接触不良、磨损、体积大之缺点,
26、 因此造成成本升高、可靠性低、不易检修等问题.为了改善这些缺点, 美国DEC在1969年首度发表：可编程式控制器(Programmable Controller). 可编程式控制器在发表初期被称为(Programmable Logic -Controller)简称PLC, 最先的目的是取代继电器,执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主, 所以也称顺序控制器,其结构也像一部微电脑,所以也可称为微电脑可程式控制器(MCPC),直到1976年,美国电机制造协会正式给予命名为Programmable Controller, 即可编程式控制器,简称PC,由於目前个人电脑(Personal C
27、omputer)极为普遍, 加上常与可编程式控制器配合使用,为了区分两者, 所以一般都称可编程式控制器为PLC 以加以分别. 目前市面上之PLC种类繁多,依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异, 但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型;而一般工厂及学校通常使用小型PLC, 其中以日系MITSUBISHI三菱F系列及我国士林电机所生产之A系列PLC较受国人爱用. 而本CAI将以三菱FX2 PLC 为主加以介绍,望使用者能对PLC有更深的瞭解, 在使用PLC时能更得心应手. 可编程式控制器内部基本结构可用图2.1来表示, 其内部处单元包括CPU、输入模组、输出模组三大部门, PLC的CPU 会
28、经由输入模组取得输入元件所产生的讯号, 再从记忆体中逐一取出原先以程式书写器中输入的控制指令, 经由运算部门逻辑演算後,再将结果过输出模组加以驱动外在的输出元件. 2.1.2 PLC 内部结构图图2.1 PLC内部结构图可编程式输入装置: 负责提供操作者输入、修改、监视程式用作的功能 中央处理单元(CPU): 负责PLC管理、执行、运算、控制等功能. 可编程式记忆体: 负责储存使用者设计的顺序程式参数及注解等功能。资料记忆体: 负责储存输入、输出装置的状态及顺序可编程式的转换资料. 系统记忆体: 储存PLC执行顺序控制所需的系统可编程式. 输入回路: 负责接收外部输入元件信号. 输出回路: 负
29、责接收外部输出元件信号. 在工业用途非常广范,如半导体晶圆厂的各种自动化设备的控制、大楼电梯、机械停车设备、路边的红绿灯变换控制、自动化生产线等。2.1.3 PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同（1）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经
30、过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（2 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（3）电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制
31、造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.1.4 PLC的工作原理一. 扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据
32、也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而
33、其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所
34、区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。2.1.5 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。开关量的逻辑控制：这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包
35、装生产线、电镀流水线等。模拟量控制：在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人
36、、电梯等场合。过程控制：过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能
37、装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.1.6 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向
38、发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越
39、大的作用。 2.2 S7-200简介 S7-200 是一种小型的可编程序控制器，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 2.2.1 S7-200系列优点： - 极高的可靠性 - 极丰富
40、的指令集 - 易于掌握 - 便捷的操作 - 丰富的内置集成功能 - 实时特性 - 强劲的通讯能力 - 丰富的扩展模块 -S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。2.2.2 S7-200 的CPU介绍 S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成一个功能强大的微型PLC。表2.1 S7-200的技术指标特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM外形尺寸（mm）90X80X6290X80X62120.5X80X62190X80X62190X80X62
41、程序存储区2048字2048字4096字4096字8102字数据存储区1024字1024字2560字2560字5120字掉电保持时间50小时50小时190小时190小时190小时本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出扩展模块数量02777高速计数器单相双相4路30Hz2路20Hz4路30Hz2路20Hz6路30Hz4路20Hz6路30Hz4路20Hz6路30Hz4路20Hz脉冲输出（DC）2路20Hz2路20Hz2路20Hz2路20Hz2路20Hz模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4
42、852RS-485浮点数运算有I/O映像区256（128入/128出）2.2.3 S7-200的特性 （1）S7-200允许在程序中立即读写I/O。在S7-200的指令集中提供了立即读写物理I/O点的指令。这些立即I/O指令允许我们直接访问真正的输入、输出点。（2）S7-200允许在程序扫描周期中使用中断（3）S7-200允许设定通讯任务的处理时间（4）S7-200允许设置停止模式下的数字量输出状态（5）S7-200允许定义掉电保持存储区（6）S7-200允许对数字量输入加滤波器（7）S7-200允许对模拟量输入加滤波器（8）S7-200允许捕捉窄脉冲（9）S7-200提供密码保护功能（10）
43、S7-200提供模拟电位器（11）S7-200提供高速I/O第3章 串行通信接口技术3.1 用自由口模式创建用户定义的协议自由口模式允许应用程序控制S7-200CPU的通讯端口，可以在自由口模式下使用用户定义的通讯协议来实现与多种类型的智能设备的通讯。自由口模式支持ASC码和二进制协议。要使用自由口模式，需要使用特殊存储器字节SMB 30（端口0）和SMB 130（端口1）。应用程序中使用以下步骤控制通讯口的操作：1) 发送指令（XMT）和发送中断：发送指令允许S7-200的通讯口上发送最多255个字节。发送中断通知程序发送完成。2）接收字符中断：接收字符中断通知程序通讯口上接收到了一个字符。
44、应用程序可以按字符执行操作。3）接收指令（RCV）：接收指令从通讯口接收整条信息，当接收完成后产生中断通知应用程序。你需要在SM存储器中定义条件来控制接收指令开始和停止接收信息。接收指令可以根据特定的字符或时间间隔来启动和停止接收信息。接收指令可以实现多数通讯协议。自由口模式只有在S7-200处于RUN模式时才能被激活。将S7-200转入STOP模式会中断所有自由口通讯，并且通讯口会按照S7-200系统块中的配置转换到PPI协议。3.2 自由口模式下PLC与计算机的通信以自由协议实现计算机与S7-200的通信，计算机作为主站，可以实现对PLC从站各寄存器的读/写操作。计算机通过COM口发送指令
45、到PLC的PORTO（或PORTO1）口，PLC通过RCV接收指令，然后对指令进行译码，译码后调用相应的读/写子程序实现指令要求的操作，并返回指令执行的状态信息。3.2.1通信协议在自由口模式下，通信协议是由用户定义的。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送指令（XMT）、接受指令（RCV）来控制通信操作。在自由口模式下，通信协议完全由梯形图程序控制。3.2.2 指令格式定义（1）计算机每次一个33字节长的指令来实现一次读/写操作，指令格式见表1说明：1）起始字符起始字符标志着指令的开始，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符以接收针对该PLC的指令。2）指令类型该字节用来标志指令的类型。3）
46、目标PLC站地址目标PLC站地址占用指令的B2、B3两个字节，以十六进制ASC码的格式表示目标PLC的站地址。4）目标寄存器地址在PLC内部可以用4个字节来表示一个寄存器的地址（但不能表示一个位地址）。前俩个字节表示寄存器类型，后俩个字节表示寄存器号。00 00（H）：I寄存器区01 00（H）：Q寄存器区02 08（H）：M寄存器区08 00（H）：V寄存器区5）IB000的地址可表示为 00 00 00 00（H）VB100的地址可表示为 08 00 00 64（H） 6）读/写字节数M当读命令时，始终读回从目标寄存器开始的连续8个字节的数据（转换为十六进制ASC码后占用16个字节），可以根据自己的需要取用，M可以任意写入。当写命令时，M表示的是要写入数据的十六进制ASC码所占用的字节数。7）要写入的数据要写入的数据在指令中以十六进制ASC码的格式表示，占用指令的B14-B29共16个字节。数据区必须填满，但只有前M个字节的数据会被写入目标寄存器。一条指令最多可以写入8个字节的数据（此时M中应写入“10”，代表十进制的16）8）BCC效验码在传输过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发