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西門子幾種常見PLC的程序結構及其特點

1．某些國外的小型PLC的程序結構

這些PLC的用戶程序由主程序、子程序和中斷程序組成。在每一個掃描循環(huán)周期，CPU都要調用一次主程序。主程序可以調用子程序，小型控制系統(tǒng)可以只有主程序。中斷程序用于快速響應中斷事件。在中斷事件發(fā)生時，CPU將停止執(zhí)行當時正在處理的程序或任務，去執(zhí)行用戶編寫的中斷程序。執(zhí)行完中斷程序后，繼續(xù)執(zhí)行被暫停執(zhí)行的程序或任務。它們的子程序和中斷程序沒有局部變量，子程序沒有輸入、輸出參數(shù)。

2．西門子的S7-200的程序結構

過程映像輸入/輸出（I/Q）、變量存儲器V、內部存儲器位M、定時器T、計數(shù)器C等屬于全局變量。S7-200的程序組織單元(ProgramOrganizationalUnit，簡稱為POU)包括主程序、子程序和中斷程序。每個POU均有自己的64字節(jié)局部變量，局部變量只能在它所在的POU中使用。與此相反，全局變量可以在各POU中使用。

下面是子程序可以使用的局部變量：

1)TEMP(臨時變量)是暫時保存在局部數(shù)據(jù)區(qū)中的變量。只有在執(zhí)行該POU時，定義的臨時變量才被使用，POU執(zhí)行完后，不再保存臨時變量的數(shù)值。

2)IN是由調用它的POU提供的輸入?yún)?shù)。

3)OUT是返回給調用它的POU的輸出參數(shù)(子程序的執(zhí)行結果)。

4)IN_OUT是輸入_輸出參數(shù)，其初始值由調用它的POU傳送給子程序，并用同一變量將子程序的執(zhí)行結果返回給調用它的POU。

主程序和中斷程序的局部變量中只有臨時變量TEMP。

具有輸入、輸出參數(shù)和局部變量的子程序易于實現(xiàn)結構化編程，對于長期生產(chǎn)同類設備或生產(chǎn)線的廠家尤為有用。這些廠家的編程人員為設備的各組件或工藝功能編寫了大量的通用的子程序。即使不知道子程序的內部代碼，只要知道子程序的功能和輸入、輸出參數(shù)的意義，就可以通過程序之間的調用快速“組裝”出滿足不同用戶要求的控制程序。就好像用數(shù)字集成電路芯片組成復雜的數(shù)字電路一樣。

子程序如果沒有輸入、輸出參數(shù)，它和調用它的程序之間沒有清晰的接口，很難實現(xiàn)結構化編程。

子程序如果沒有局部變量，它和調用它的程序之間只能通過全局變量來交換數(shù)據(jù)，子程序內部也只能使用全局變量。將子程序和中斷程序移植到別的項目時，需要重新統(tǒng)一安排它們使用的全局變量，以保證不會出現(xiàn)地址沖突。當程序很復雜，子程序和中斷程序很多時，這種重新分配地址的工作量非常大。

如果子程序和中斷程序有局部變量，并且它們內部只使用局部變量，不使用全局變量，因為與其他POU沒有地址沖突，不需作任何改動，就可以將子程序移植到別的項目中去。

3．西門子的S7-300/400的程序結構

S7-300/400將子程序分為功能（Function，或稱為函數(shù)）和功能塊（FunctionBlock）。

S7-300/400的功能與S7-200的子程序基本上相同。它們均有輸入、輸出參數(shù)和臨時變量，功能的局部數(shù)據(jù)中的返回值實際上屬于輸出參數(shù)。它們沒有的存儲區(qū)，功能執(zhí)行結束后，不再保存臨時變量中的數(shù)據(jù)。

可以用全局變量來保存那些在功能執(zhí)行結束后需要保存的數(shù)據(jù)，但是會影響到功能的可移植性。

功能塊是用戶編寫的有自己的存儲區(qū)（即背景數(shù)據(jù)塊）的程序塊，功能塊的輸入、輸出參數(shù)和靜態(tài)變量存放在的背景數(shù)據(jù)塊中，臨時變量存儲在局部數(shù)據(jù)堆棧中。每次調用功能塊時，都要一個背景數(shù)據(jù)塊。功能塊執(zhí)行完后，背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)不會丟失，但是不會保存局部數(shù)據(jù)堆棧中的數(shù)據(jù)。

功能塊采用了類似于C++的封裝的概念，將程序和數(shù)據(jù)封裝在一起，具有很好的可移植性。

S7-300/400的共享數(shù)據(jù)塊可供所有的邏輯塊使用。

4．IEC61131-3的程序結構

IEC61131-3是PLC的編程語言標準。IEC61131-3是世界上個，也是至今為止的工業(yè)控制領域的編程語言標準。IEC

61131-3有三種POU：程序、功能塊和功能。

功能是有多個輸入?yún)?shù)和一個輸出參數(shù)（返回值）的POU，返回值的名稱與功能的名稱相同，需要定義返回值的數(shù)據(jù)類型。調用具

有相同輸入值的功能總是返回相同的結果。功能可以調用其他功能，但是不能調用功能塊或程序。功能可定義的局部變量有VAR和VAR_INPUT。

功能塊是有多個輸入/輸出參數(shù)和內部存儲單元的POU，功能塊的輸出參數(shù)值與其內部存儲單元的值有關。功能塊可以調用其他功能

塊或功能，但是不能調用程序。

在調用功能塊之前，必須在要調用功能塊的POU中為每次調用聲明功能塊的實例，操作系統(tǒng)將為每次調用分配功能塊的存儲區(qū)

（類似于S7-300/400的背景數(shù)據(jù)塊）。

功能因為沒有內部存儲區(qū)，調用時不需要實例化。

程序的行為和用途類似于功能塊，程序具有輸入和輸出參數(shù)，而且可以具有內部存儲區(qū)。程序通常包含有對功能和功能塊的調用。

IEC61131-3定義了若干標準的功能和功能塊。

5．S7-300/400與IEC61131-3程序結構的區(qū)別

1）S7-300/400的功能可以有多個輸出參數(shù)，返回值也屬于輸出參數(shù)。IEC61131-3的功能只有一個返回值。

2）IEC61131-3的功能塊用于保存局部變量的存儲區(qū)是在聲明功能塊的實例時分配的，它對用戶是不透明的，其他POU不能直接訪問該存儲區(qū)。

S7-300/400的功能塊的局部變量（不包括臨時變量）保存在它的背景數(shù)據(jù)塊中。其他POU可以訪問背景數(shù)據(jù)塊中的變量。如果需要多次調用同一個功能塊來控制同一類型的被控對象，每次調用都需要一個背景數(shù)據(jù)塊，但是這些背景數(shù)據(jù)塊中的變量又很少，這樣在項目中就出現(xiàn)了大量的背景數(shù)據(jù)塊?？梢允褂枚嘀乇尘皵?shù)據(jù)塊來減少背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)量。但是需要增加一個用來管理多重背景的功能塊。

3）S7-300/400的功能塊的局部變量有臨時變量和靜態(tài)變量，IEC61131-3的功能塊的內部變量Var相當于S7-300/400的靜態(tài)變量。

4）S7-300/400將數(shù)據(jù)區(qū)劃分為數(shù)據(jù)塊來使用，數(shù)據(jù)塊的大小與數(shù)據(jù)塊中定義的變量的數(shù)據(jù)類型和變量的個數(shù)有關。IEC61131-3沒有數(shù)據(jù)塊的概念。

Overview

• 模擬量輸入/輸出
• 用于解決更復雜的模擬量過程信號控制任務
• 用于連接模擬傳感器和執(zhí)行機構，而無需增加測量放大器
   

HART 模塊

• 用于在 SIMATIC S7 和 PCS 7 系統(tǒng)中使用 HART（高速尋址遠程變送器）設備
• 可以連接所有變送器或HART傳感器/執(zhí)行器，這些設備必須可以使用HART協(xié)議進行通信
• 此外,還可以連接采用4-20mA技術的轉換變送器(無HART協(xié)議)
• 只能插入到帶 IM153-2 的 ET 200M 中

有關 HART 模塊的詳細信息，請參見 "ET 200M 分布式 I/O 站"。

Area of application

模擬量輸入/輸出模塊用于處理自動化系統(tǒng)中的模擬量輸入/輸出任務。模擬傳感器和執(zhí)行器可以通過這些模塊連接到自動化系統(tǒng)。
使用模擬量輸入/輸出模塊給用戶提供以下優(yōu)點：

• *適應性：
  通過合適的模塊組合方式，可以根據(jù)特定任務調整輸入/輸出的點數(shù)。節(jié)約了不必要的成本。
• 功能強大的模擬量處理技術：
  多種輸入/輸出范圍以及高精度允許連接多種不同的模擬量傳感器和執(zhí)行器。

Design

模擬量輸入模塊具有下列機械特性：

緊湊型設計

堅固的塑料機殼里包括：

• 指示組故障的紅色指示燈
• 前連接器插接選件，裝在前門后面而得到防護。
• 前門上的標簽區(qū)。
• 連接器針腳分配，用于在前門內部進行配線。

安裝方便

模塊安裝在 DIN 導軌上并通過總線連接器連接到相鄰模塊。沒有插槽規(guī)則；輸入地址由插槽決定。

當在 ET 200M 分布式 I/O 系統(tǒng)中與有源總線模塊一起使用時，可以對數(shù)字量輸入/輸出模塊進行熱插拔，而不會有任何反應。其它模塊繼續(xù)工作。

方便用戶接線

裝置單元通過前置連接器連接。當*連接模塊時，編碼設備鎖定在連接器中，這樣該連接器只能適合于同樣類型的模塊。更換模塊時，對于新的同類型模塊，可原封不動保持前連接器的接線狀態(tài)。這樣可以避免在更換模塊的過程中將已接線的前連接器插入到錯誤模塊中。

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硬件中斷

通過硬件中斷可以監(jiān)控過程信號，并且，可以觸發(fā)針對信號變化的響應。

• 數(shù)字量輸入模塊：
  根據(jù)參數(shù)設置的不同，針對每個通道組，當信號狀態(tài)發(fā)生改變時，模塊都可以發(fā)起硬件中斷，觸發(fā)沿可以選用上升沿、下降沿或者混合使用上升沿和下降沿。CPU會中斷用戶程序或較低優(yōu)先級任務的執(zhí)行，并接下來執(zhí)行相關的診斷中斷塊（OB 40）。信號模塊可以緩沖一次中斷/通道。
• 模擬量輸入模塊：
  通過上限值和下限值的參數(shù)值，可以設定其工作范圍。模塊將數(shù)字化測量值與這些極限值進行比較。當測量值違反了其中任何一個限定值時，就會觸發(fā)硬件中斷。CPU會中斷用戶程序或較低優(yōu)先級任務的執(zhí)行，并接下來執(zhí)行相關的診斷中斷塊（OB 40）。如果極限高于/低于過量程/欠量程，則無法進行比較。
   

S7-300F

運行模式

S7-300F的安全功能包含在CPU的F程序中，并且位于故障安全信號模塊之內。

信號模塊采用差異分析方法和測試信號注入技術實現(xiàn)輸出和輸入信號的監(jiān)控。

借助周期性自檢、指令檢測、程序邏輯檢測和程序順序流檢測等方法，CPU可以檢測控制器是否工作正常。此外，通過“活躍標志（sign-of-life）”請求，還可以對I/O進行檢測。

若判定系統(tǒng)中存在故障，則將該系統(tǒng)切換至安全狀態(tài)。

編程

CPU 315F與安全有關的程序采用STEP 7語言的梯形圖（LAD）和功能圖（FBD）編制。與運行有關的功能范圍和數(shù)據(jù)類型均限于在此處設置。編譯時使用特定的格式和參數(shù)，可以創(chuàng)建安全相關程序。在單個CPU中，標準程序可以同時與故障安全程序一起運行（共存），無任何限制。

該軟件包的另一個組件是F庫，配有TUV認可的安全相關功能的編程實例。這些編程實例可以更改，但更改必須再次認證。

S7 F分布式安全選項軟件包

編制安全相關的程序段時，必須使用選項軟件包“S7 F Distributed Safety”。該軟件包含有創(chuàng)建F程序所需要的全部功能和塊。運行S7 F Distributed Safety必須安裝不低于V5.1SP3版的STEP 7。