一種PLC程序的模塊化編程方法

［摘 要］為解決目前工程中PLC 編程存在的問題，文章介紹了一種PLC 程序編制的模塊化方法，闡述了程序工作原理、編程的規(guī)則、常見設(shè)備控制、功能塊的編寫，以期為相關(guān)人員提供參考。

［關(guān)鍵詞］PLC ；編程；功能塊

［中圖分類號］TP311.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0163–04

西門子S7–300 PLC 產(chǎn)品屬于模塊化的中小型PLC 產(chǎn)品，常用于電機(jī)、閥門、變頻器等的控制。在工程項(xiàng)目中，因編程人員對程序編制的理解不同，編制出的控制程序較多，有的程序組織塊選擇不當(dāng)，出現(xiàn)CPU 停止工作；有的程序占用資源大，CPU 執(zhí)行時(shí)間長，出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)；有的程序采用線性編制，后期檢查、維護(hù)及升級困難。為了解決上述問題，規(guī)范程序編制，使程序達(dá)到易讀性、易修改性，文章以S7–300 PLC為例，介紹了一種PLC 編程的模塊化方法，以供從業(yè)人員參考。

1 程序工作原理

S7–300 CPU 模塊主要由微處理器與儲存器組成，儲存器分為系統(tǒng)儲存器、裝入儲存器、工作儲存器3部分。其中，系統(tǒng)儲存器集成在CPU 中，包括定時(shí)器、I/O 過程映像、診斷緩沖區(qū)等；裝入儲存器用于儲存用戶程序，常見的有Flash 卡和MMC 卡；工作儲存器集成在CPU 中，用戶程序只能在工作儲存器和系統(tǒng)儲存器中運(yùn)行。

操作系統(tǒng)對程序循環(huán)執(zhí)行，先更新輸入、輸出過程映像區(qū)，把數(shù)字量輸入模塊的信息讀到輸入過程映像區(qū)，輸出過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)被寫入數(shù)字量輸出模塊。然后執(zhí)行用戶程序，直至下一個(gè)掃描周期，程序被循環(huán)執(zhí)行。程序下載的過程是程序從用戶硬盤下載到CPU 的裝入儲存器，再從裝入儲存器把與程序執(zhí)行相關(guān)的邏輯塊和數(shù)據(jù)塊裝入工作儲存器[1]。

2 編程的規(guī)則

為了保證編寫程序的易讀性，易于修改，采用結(jié)構(gòu)化編程模式，使程序模塊規(guī)范化，方便項(xiàng)目的調(diào)試與維護(hù)，對程序編制中的內(nèi)容規(guī)定如下。

（1）應(yīng)熟悉硬件配置，掌握PLC 外部設(shè)備的配置情況，輸入信號如按鈕、開關(guān)量、模擬量等，輸出信號如電磁閥、中間繼電器等，再對I/O 信號地址進(jìn)行規(guī)劃，編制I/O 地址分配表，之后對計(jì)數(shù)器和定時(shí)器進(jìn)行分配，然后分配存儲器的數(shù)據(jù)放置區(qū)域，確定專用寄存器的規(guī)劃，接著是各功能塊或子程序的編制，最后是程序編制及調(diào)試、修改。

（2）編程方式采用結(jié)構(gòu)化編程，把控制任務(wù)劃分為相對獨(dú)立的子程序，再把子程序細(xì)分為功能塊。主程序調(diào)用子程序，子程序調(diào)用功能塊，這樣逐級調(diào)用的實(shí)現(xiàn)自動控制任務(wù)。

（3）編程時(shí)必須寫描述性注釋，注釋包括功能塊標(biāo)題、塊注釋、程序段標(biāo)題、段注釋、語句行的注釋等。

（4）用戶程序須在OB 塊中調(diào)用才能執(zhí)行，調(diào)用程序塊的類型是OB、FB、FC，被調(diào)用程序塊的類型是FB、FC、SFB、SFC。程序的分層調(diào)用如圖1 所示[2]。

2.1 組織塊選用

用戶程序包含不同的程序塊，依據(jù)個(gè)人PLC 組態(tài)經(jīng)驗(yàn)，組織塊的基本選項(xiàng)是：OB1、OB35、OB40、OB80、OB82、OB83、OB84、OB85、OB86、OB87、OB100、OB101、OB102、OB121、OB122。

OB1 是自由循環(huán)組織塊，可以調(diào)用FB、SFB、FC、SFC 等用戶程序；OB35 是循環(huán)中斷組織塊，用于調(diào)用PID 調(diào)節(jié)塊；其他OB 中斷組織塊，用于處理各種故障事件。如果不選擇，發(fā)生相應(yīng)故障時(shí)，CPU會停止工作[3]。

2.2 程序塊的要求

程序塊編制分配原則如下，如果程序塊與系統(tǒng)塊編號重復(fù)，應(yīng)修改避讓。

（1）FC1 為公用數(shù)據(jù)模塊，F(xiàn)C5 為手自動切換模塊，F(xiàn)C6 為系統(tǒng)模式模塊，F(xiàn)C10 為輸入處理模塊，F(xiàn)C20 為運(yùn)行處理模塊，F(xiàn)C30 為停止處理模塊，F(xiàn)C40為輸出處理模塊，F(xiàn)C50 為報(bào)警與聯(lián)鎖模塊，F(xiàn)C60 為循環(huán)調(diào)用塊，F(xiàn)B10 為電機(jī)控制模塊，F(xiàn)B30 為控制閥控制模塊。

（2）在STEP7 中PID 調(diào)節(jié)塊應(yīng)放在OB35中，時(shí)間間隔為100 ms，不宜修改。PID 調(diào)節(jié)器直接使用FB41、FB42、FB43，溫度PID 調(diào)節(jié)器直接使用標(biāo)準(zhǔn)庫中的FB58、FB59[4]。

（3）Modbus RTU 通訊編程要求：①發(fā)送數(shù)據(jù)請求程序編寫，在OB1 中調(diào)用FB8 P_SND_RK，數(shù)據(jù)塊是DB40 ；②接收數(shù)據(jù)程序編寫，在OB1 中調(diào)用FB7 P_RCV_RK，數(shù)據(jù)塊是DB41[5]。

（4）數(shù)據(jù)塊使用規(guī)劃原則。同一類數(shù)據(jù)存劃分同一個(gè)塊，中間寄存器按數(shù)據(jù)類型劃分同一個(gè)塊，第3方通訊數(shù)據(jù)存放在DB60 以后，F(xiàn)B 塊的背景數(shù)據(jù)設(shè)置專門區(qū)域，其他專用功能可以單獨(dú)劃分，如報(bào)警信息、運(yùn)行時(shí)間。依據(jù)個(gè)人項(xiàng)目組態(tài)經(jīng)驗(yàn)，DB 數(shù)據(jù)塊劃分見表1。

3 常見設(shè)備控制

3.1 控制要求

設(shè)置遠(yuǎn)程/ 本地控制，遠(yuǎn)程控制是操作站對設(shè)備進(jìn)行啟動/ 停止操作；本地控制是通過現(xiàn)場操作盤的按鈕對設(shè)備進(jìn)行啟動/ 停止操作。自動/ 手動控制中，自動是由PLC 程序進(jìn)行控制，手動是操作員操作按鈕或鼠標(biāo)的控制。如果操作站發(fā)生失效，操作員通過現(xiàn)場操作盤上的按鈕可以對設(shè)備進(jìn)行控制。

單臺設(shè)備應(yīng)有軟手操/ 自動切換，軟手操時(shí)可以啟/ 停功能，由自動切換到軟手操時(shí)設(shè)備不能停機(jī)；由軟手操切換到自動時(shí)，設(shè)備啟/ 停取決于自動程序。

3.2 電機(jī)的控制

電機(jī)的控制要求是遠(yuǎn)程/ 停止/ 本地、自動/ 手動、運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、故障狀態(tài)、啟動命令、停止命令、電流值、運(yùn)行時(shí)間累計(jì)值等功能，如果配置了變頻器，就增加1 個(gè)AO 點(diǎn)。對6 kV 電機(jī)控制的附加要求是啟動與停止應(yīng)使用不同數(shù)據(jù)位，增加溫度、轉(zhuǎn)速、振動等模擬量顯示功能。

3.3 閥門的控制

調(diào)節(jié)閥的控制要求是開到位、關(guān)到位、定位器給定、閥位反饋。開關(guān)閥的控制要求是開到位、關(guān)到位、電磁閥打開/ 關(guān)閉等，應(yīng)考慮電磁閥有雙線圈驅(qū)動或兩個(gè)電磁閥的情況。

3.4 常見設(shè)備的I/O點(diǎn)數(shù)

依據(jù)個(gè)人施工經(jīng)驗(yàn)，查閱電氣設(shè)備資料，對常見設(shè)備的I/O 點(diǎn)數(shù)進(jìn)行匯總，低壓電機(jī)的DI 點(diǎn)6 個(gè)，DO 點(diǎn)1 個(gè)，AI 點(diǎn)1 個(gè)；高壓電機(jī)的DI 點(diǎn)6 個(gè)，DO點(diǎn)2 個(gè)，AI 點(diǎn)8 個(gè)；變頻器的AI 點(diǎn)1 個(gè)，AO 點(diǎn)1 個(gè)；電磁閥的DO 點(diǎn)最多2 個(gè)；閥門定位器的AI 點(diǎn)1 個(gè)，AO 點(diǎn)1 個(gè)；閥門回訊器的DI 點(diǎn)2 個(gè)。

4 功能塊的編寫

用戶程序編寫要做到模塊化，應(yīng)設(shè)置公用功能塊和專用功能塊，便于程序調(diào)用。

4.1 常量模塊

在邏輯控制組態(tài)中，經(jīng)常需要常1 或常0，可做常量功能塊，用途是封閉專用功能塊引腳。組態(tài)方法是選擇位存儲器的一位，如M1.0、M1.1，將M1.0的NO 和M1.0 的NC 進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，結(jié)果給輸出M1.0，即為常1 ；將M1.1 的NO 和M1.1 的NC 進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，結(jié)果給輸出M1.1，即為常0。

4.2 時(shí)鐘脈沖塊

S7–300 控制器中有固定的時(shí)鐘脈沖，在CPU 參數(shù)設(shè)置中選擇即可。但這些時(shí)鐘都是固定的，脈沖周期從0.1～2 s。如果需要長脈沖，就應(yīng)做一個(gè)時(shí)鐘脈沖塊，方便功能塊編制時(shí)使用。西門子PLC 的定時(shí)器種類較多，組態(tài)脈沖塊選用S_ODT 定時(shí)器，常用脈沖塊如圖2 所示，功能是連接計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、觸發(fā)器等。

4.3 電機(jī)控制塊

工業(yè)上大多數(shù)轉(zhuǎn)動設(shè)備都是電機(jī)拖動，對電機(jī)控制應(yīng)編寫專用功能塊。按照編程時(shí)驅(qū)動分為兩類：①單驅(qū)，指輸出DO 占1 個(gè)位，該位值為1，電機(jī)啟動，該位值為0，電機(jī)停止；②雙驅(qū)，指輸出DO 占兩個(gè)位，一個(gè)位值為1，電機(jī)啟動，另一個(gè)位值為1，電機(jī)停止。

（1）電機(jī)單驅(qū)控制塊如圖3 所示，適用于低壓電機(jī)拖動的水泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等場合。

該功能塊是一個(gè)電機(jī)控制的通用塊，帶有啟動聯(lián)鎖、運(yùn)行聯(lián)鎖、設(shè)備聯(lián)鎖，其中啟動聯(lián)鎖指不滿足啟動條件而禁止啟動，運(yùn)行聯(lián)鎖指運(yùn)行中工藝參數(shù)超限而聯(lián)鎖停車，設(shè)備聯(lián)鎖指上下游關(guān)聯(lián)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)而聯(lián)鎖停車。如需調(diào)試，宜用M1.0 或M1.1 對功能塊引腳封鎖。電機(jī)狀態(tài)字是一個(gè)MB，第0 位表示單驅(qū)動，第1 位表示驅(qū)動狀態(tài)，第2 位表示解鎖，第3 位表示滿足聯(lián)鎖，第4 位表示外部故障，第7 位表示跳閘。

（2）電機(jī)雙驅(qū)控制塊如圖4 所示。適用于高壓電機(jī)拖動的水泵、壓縮機(jī)、磨煤機(jī)等場景。

該功能塊引腳含義與單驅(qū)控制塊幾乎相同，區(qū)別在于啟動信號與停止信號采用的是脈沖信號，設(shè)置定時(shí)器和狀態(tài)字是兩個(gè)，可以使用1 個(gè)。高壓電機(jī)的本體配置有5 個(gè)溫度，即前后軸的溫度、定子3 個(gè)溫度，這些模擬量引入FC10 輸入處理模塊進(jìn)行處理，可以連接在啟動聯(lián)鎖及運(yùn)行聯(lián)鎖上，實(shí)現(xiàn)方便組態(tài)的目的。

4.4 控制閥開關(guān)塊

常見控制閥一般分為氣動控制閥與電動控制閥，開關(guān)功能塊編程實(shí)現(xiàn)方式較多，具體如下。

（1）氣動控制閥的開關(guān)塊如圖5 所示。該功能塊的引腳描述清晰明確。故障的判定條件是開閥命令發(fā)出，運(yùn)行時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間；或者關(guān)閥命令發(fā)出，運(yùn)行時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間。

（2）電動控制閥的開關(guān)塊如圖6 所示。電動控制閥是伺服電機(jī)驅(qū)動，分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，編程時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)驅(qū)動位，其他與氣動閥類似。

5 結(jié)束語

文章通過介紹程序編制流程、程序分層調(diào)用、程序塊要求、常用功能塊編制等，給出了規(guī)范程序主體結(jié)構(gòu)的思路，提供了常用設(shè)備功能塊編制方案要點(diǎn)，為相關(guān)人員提供了一種規(guī)范性模塊化的程序編寫方法，對于提高施工效率、設(shè)備升級改造等均具有工程實(shí)用價(jià)值。

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