任务一 抢答器控制
【任务目标】
1.学习S7-200系列PLC的位逻辑指令。
2.掌握使用位逻辑指令进行编程的基本方法。
3.掌握S7-200系列PLC输出继电器分组形式及配线方法。
【任务分析】
在各种知识竞赛中，经常用到抢答器。现有四人抢答器，通过CPU224型PLC来实现控制。其硬件组成及布局如图2-1所示。4个抢答器按钮SB1～SB4分别与PLC的4个输入端子I0.1～I0.4相连，与之对应的4路输出指示灯HL1～HL4则分别与PLC的4个输出端子Q0.1～Q0.4相连。控制要求：只有最早按下抢答按钮的参赛方，才能点亮其序号相同的输出指示灯。后续者无论是否按下抢答按钮，均不会有输出。当组织人按下复位按钮SB0后，输入端I0.0接通，抢答器复位，从而进入下一轮竞赛。
图2-1 抢答器硬件安装布局图
【相关知识】
梯形图指令与语句表指令是可编程控制器程序最常用的两种表述工具，它们之间有着密切的对应关系。逻辑控制指令是PLC中最基本最常见的指令，是构成梯形图及语句表的基本成分。
基本逻辑控制指令一般指位逻辑指令、定时器指令及计数器指令。位逻辑指令又含触点指令、线圈指令、逻辑堆栈指令、RS触发器指令等。有关逻辑堆栈指令的相关内容将在后续项目中学习。这些指令处理的对象大多为位逻辑量，主要用于逻辑控制类程序中。
1.编程相关问题
（1）PLC I/O端点的分配方法。每一个传感器或开关输入对应一个PLC确定的输入点，每一个负载对应一个PLC确定的输出点。外部按钮（包括启动和停车）一般用动合触点。
（2）输出继电器的使用方法。PLC在写输出阶段要将输出映像寄存器的内容送至输出点Q，采用继电器输出方式时，PLC的继电器触点要动作，所以输出端不带负载时，控制线圈应使用内部继电器M或其他，尽可能不要使用输出继电器Q的线圈。
（3）梯形图程序绘制方法。梯形图程序是利用STEP7编程软件在梯形图区按照自左而右、自上而下的原则绘制的。为提高PLC运行速度，触点的并联网络多连在左侧母线，线圈位于最右侧。
（4）梯形图网络段结构。梯形图网络段的结构是软件系统为程序注释和编译附加的，双击网络题目区，可以在弹出的对话框中填写程序段注释。网络段结构不增加程序长度，并且软件的编译结果可以明确指出程序错误语句所在的网络段。清晰的网络结构有利于程序的调试。正确地使用网络段有利于程序的结构化设计，使程序简明易懂。
2.触点及线圈指令
触点及线圈是梯形图最基本的元素，从元件角度出发，触点及线圈是元件的组成部分，线圈得电则该元件的常开触点闭合，常闭触点断开；反之，线圈失电则常开触点恢复断开，常闭触点恢复接通。从梯形图的结构而言，触点是线圈的工作条件，线圈的动作是触点运算的结果。触点指令含标准触点指令、立即触点指令、取反指令及正、负跳变指令，由于触点分常开及常闭两种类型，以上提及的指令又可分为针对常开触点和针对常闭触点的。
立即触点指令是针对快速输入需要而设立的。立即触点指令的操作数是输入口。立即触点可以不受扫描周期的影响，即时地反映输入状态的变化。
取反指令（NOT）改变能流输入的状态，当到达取反指令的能流为1时，经过取反指令后能流则为0；当到达取反指令的能流为0时，经过取反指令后能流则为1。
正跳变指令（EU）可用来检测由0到1的正跳变，负跳变指令（ED）可用来检测由l到0的负跳变，正、负跳变允许能流通过一个扫描周期。
（1）触点指令。表2-2列出了触点指令的类型、梯形图符号及使用说明。
表2-2 触点指令
触点指令运用示例参见表2-3。
表2-3 触点指令运用示例
（2）线圈指令。线圈指令含线圈输出指令、立即输出指令及置位复位、立即置位复位指令等，见表2-4。线圈输出指令与置位指令的区别在于线圈的工作条件满足时，线圈有输出，条件失去时，输出停止。而置位指令具有保持功能，在某扫描周期中置位发生后，不经复位指令处理，输出将保持不变。如表2-3中Q0.3。
表2-4 线圈指令
立即置位及立即复位是针对输出继电器的，可不受扫描周期的影响，将输出继电器立即置位或复位。
线圈指令运用示例参见表2-5。
表2-5 线圈指令运用示例
3.块“与”及块“或”操作指令
较复杂的梯形图逻辑电路图，绘制虽然非常简单，但触点的串、并联关系不能全部用简单的与、或、非逻辑关系描述。语句表指令系统中设计了电路块的“与”操作和电路块的“或”操作指令。
电路块是指以LD为起始的触点串、并联网络。下面对这类指令加以说明。
（1）块“与”指令ALD。将多触点电路块（一般是并联电路块）与前面的电路块串联，它不带元件号。ALD指令相当于两个电路块之间的串联连线，该点也可以视为它右边的电路块的LD点。需要串联的电路块的起始触点使用LD、LDN、LDI或LDNI指令，完成了两个电路块的内部连接后，用ALD指令将它前面已经连接好的两块电路串联。如表2-6网络1中，I0.0与I0.3是一个并联电路块，I0.1与I0.2是另一个并联电路块，指令表中通过“ALD”将二者串联起来。
（2）块“或”指令OLD。将多触点电路块（一般是串联电路块）与前面的电路块并联，它不带元件号。OLD指令相当于电路块之间右侧的一段垂直连线。需要并联的电路块的起始触点使用LD、LDN、LDI或LDNI指令，完成了电路块的内部连接后，用OLD指令将它前面已经连接好的两块电路并联。如表2-6网络2中，Q0.0与I0.4是一个串联电路块，M10.0与I0.7是另一个串联电路块，指令表中通过“OLD”将二者并联起来。
表2-6是块“与”指令ALD及块“或”指令OLD的运用示例。
表2-6 ALD及OLD指令运用示例
4. RS触发器指令
RS触发器指令包括置位优先触发器指令（SR）和复位优先触发器指令（RS）。
置位优先触发器是一个置位优先的锁存器。当置位信号S1和复位信号R都为1时，输出为1。复位优先触发器是一个复位优先的锁存器。当置位信号S和复位信号R1都为1时，输出为0。bit参数用于指定被置位或者复位的位元件。
表2-7给出了RS触发器指令的梯形图符号及反映指令功能的真值表。梯形图符号采用指令盒形式，输入/输出端子数据类型及有效操作数见表2-8。表2-9为RS触发器指令运用示例。
表2-7 RS触发器指令及其真值表
表2-8 RS触发器指令的有效操作数
表2-9 RS触发器指令运用示例
S7-200 PLC没有与RS触发器相对应的指令表程序，通过STEP 7-Micro/Win编程软件只能编辑梯形图程序。通过编译，软件能自动生成与RS触发器相对应功能的指令表程序。以表2-9中网络1所示RS触发器梯形图指令为例，其指令表格式为：
LD I0.0
LD I0.1
NOT
A Q0.0
OLD
= Q0.0
显然，它们是由一组基本逻辑指令构成的，分析不难发现，该网络完全可用图2-2所示梯形图所取代。不过，采用RS触发器的梯形图编程更为方便。即使编辑图2-2所示梯形图程序，软件在编译时也会将其变成表2-9所示RS触发器标准指令格式。
图2-2 与RS触发器指令相同功能的梯形图
5.编程注意事项
（1）双线圈输出。如果在同一个程序中，同一元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。对于输出继电器来说，在扫描周期结束时，真正输出的是最后一个Q0.0的线圈的状态。
Q0.0的线圈的通断状态除了对外部负载起作用外，通过它的触点，还可能对程序中其他元件的状态产生影响。图2-3（a）中两个Q0.0线圈所在的电路将梯形图划分为3个区域。因为PLC是循环执行程序的，如果两个线圈的通断状态相反，不同区域中Q0.0的触点的状态也是相反的，可能使程序运行异常。为避免因双线圈引起的输出继电器快速振荡的异常现象。可以将图2-3（a）双线圈输出改为图2-3（b）所示形式。
图2-3 双线圈输出
（2）程序的优化设计。在设计并联电路时，应将单个触点的支路放在下面；设计串联电路时，应将单个触点放在右边，否则将多使用指令，影响PLC运行速度。在图2-4所示两种电路中，优化设计的梯形图可少用4条指令。
图2-4 梯形图的优化设计
建议在有输出线圈的并联电路中，将单个线圈放在上面，如将图2-4（a）的电路改为图2-4（b）的电路，可以避免使用入栈指令LPS和出栈指令LPP。
（3）编程元件的位置。输出类元件（例如输出指令“=”、置位指令“S”、复位指令“R”和大多数功能指令）应放在梯形图的最右边，它们不能直接与左侧母线相连。
【操作指导】
1. 画出接线图，安装电路
根据任务要求，采用S7-200 CPU224 AC/DC/RLY型PLC，其I/O接线图如图2-5所示。
图2-5 抢答器I/O接线图
输入输出继电器地址分配如表2-10所示。
表2-10 输入输出继电器的地址分配表
在教师指导下，按图2-5抢答器I/O接线图完成电路的硬件接线。在满足一般电气安装基本要求外，还应注意以下几点。
（1）所有导线两端必须安装号码管，其编号除注明外一律采用PLC输入/输出端子号。1M及M间的连接线采用“M”进行编号。号码管安装完成后，字头应统一朝左或上。
（2）输入按钮及输出指示灯按布局图安装在按钮安装支架上，并通过连接电缆与主板接线端子相连。连接电缆应采用尼龙绕线管进行保护。
（3）为保证接线安全可靠，所有电气元件接线端子上，只允许安装最多两根导线，电气接点上导线较多时，可采用串联的方法进行连接。
（4）系统工作电源通过单相电源插头线，接至TX后再接入小型断路器QS进线端。
2.自检
检查布线。对照图检查是否掉线、错线，是否漏编、错编，接线是否牢固等。
3.编辑控制程序
在装有STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6编程软件的个人电脑上，编辑PLC控制程序并编译后保存为“*.mwp”文件备用。抢答器控制参考梯形图及指令表程序见图2-6。
图2-6 抢答器控制参考梯形图及指令表程序
4.程序下载
① 在PLC断电状态下，用USB/PPI电缆连接电脑与PLC。
② 合上控制电源开关QS，将运行模式选择开关拨到STOP位置，通过软件将编制好的控制程序下载到PLC。
注意：一定要在断开QS的情况下插拔适配电缆，否则极易损坏PLC通信接口。
5.运行抢答器控制程序
① 将运行模式选择开关拨到RUN位置，使PLC进入运行方式。
② 根据任务分析要求，按下SB0、SB1、SB2等按钮，观察PLC上输入、输出指示灯的工作状态及HL1～HL4工作情况。满足控制要求即表明程序运行正常。
【课后思考】
1. PLC梯形图程序中的网络是什么？
2. CPU224 DC/AC/RLY型PLC的输入端子和输出端子是如何分组的？如果被控电器需要采用不同的供电电源，PLC输出电路应怎样接线？