西門子卡件6ES7414-5HM06-0AB0西門子卡件6ES7414-5HM06-0AB0

6ES7414-5HM06-0AB0 SIMATIC S7-400H，CPU 414-5H, 中央組件，用于 S7-400H 和 S7-400F， 5 個接口： 1x MPI/DP,1x DP,1x PN 和 2 個同步模塊接口， 4 MB 存儲器 （2 MB 數據/2 MB 程序）

1. 掃描與掃描周期

??PLC有兩種工作模式，即RUN/STOP模式，這兩種模式的掃描過程是不相同的。PLC在STOP模式時，僅完成內部處理和通信處理工作，而在RUN 工作模式時，要執行從內部處理到輸出刷新處理五個階段的工作，用戶程序執行處理必須在RUN模式下進行。

??PLC在RUN 工作模式時，執行一次從內部處理到輸出處理五個階段掃描操作所需要的時間稱為掃描周期，其中，內部處理和通信處理的時間很短，僅1~4ms左右，掃描時間主要集中在用戶程序的執行處理上，很多資料中把一個掃描周期定義為執行一次用戶程序三個階段的時間。

??個 PLC 的掃描周期長短主要和用戶程序的容量、CPU 的主頻、指令的執行及用戶程序的結構有關。用戶程序容量大，表示其程序步多，執行時間就要長。而指令的執行速度與CPU的主頻有關，主頻越高，則指令的執行時間就越短，同樣的程序容量其掃描周期也短。

??掃描周期長短還與指令的執行和用戶程序的結構有關。對基本指令來說，其ON和OFF 狀態的執行時間基本是一致的，但對功能指令來說，執行(ON)和不執行(OFF)的時間相差很大，例如，加法指令 ADD，如果驅動條件斷開，指令不執行，其執行時間僅為0.455μs，而驅動條件成立時，指令功能執行，其執行時間變成了8.1μs。可見，PLC的掃描時間與指令是否被執行有關。另一方面，PLC的掃描時間還與程序結構有關。例如，當程序中含有循環指令時，循環指令中的循環次數是在當前掃描周期內完成的，這就必定加長了本次掃描時間。又如，當程序中含有轉移指令時，跳過去的程序段是不掃描的，這就減少了程序的掃描時間。含有子程序時，如果調用子程序，增加了掃描時間，不調用則不去掃描子程序。PLC的掃描時間是動態變化的，每次掃描的時間會不一樣。三菱FX系列PLC有三個特殊數據寄存器與掃描時間有關，用戶可以通過查看這三個寄存器了解程序的掃描時間，這三個數據寄存器如下所述。

??D8010：本周期當前掃描時間。

??D8011：掃描時間最小值。

??D8012：掃描時間最大值。

??一般PLC應用程序掃描周期應在100ms以內。如果掃描周期超過200ms，這樣的程序不建議采用，在程序中下面一些情況會使程序的掃描周期超過200ms。

??(1)循環程序運行時間過長或死循環。看門狗最早就是為這類程序設計的。

??(2)過多的中斷服務程序和過多的子程序調用會延長程序運行周期。

??(3)當采用定位、凸輪開關、鏈接。在模擬量等較多特殊擴展設備的系統中，PLC會執行緩沖存儲器的初始化而延長運行周期時間。

??(4)執行多個FROM/TO指令，傳送多個緩沖存儲區數據會使PLC的運行周期延長。

??(5)多個高速計數器對高頻進行計數時，運行周期會延長。

??FX系列PLC的看門狗設定值為200ms，一旦超過200ms，看門狗就會出錯，CPU 出錯，LED燈亮并停止所有輸出。

??在上述情況中，有一些程序是異常的(如死循環)，但大多數控制程序是正常的運行周期時間較長(遠超過 200ms)的程序。為了使這類正常程序能夠正常運行，一般采用了兩種辦法解決。

??一是改變監視定時器 D8000的設定值。二是利用看門狗指令 WDT 對監視定時器不斷刷新，讓其當前值在不到200ms時復位為0，又重新開始計時，從而達到在分段計時不超過200ms 的目的。關于指令 WDT 的功能及使用可參看拙著《三菱FX2N PLC 功能指令應用詳解》一書12.3.3節。

??2. 掃描對梯形圖程序的影響

??PLC采用循環掃描工作方式，每個掃描周期都按順序把每一行梯形圖執行一次，并集中對I/O 進行處理。這種方式與繼電控制并行工作方式相比，至少帶來了兩個好處。其一是每行梯形圖都進行了掃描，保證了控制的實時性其二是較好的抗干擾性，因為在一個掃描周期中，I/O的處理僅占很少時間(幾毫秒)，大部分時間在執行用戶程序，這期間外部信號是不會采集進來的。

??PLC的工作原理是采用循環掃描工作方式，在每一個掃描周期內，對用戶程序執行分三個階段：輸入集中采樣、用戶程序運行和輸出集中刷新。

??在用戶程序運行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，根據邏輯運算的結果，刷新位元件線圈在系統RAM存儲區中或輸出線圈Y在I/O映像區中對應位的狀態;或者確定是否要執行該梯形圖所規定的功能指令。在用戶程序執行過程中，只有輸入點X在I/O映像區內的狀態不會發生變化，而輸出點Y在I/O映像區和其他位元件在系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，這種變化會馬上直接影響其下面的梯形圖相泣觸點和數據，但對排在其上面的觸點和數據要等到下一個掃描周期才會影響到。

??當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新。在此期間，PLC按照I/O映像區內對應的狀態和數據集中刷新所有的輸出鎖存存儲區，傳送到各相應的輸出端子，再經輸出電路驅動相應的實際負載。在下一個掃描周期內，輸出端子的狀態是不會變化的，但程序中輸出點Y是在變化的。輸出Y的變化并不馬上送到輸出端口，僅是改變I/O映像區中的狀態，PLC僅用最后的Y狀態去刷新輸出鎖存區。初學者對這種循環掃描的工作方式一定要理解，它涉及很多PLC梯形圖程序問題。圖5.1-1是對循環掃描工作的圖示說明，三個環節處理的要點見表5.1-1。

??圖5.1-1 PLC循環掃描工作原理

??表5.1-1 循環掃描工作三個環節處理

??

PLC采用的循環掃描工作是一種分時串行處理方式，與繼電控制系統的并行處理方式是完全不同的。在繼電控制線路中，系統是按并行方式工作的。例如，某個繼電器通電時，它的觸點是和線圈通電動作的，如果有多個觸點分配在不同的支路，則在不同支路上的觸點也是和線圈通電動作的。也就是說，線圈通電和觸點動作是發生的，這就稱為并行工作。在繼電控制電氣原理圖上，一條支路所關心的只是它的邏輯控制條件和控制對象，至于它在電氣原理圖上的位置是沒有關系的。一個啟保停控制支路可以放在最前面，也可放在最后面。而PLC循環掃描工作則不同，它是一種串行方式工作。在程序執行區，PLC 每次僅掃描一個程序行，再掃描下一個程序行。當一個程序行掃描到某個位元件線圈有輸出時，它的觸點要等掃描到觸點所在行才發生動作。線圈輸出和觸點動作發生了時間差，這就是串行工作的特點。這種時間差最大可達到一個掃描周期，在這個時間差中，還不能發生該位元件狀態發生變化的情況，如果發生，其動作就按新的狀態處理了。下面舉一例給予說明。

??圖5.1-2是繼電控制原理圖與梯形圖比較說明，圖5.1-2(a)為繼電控制原理圖，當SA 閉合時，KA1～KA3線圈是動作的。而SA控制KA4的支路位置放在哪里都一樣。把繼電控制換成梯形圖，圖5.1-2(b)是一種設計。根據PLC的循環掃描工作原理，Y1~Y4 均在同一掃描周期里被驅動輸出。可以認為，它的效果是與繼電控制一樣的。再看圖5.1-2(c)，把程序行進行了調換，當X0為ON時，線圈Y0輸出，但其觸點在它前面，要等到第2個掃描才動作，驅動Y1輸出，同理，Y3要等到第3個掃描周期才接通，而Y4要等到第4個掃描周期才接通。經過4個掃描周期，Y1～Y4才接通，達到和繼電控制線路一樣的效果。在這4個掃描周期內，X0不能斷開，一斷開，結果完全不同。

??圖5.1-2 并行處理與串行處理

??通過分析比較，讀者可以從中理解串行工作與并行工作的不同。也可以看到，采用串行工作的梯形圖程序的運行結果與繼電控制電路并行運行的結果有所區別，如果串行工作所占用的時間對運行來說可忽略，那么兩者就沒有區別，如圖 5.1-2(b)所示。更重要的是，這個例子告訴讀者，用梯形圖程序處理同一問題，如果同樣的若干條梯形圖，其排列順序不同，則執行結果會完全不同。還給梯形圖設計帶來了很多麻煩，例如雙線圈問題就是。

??這就給梯形圖設計多增加了一層考慮。

??舉這個例子的目的是告訴廣大從事電工的讀者朋友，當由繼電控制轉向學習PLC 控制時，分析方法一定要及時轉變，從并行轉向串行。不可以總是用繼電控制分析方法(并行)去思考梯形圖的運行(串行)。這樣，很容易鉆牛角尖而影響學習進度。

??3. 對一個掃描周期的理解

??“一個掃描周期”經常出現在各種資料中，通常的說明是執行一次從內部處理到輸出處理的掃描操作所需要的時間，有的則說從程序0行開始掃描到END指令所需要的時間，這兩種說法在時間上前一種說法比較完整，后一種說法則是針對用戶程序執行而言。

??“僅接通一個掃描周期”這也是各種資料中經常出現的一種說法。在第3章中講到脈沖邊沿操作指令時，曾經指出，脈沖邊沿操作指令是執行僅接通一個掃描周期功能操作的指令，并在表3.3-8中列出了與脈沖邊沿操作相同的指令類型。這類指令均為“僅接通一個掃描周期”的指令。這里接通了一個掃描周期是指從指令開始接通時的一個掃描周期。在程序中是指從脈沖邊沿操作指令開始到其上一行程序結束，現以圖5.1-3 進行說明。圖中，X0為脈沖邊沿操作常開觸點。如果X0在外電路上接通，不管其接通多長時間，在程序中僅接通一個掃描周期。這一個掃描周期指當X0接通后，程序第一次掃描到第8步時開始計算，到END指令又循環掃描到第2步程序行完成為止。第2次掃描到X0時，它已呈現斷開狀態(與 X0 實際接通、斷開無關)。根據上述說明，讀者可分析一下，僅當 X0 接通后，程序運行后各個位元件的狀態和數據寄存器的內容是多少。

??圖5.1-3 一個掃描周期說明

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