湖南西门子S7-300代理商

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一、简述

多年来，可编程控制器（以下简称PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅tigao，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

二、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，使用情况主要分为如下几类：

1．开关量逻辑控制

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、包装生产线、电镀流水线等。

2．工业过程控制

在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、liuliang、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。

3．运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4．数据处理

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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5．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。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

三、PLC的应用特点

1．可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。

2．配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3．易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

4．系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。

四、PLC应用中需要注意的问题

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要tigaoPLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家tigao设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：

1．工作环境

（1）温度

PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

（2）湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

（3）震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

（4）空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

（5）电源

PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

2．控制系统中干扰及其来源

现场电磁干扰是PLC控制系统中常见也是易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。

（1）干扰源及一般分类

影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

（2）PLC系统中干扰的主要来源及途径

强电干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。

柜内干扰
控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。
来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

来自接地系统混乱时的干扰
接地是tigao电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

变频器干扰
一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

3．主要抗干扰措施

（1）电源的合理处理，抑制电网引入的干扰

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。如图1所示

（2）安装与布线

● 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到低限度。

● PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。

● PLC的输入与输出好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

● 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

（3）I/O端的接线

输入接线

● 输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

● 输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。

● 尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

输出连接

● 输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

● 由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。

● 采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。

● PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

（4）正确选择接地点，完善接地系统

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

● 安全地或电源接地

将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。如电源漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。

● 系统接地

PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于4Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。

● 信号与屏蔽接地

一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。

（5）对变频器干扰的抑制
变频器的干扰处理一般有下面几种方式：

加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。
使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。
使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

五、结束语

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，才能够使PLC控制系统正常工作。随着PLC应用领域的不断拓宽，如何高效可靠的使用PLC也成为其发展的重要因素。21世纪，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业控制领域发挥越来越大的作用。

PLC应用小经验：对DI信号的干扰导致PLC“误”动作

今年夏天的某天上午，公司接到宜昌一个用户的电话，反映的故障现象是：用户的压瓦机使用的我们KDN的PLC进行控制，前一段时间基本上连续运行几个小时之后，PLC就会有误动作；现在只要一启动，PLC就会误动作，生产根本无法运行。

乘当天下午的飞机连夜赶到宜昌的现场。处理过程如下：

1、首先检查了用户的电控柜，发现走线非常混乱。可以确认的一点是：信号线肯定没有接错，因为PLC曾经正常运行过。

2、黑灯瞎火的，所以暂时先将线的问题放在一边。用户启动设备，复现了故障，果然是连一个基本的压瓦过程都无法走完，频繁误动作。实际上心里已经有数了：这是典型的干扰。就看干扰到哪儿了。

3、接上笔记本，监测程序的运行。这台压瓦机的一个动作中有7个接近开关信号反馈，控制动作的进行。在程序中对每一个接近开关的信号增加了一个计数器进行计数，结果发现：在尚未完成的一个动作里，所有的计数器都有计数，多的甚至计到了近10个。

4、现在可以肯定的是，接近开关信号遇到了干扰，导致PLC“误”动作。于是调整了一个接近开关的安装位置与走线，再次启动设备，发现这个信号仍然受到干扰。

5、于是返回来再仔细看柜内的接线并咨询现场的电工。发现电机的AC380V电源线穿越了整个柜子，无屏蔽、接地，并且与信号线在同一个线槽之内。

6、于是将AC380V的电源线更换为屏蔽线，屏蔽层单段接地，并且远离信号线进行固定。再次启动设备，连续试运行20多分钟正常。为了保险起见，修改用户程序，在程序中对7个接近开关信号都增加了几个ms的滤波时间。

7、第二天上午6点一直到下午4点多，用户连续生产无故障。于是认为故障解决，离开现场。（一直到现在，用户再没有打过电话。）

总结一下这次的现场故障，原因其实很简单。实际上目前PLC的电磁兼容性还是非常好的，但假如信号受到了干扰，那么PLC就无能为力了。

另外小型PLC大多用于单机设备控制，现场使用环境甚至比中大型PLC还要恶劣（不久前我甚至在现场碰到一个用户就那么将电控柜露天放着，早晨里面的器件上甚至有结霜，我在说服用户的同时，也为我们的PLC能够正常运行而欣慰）。但只要在施工时严格按照规范进行施工，比如交、直流，强、弱电的走线，接地等等，就能够避免很多的麻烦。当然按照规范施工很麻烦，而且仍然可能发生故障，但出现故障的概率却会降低很多。另外，对于我们技术人员来说，现场遇到故障千万不能急躁，一步步分析、试验、排查，故障终是能够排除的，大、小项目都是这样。

1 引言
计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。随着计算机技术的高速发展，仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造等工程技术领域也得到了广泛应用。与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是:
(1) 能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据;
(2) 可预测某特定工艺的变化过程和终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解;
(3) 在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度等优点。
大型企业每年都需要对电气控制人员进行技术培训,每次培训都需要大量的准备工作，购买大量各种不同类型PLC、变频器、接触器、电缆等。如果采用传统的经验方法:购买大量的控制器件,特别PLC、变频器等器件昂贵，很容易造成浪费;此外需要专门的培训地点。所以，如果对控制人员进行技术培训能够采用计算机仿真技术，能极大地降低成本。
S7-PLCSIM Simulating Modules由西门子公司推出，可以替代西门子硬件PLC的仿真软件，当培训人员设计好控制程序后，无须PLC硬件支持，可以直接调用仿真软件来验证。

2 S7-PLCSIM软件的功能
(1) 模拟PLC的寄存器。可以模拟512个计时器(T0-T511);可以模拟131072位(二进制)M寄存器;可以模拟131072位I/O寄存器;可以模拟4095个数据块;2048个功能块(FBs)和功能(FCs);本地数据堆栈64K字节;66 个系统功能块(SFB0-SFB65);128个系统功能(SFC0-SFB127);123个组织块(OB0-OB122)。
(2) 对硬件进行诊断。对于CPU，还可以显示其操作方式，如图1示。SF(system fault)表示系统报警;DP (distributed peripherals, or remote I/O)表示总线或远程模块报警;DC(power supply) 表示CPU有直流24伏供给;RUN 表示系统在运行状态;STOP表示系统在停止状态。

图1 CPU的操作方式

(3) 对变量进行监控。用菜单命令Insert>bbbbb variable监控输入变量;Insert>output variable监控输出变量，Insert>memory variable监控内部变量;Insert>timer variable监控定时器变量;Insert>counter variable监控计数器变量。图2表示上述变量表。这些变量可以用二进制、十进制、十六进制来访问，但是必须注意输出变量QB一般不强制修改。

图2 所有变量

(4) 对程序进行调试。设置/删除断点—利用“设置/删除断点”可以确定程序执行到何处停止。断点处的指令不执行。断点激活，利用“断点激活”可以激活所有的断点; 不仅包括已经设置的，也包括那些要设置的。利用“下一条指令”，可以单步执行程序。如果遇到块调用，用“下一条指令”就跳到块后的条指令。

3 S7-PLCSIM软件的实现方法及模拟程序
本文通过具体例子来说明S7-PLCSIM软件的仿真功能。以压印机主机调速为例子。工艺要求为:按下启动按钮I4.0,主机启动Q12.0, 主机自动升速到700转/分,并保持不变, 按下启动按钮I4.1, 主机停止运行。使用S7-PLCSIM软件调试程序的步骤如下:
(1) 首先用STEP7软件对系统进行硬件组态，然后再用STEP7软件编程，允许结构化你的程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序，后通过系统组织块OB1编写程序。程序如图3示:

图3 编写程序

(2) 再用STEP7软件SIMITIC 管理器菜单OPTION中选择Simulating Modules为ON状态，表示选择仿真调试，如图4示:

图4 选择仿真调试(3) 在S7-PLCSIM软件中新建PLC文档。选择菜单命令PLC>Power on 打开仿真PLC的电源;选择仿真PLC的工作方式为STOP状态;选择菜单命令EXECUTE>Scan mode>Scan continous表示连续扫描方式。
(4) 用STEP7软件SIMITIC 管理器菜单命令PLC>Download,把程序下载到中仿真PLC中。
(5) 在S7-PLCSIM软件中模拟实际操作。选择仿真PLC的工作方式为RUN状态，按下启动按钮I4.1,主机开始运行,自动升速,速度值送到MW20。可以监视STEP7软件中梯形图程序的运行情况，选择菜单命令Debug>monitor来监视。图5模拟实际升速过程。

图5 模拟实际升速过程

(6) 当在S7-PLCSIM软件中模拟实际操作，如果检测到程序出错，会调用相应错误组织块。S7-PLCSIM软件支持对硬件中断组织块OB40—OB47的仿真;支持对时钟中断组织块OB10—OB17的仿真;支持对扫描周期大于大允许循环时间的中断组织块OB80的仿真。
(7) 保存生成的PLC文档，以便下次仿真时直接调用的设置。