西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8介绍说明

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1 引言

在设计PLC控制系统或对老设备进行PLC技术改造时，设计人员经常会发现系统的输入/输出信号太多，需占用大量的PLC输入/输出点，在原先预计的输入/输出点不够用的情况下，当然可以通过I/O扩展单元或I/O模块来解决，被迫提高PLC的选用档次，进而使系统的硬件配置增加，体积变大，设备初投资也随之大大增加。笔者认为在对不是需要增加很多输入/输出点的情况下，可以通过一定的设计技术来扩展输入/输出点的数量，而又不降低PLC系统的可靠性，从而达到降低设备初投资成本的目的。

2 对输入点的扩展技术

2.1 合并输入扩展技术
一台棉纺织设备中常常有几个起动控制按钮和几个停止控制按钮，且它们分别设置在机台的不同位置，形成一种多地控制系统。图1为三地控制的继电器控制线路，从图1中可以看出:在不同的地方装有3只停止按钮SB1、SB2、SB3，按下其中任一按钮都使KM失电，电动机停转;有3只起动按钮SB4、SB5、SB6，按下其中任一按钮都使KM得电并自保持，使电动机正常运转;还有一过载检测元件FR，只要主电路有过负荷故障，其串联在图1中的FR常闭触点断开，也使KM失电，电动机停转，从而切断过负荷故障。

图1 三地控制的继电器控制线路

若对该设备进行PLC改造，对输入信号不加任何处理，将有SB1～SB6、FR共7个输入信号要占用PLC 7个输入点，在输入／输出点相对紧张时，对输入信号可以采取图2所示合并输入扩展技术:即在PLC外部将4个常闭(动断)触点串联，3个常开(动合)触点并联后再分别接入PLC的输入端子，这样只需占用2个输入点，节省了5个输入点，同样能达到对其7个输入信号的处理目的。转化为梯形图如图3所示即可。

图2 合并输入扩展技术线路图

图3 采取合并输入扩展技术的梯形图 图4 油泵电机起停控制的梯形图

2.2 状态变换扩展技术
通常对于工作状态属于0/1或者开/关量变化的动作(如油泵电机的起停、冷却液的开关、灯的亮熄等)进行PLC控制时,一般情况下要由2个按钮分别控制它们的开和关。
图4为某机床油泵电机起停控制的梯形图，占用了PLC 2个输入点X0、X1，其中X0为油泵电机开按钮输入信号，X1为油泵电机关按钮输入信号，Y0为油泵电机开输出信号。
对图4采用状态变换扩展技术，则只需一个按钮X0即可，每按一下按钮X0，就将当前的油泵电机的工作状态翻转一次，其实现的PLC梯形图程序有三种电路，分别如图5、图6、图7所示。

图5 用计数器的梯形图 图6 不用计数器的梯形图

图7 用功能指令的梯形图

图5为用计数器进行控制的状态变换技术。从图5可以看出，当次按下X0时，使Y0=1且自保持，油泵电机运转，同时X0的下降沿启动C0计数一次;当第二次按下X0又松开时，它的下降沿又使C0计数一次，此时的计数值达到C0的设定值(K2)，计数器C0动作，其动断触点断开Y0回路，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转，在接下来的一个扫描周期内，计数器的动合触点使C0复位，为下次计数做准备，从而实现了用一只按钮启停的单数次计数、双数次计数复位的控制。
图6为不用计数器进行控制的状态变换技术。从图6可以看出，初始运行时，M0=M1=Y0=0，当次按下X0时，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵电机运转，此时M0=1，M1=0;当第二次按下X0时的扫描周期内，M0=1，M1=1，Y0=0，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转，在接下来的一个扫描周期内，M0=M1=Y0=0，又恢复为初始状态，为下一次的状态变换作好了准备。从而也实现了用一只按钮启停的单数次运转、双数次停转的控制[1>。
图7为用功能指令进行控制的状态变换技术。图7中，ALT为交替输出指令，其实际上是一个二分频电路，每执行一次ALT指令，目标元件的输出状态取反，即目标元件的状态在ON和OFF之间交替变换。初始运行时，Y0=0，当次按下X0时，其上升沿即使Y0=1且自保持，油泵电机运转，当第二次按下X0时的扫描周期内，Y0＝0，油泵电机停转，实现了输出状态的翻转[2>。

冗余设计其实是一个很宽泛的技术概念，而不是大家理解中的技术方法，冗余原始概念是重复配置系统的一些部件,当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故障时间。冗余按类型分为主动和被动形式，所谓主动和被动主要是主从切换的能动性上来分析，主动冗余是可以主动切换，就是可以随时自行切换；被动冗余是指当正在运行的组件坏掉或者不正常的时候才会切换到备用组件，其中也包括用户手动或者用户程序切换方式，按照功能来分又分成Hot standby、Warm standby 和 Cold standby，整理以后见下图：

1、  clod standby

冷备用，其实说白了就是backup，他是通过备份所有正常运行的组件放在一旁或者仓库里，等运行的组件坏了以后更换新的组件来完成系统的正常运行，这个冗余时间和更换时间息息相关。这种冷备用方式很少去关注响应时间，并且需要运维人员干预操作。举个例子，一套PLC运行系统，在做备件时做了完全的配置备件，当PLC在运行时因为夜晚雷电发现有一块AI卡件烧毁了，运维人员马上把系统断电，然后更换卡件，在上电运行，这就是一个完整的cold standby的过程，至于其中耽误的时间，只能视运维人员的对系统的熟练程度而定并且必须被动接受。

2、  warm standby

温备用，是两套完全一样的配置组件，一个正常运行被视为主，另一个带机并不运行备用被视为从，每隔一段时间，主从的内容相互交换一次，当运行组件出现故障，备用组件才会运行承担工作。举个例子，西门子的300软冗余系统，两台微处理器的冗余方式就是温备，主处理器控制系统的输入和输出（I / O），而备用处理器上电和主处理器停止控制过程中的等待时间。当发生这种情况，备用处理器承担的I / O控制，并采取指定的主处理器，处理器允许脱机成为次要处理器，并可以在不牺牲过程控制维护。

在正常操作中，主处理器提供定期更新的备用处理器。这些更新通常发生在每个程序扫描结束，并可能在任何时间只涉及了部分数据。因此，当转换发生时，备用处理器可以工作过的数据不完整，因为它可能会采取一些备用处理器程序扫描追上来这里的主要是前转换。这可能有助于在转换过程中颠簸。

从硬件的角度来看，温，热冗余系统几乎相同，所以很容易混淆。

3、  hot standby

热备用，是两套完全一样的组件，全部都是上电并运行的状态，两个组件同时进行数据采集、数据处理和计算，只是主组件担任输出控制任务，两个组件实时交互，当主从切换的时候必须完成无扰动切换。而且热备组件系统是随时切换同时检测组件状态并报告。

热备系统即使在一瞬间也不能让系统go down，当主从切换的时候，需要完成系统通讯消息和数据更新以及堆栈的同步，从而苛刻实现程序执行的速度和堆栈段内容都是一致的，为了确保热备系统的操作正确性，全部数据需要实时主从交互，其交互方法有两种，种就是常规的扫描和传输方法，这种技术早期被施耐德的PLC广泛使用，首先先是在程序扫描结束后传输所改变的内容，首先程序扫描时间是程序执行和传输的时间组合，这也就是PLC的执行周期为什么有时间周期定义之说了，这样就不是每次把PLC内全部程序进行交互，减少同步任务复合，但当从plc内没有程序的时候，主plc会把全部内容同步过去，但这个过程只是上电或者运行时候做一次比较。这种热备方式是一种经典和准确的热备方法，并且这种方法延续至今。

第二种方法就是异步传输方法，在异步传输，主系统中在其电路有两个独立的微处理器。个微处理器执行程序。在执行结束，所有数据被传递给第二个微处理器。这第二个微处理器处理所有的传输任务，而个微处理器执行下一个程序扫描。因此，一个微处理器是执行，而另一种是传输到备用处理器的数据。 由于这种从主处理器辅助处理器的数据传输是异步的程序扫描，它随时的数据传输，而不会影响程序执行和系统负荷。这种热备异步传输的方式是AB的Contrologix一项技术，他的冗余配置中主从系统各有三个CPU，个就是执行程序的CPU，第二个就是起到数据总线的背板CPU，第三个就是同步模块RM的CPU，所以他的任务被分配在多个CPU当中。

后还是要说一下，其实大家理解中的冗余技术其实就是热备的方法，因为传统DCS进入大家视野比较早，DCS厂家把冗余概念做到了，它把两套物理硬件在逻辑上封装成为一个独立体，所以造成很多技术人员认为只有物理上两个组件但在逻辑上是一个组件被称为冗余，逻辑上是两个组件的叫做热备。

 可编程控制器PLC外部接线简单方便，它的控制主要是程序的设计，编制梯形图是常用的编程方式，使用中一般有经验设计法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法也叫功能表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的图形，它主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。这是一种先进的设计方法，对于复杂系统，可以节约60%~90%的设计时间.我国1986年颁布了功能表图的国家标准(GB6988.6-86)。有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们分别是:起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复位编程方式。本文以三菱公司F1系列PLC为例，说明实现顺序控制的四种编程方式。
    例如:某PLC控制的回转工作台控制钻孔的过程是:当回转工作台不转且钻头回转时，若传感器X400检测到工件到位，钻头向下工进Y430当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关X401时，计时器T450计时，4s后快退Y431到上接近开关X402，就回到了原位。功能表图见图1:

图1     功能表图
2  使用起保停电路的编程方式
    起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号PLC的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的PLC改造过程中应用较多。如图2为使用起保停电路编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图，图2中只有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。

图2     起保停电路实现顺序控制

3  使用步进梯形指令的编程方式
    步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器S来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用，而且状态寄存器必须用置位指令SET置位，这样才具有控制功能，状态寄存器S才能提供STL触点，否则状态寄存器S与一般的中间继电器M相同。在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用RET指令使后面的程序返回原母线。把图1中的0-3用状态寄存器S600-S603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，对应的梯形图如图3所示。这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应优先考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。