西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0介绍说明

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PLC控制系统构成

    如图2，可编程控制器采用S7400PLC，处理器为CPU416V3.0，现场过程信号AI/AO，DI/DO输入输出模块通过ET200M挂在ProfibusDP总线上，OS监控操作站挂在Enthernet总线上。系统配置有如下优点：(1)坚固耐用可靠性高；(2)功能强大，控制性能好；(3)速度快实时控制性好；(4)模块化分布式结构，并设置了I/O模块带电插拔功能，系统风险较小；(5) CPU具有强大的故障诊断自检测能力。软件上设计了下列功能：OB84程序块（CPU硬件故障诊断），OB85程序块(CPU系统错误检测），OB86程序块（机架故障检测），OB121程序块（程序执行错误检测），OB122程序块（I/O存取错误检测）；(6)控制程序设计根据功能和设备采用结构化模块式设计。整个系统的硬件软件都具有较高的可靠性。

如果把金字塔结构与NBS模型或ISO模型比较一下，就会发现，PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS模型/ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下的功能。 PLC

PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBC/ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。因为不同层次实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致他们对通信的要求也就不一样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求的通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。而在底层传送的主要是过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 PLC

由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。

PLC网络的分级与生产金字塔的分层不是一一对应的关系，相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，有一级子网去实现。采用多级复合结构不仅使通信具有适应性，而且具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络，从底层向高层逐步扩展。下面具几个有代表性公司的PLC网络。

一、A-B公司的PLC网络
A-B公司是大的PLC制造商，占据全美市场份额45%。图1表示了A-B公司的PLC网络，采用的是3级总线复合型拓扑结构。底一级为远程I/O系统，负责收集现场信息，驱动执行器，在远程I/O系统中配置周期I/O通信机制。中间一级为高速数据通道DH+（或DH，DHⅡ），负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线通信协议。高一级可选用Ethernet（以太网）或者MAP网，这一级负责生产管理。在Ethernet网中配置以太网协议，在MAP网中配置MAP规约。

 PLC

图1 A-B公司的PLC网络

二、SIEMENS公司的PLC网络

西门子公司是欧洲大的PLC制造商，在大中型PLC市场上，西门子与A-B公司的产品齐全。图2表示了西门子公司的S7系列PLC网络，采用3级总线复合型结构，底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O 通信机制。中间一级为Profibus现场总线或主从式多点链路。前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式；后者是一种主从式总线,采用主从轮询使通信。高一层为工业以太网，负责传送生产管理信息。在工业以太网通信协议的下层中配置以802.3为核心的以太网协议，在上层向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。 PLC资料网

图2 SIEMENS公司的S7系列PLC网络

三、MODICON公司的PLC网络

20世纪90年代初德国奔驰集团属下的AEG公司全资收购了MODICON公司，现在称之为AEG-MODICON。MODICON的PLC产品在美国市场上所占份额居第二位。图3表示了AEG-MODICON的PLC网络，采用了3级总线复合型的拓扑结构。其高一级为Ethernet或MAP网，分别配置Ethernet（DECent）协议及MAP规约，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O方式通信，负责PLC与现场设备的通信。中间一级为Modbus+或者Modbus网，配置Modbus协议，采用主从方式通信。 PLC资料网

图3 AEG-MODICON公司的PLC网络

四、松下电工公司的PLC网络

日本松下电工公司推出的FP系列PLC是世界PLC市场上的一匹黑马，大有后来居上之势.图4表示了松下电工公司的PLC网络,这是一种4级子网的复合型网络，即可采用总线/总线/总线/总线4级复合，也可采用总线/总线/环/总线4级复合。

松下电工的PLC网络高一级为以太网，配置以太网协议，可与商用以太网互联，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O通信方式与现场设备交换信息。中间两级负责过程监控，无论环形还是总线型，其应用层均采用MEWTOCOL协议。

 PLC

图4 松下电工公司的PLC网络 PLC

五、GE-FANUC公司的PLC网络

近美国的通用电气公司（GE）与日本的数控FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，其PLC产品在美国市场所占份额居第三位。GE-FANUC的PLC网络产品是在标准化方面进展快的产品，图5表示了GE-FANUC的PLC网络。 PLC资料网

图5 GE-FANUC公司的PLC网络由图5可见，GE-FANUC的公司PLC网络有两种结构。一种是右侧的4级总线复合型拓扑结构，一种是左侧的2级总线复合型拓扑结构。

GE-FANUC的公司PLC网络高一级子网为GEnet MAP宽带局域网，采用全MAP3。0协议，通信速度高达10Mb/s，用于传输生产管理信息。 PLC

Genius网是GE 2级结构的底层子网，他相当于系统90-70可编程控制器的远程I/O链路，负责与现场单元交换数据，采用GE-FANUC专用协议。

GE 4级复合结构的第3级子网为GEnet MMS Ethernet网或者GEnet MAP载带网，前者采用Ethernet协议，后者采用MAP3.0协议。第2级为CCM网，采用GE的CCM专用协议及RTU协议，按主从方式通信，第1级子网为SNP望，这是一条多点链路，采用SNP协议，按主从方式工作。

从上述五家有代表性的公司的PLC网络结构分析中可以清楚地看到，PLC网络采用复合型拓扑结构，大多数由3级总线或4级总线复合而成。

现在采用PLC控制的机床是越来越多，运用PLC的控制能简化电路，使设计更加简单，安全，可靠。一些的PLC具备了各种接口以实现连机，上网等功能。使得人们可以远程控制设备。那么，如何才能设计好一台由PLC控制的机床呢？以本人的经验，至少要了解以下几方面的知识：
1 知道PLC的工作原理 可编程序控制器又简称PLC，和继电器系统类似，PLC也是由输入部分，逻辑部分和输出部分组成，输入部分收集并保存被控制部分实际运行的数据，逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并判断那些功能需作出输出反应。输出部分提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。PLC采用大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成逻辑部分。尽管逻辑部分的作用与继电器控制系统类似，但是其组成，工作原理，运行方式与前者是截然不同的。通过编程，可以灵活的改变其控制程序，相当于改变了继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。
2掌握PLC的语言和指令 知道了PLC的工作原理后，理解它的语言就比较容易了。PLC语言常见的有梯形图和语句表两种。其中梯形图又是为直观和好用的。要详细了解可以看相关教材，要强调的是，虽然原理一样，基本指令也大同小异，但厂家不同PLC指令符号会有所不同，例如，同是上升沿微分，三菱公司的产品用PLS表示，欧姆龙公司却称为DIFU，而西门子公司则是│P│。这些具体的区别就要看各种产品的编程手册了。
3 学会使用各种编程软件一个程序编好后要把它输入PLC中，过去用的较多的是手持编程器，要人工输入，比较麻烦，容易出错。近年来年随着计算机的普及，已逐渐被各种编程软件所取代。例如三菱公司的FXG-P，欧姆公司的CX-PROGRAMMER。西门子公司的STEP-7-MICRO-WIN32等。这些工具软件都可以在bbbbbbS的环境下运行，用起来很方便，当你选定了一个厂家PLC后，一定要学会使用它的编程软件，因为这将极大的节约你的编程和调试时间。以欧姆龙推出的CX-PROGRAMMER软件为例，在编程时它能为你提供操作数的输入范围，迅速搜索特殊指令。根据梯形图自动生成语句表，并指出其中的语法错误，在调试时它通过数据线把程序快速准确传入PLC，然后监控执行状态，可以对各输入输出点强制置位/复位。还可以进行在线编辑。当你熟练掌握了编程软件的使用方法。就一定能事半功倍的完成的设计任务。
4 明白PLC控制的信号有那些 PLC是根据输入条件来控制输出信号的。输入信号就是控制台上的按钮，机床上的限位开关，压力继电器和光电开关等各类传感器，而输出点则控制继电器或接触器线圈的通断，指示灯的明灭，液压阀电磁铁的吸合及变频器的信号端子的输出。在做一个机床设计时我们经常会碰到两个问题，一个是PLC可扩展的I/O点数是有限的，另一个是增加I/O点数是要增加成本的。所以我们要知道控制的信号有那些，各是多少，统计出需要多少输入和输出点，据此选出PLC。

PLC的输出电路形式一般分为：继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出三种。弄清这三种输出形式的区别，对于PLC的硬件设计工作非常有必要。下面以三菱PLC为例，简要介绍一下这三种输出电路形式的区别和注意事项，其它公司的PLC输出电路形式也大同小异。
1、继电器输出电路 
    这是PLC输出电路常见的一种形式，其电路形式如下图所示。该种输出电路形式外接电源既可以是直流，也可以是交流。

　 图1 继电器输出     PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC250V/50V以下，负载电流可达2A，容量可达80～100VA（电压×电流），因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等）。 PLC
    PLC继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右，根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载）。此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms）左右，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出形式（可以根据场合使用下面介绍的两种输出形式）。
    当连接感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压抑制二极管（如上图中并在外接继电器线圈上的二极管）；对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。
2、晶体管输出电路 
    晶体管输出电路形式相比于继电器输出响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；由于晶体管是无机械触点，因此比继电器输出电路形式的寿命长。
晶体管输出型电路的外接电源只能是直接电源，这是其应用局限的一方面。另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A。这两点的使用晶体管输出电路形式时要注意。
晶体管输出电路的形式主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。如下图所示：

PLC

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图2 NPN集电极开路输出

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图3 PNP集电极开路输出 由以上两图可看出这两种晶体管输出电路形式的区别：NPN型集电极开路输出形式的公共端COM只能接外接电源的负极，而PNP型的COM端只能接外接电源的正极。
    和继电器输出形式电路一样，在驱动感性负载时也要在负载两端反向并联二极管（二极管的阴极接电源的正极）防止过电压，保护PLC的输出电路。
3、双向晶闸管输出电路
    双向晶闸管输出电路只能驱动交流负载，响应速度也比继电器输出电路形式要快，寿命要长。其电路形式如下图所示：

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  图4 双向晶闸管输出     双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，大允许输出为0.8A/4点）。
注意：为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015uF/22Ω左右）和压敏电阻，因此在晶闸管关断时，PLC的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况