西门子6ES7221-1EF22-0XA0千万库存

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  随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。

    一、机型的选择

    我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

    1．施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

    2．罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；

    3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；

    4．GE公司的产品；

    5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列产品。                     

      PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择可靠、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则好选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合

      应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。

    二、I/O的选择

      PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。

      PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

      （一）确定I/O点数

      根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

 （二）开关量I/O

      开关量I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少

1 电磁干扰源及对系统地干扰 

      1.1 干扰源及干扰的一般分类
      影响PLC控制系统地干扰源与一般影响工业控制设备地干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中按噪声产生的原因不同分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按嗓声干扰模式不同，分为共模于扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。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)电压跌加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130 V以上。共模电抓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UO模件损坏率较高的主要原因)这种共摸干扰可分为直流，亦可为交流。差模千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藕合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 
      1.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源 
      1.2.1 来自空间的辐升干扰 
      空间的辐射电磁场主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常成为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射于扰，其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引人干扰。辐射于扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 
      1.2.2 来自系统外引线的干扰 
      (1)来自电源的干扰。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。山于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，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、电网短路状态冲击等，都通过输电线路传到电源里边。PLC电源通常采用隔离电源。但其机构及制造工艺因素使其隔离性能并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。 
      (2)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人。此于扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串人的电网干扰，往往被忽视；二是信号线受到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。山信号引人干扰会引起UO信号工作异常和测量精度的大大降低，严重时会引起元器件损伤。对于隔离性能较差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作和死机。 
      (3)来自接地系统混乱时的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁千扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰而错误的接地，反而会引起严重的干扰信号，使系统无法正常工作。 
      1.2.3 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4E92影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，应用部门无法改变，但要选择具有较多应用实绩或纪吕丈考验的模块。

2 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计

      2.1 设备选型 
      在选择设备时，首先要选择有高效抗干扰能力的产品，其中包括了电磁兼容性。尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术笼隔离性能如的PLC系统:其次还应了解生产厂商给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力，允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考察其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品要注意:我国是采用220 V高内阻电网制式，而欧美地区是110 V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗十扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准合理选择。

   2.2综合抗干扰设计
      主要考虑来自系统外部的儿种抑制措施。主要内容包括:对PLC系统及外引线进行评比以防空间辐射电磁干扰；对外弓}线进行隔离、滤波，特别是动力电缆，分层布置，以防通过外引线引人传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。
 

3 主要抗干扰措施
      3.1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
      在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串人PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU、电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等祸合进人的。对于变送器和共用信号仪表供电选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源9UPS0供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。
      3.2 电缆选择的敷设
      为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置敷电电缆的辐射电磁干扰。在工程中，因采用钢带恺装屏蔽电力电缆，从而降低动力电缆生产的电磁干扰。长距离配线时，输人信号线与输出信号线分别使用各自的线缆。交流信号与直流信号分别使用各自的线缆输人输出信号线与高电压、大电流的动力线分开配线。集成电路或晶体管设备的输人、输出信号线，必须使用屏蔽线缆。避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。
      3.3 I/0模块的定性分析
      绝缘的输入、输出信号和内部问路L匕非绝缘的抗干扰性能好；双向晶闸管和晶体管型的无触点输出在PLC控制器侧产生的干扰小；输人模块允许的输人信号ON-OFF电压差大，抗干扰性能好；输人信号响应时间慢的输人rl块抗f扰性能好。因此，从抗干扰的角度考虑，I/0模块选型时应考虑以下因素:干扰多的场合，使用绝缘型的I/O模块；安装在控制对象侧的I/O模块要使用绝缘型的I/0模块；无外界干扰的场合，可使用非绝缘型的I/O模块。
      3.3.1 防精入信号干扰
      除采用滤波器和控制器良好接地来抑制干扰外，还可考虑以下抗输人干扰的措施。在输入端有感性负荷时，为了防止反冲击感应电动势，在负荷两端并接电阻和电容(为交流输人信号时)见图1,或并接续流二极管(为直流输人信号)见图2。交疏输入方式时，电阻、电容的选择要恰当，才能起到较好的效果。负荷容量在1OVA以下一般选0。1μF、120Ω；负荷容量超过1OVA则选用0。47μF、47Ω比较合适。如果与输人信号并接的电感性负荷较大时，使用继电器中转效果更好。防感应电压的措施K DA。输人端并接浪涌吸收器；②在长距离配线和大电流场合，感应电压大，可用继电器转换。

图1                               图2

      3.3.2 防止输出信号的干扰
      输出信号干扰的产生:感性负荷场合，输出信号由OFF变成ON时产生突变电流，从ON到OFF时产生反向感应电动势，所有这些，都可能产生干扰。防止干扰的措施:
      (1)交流感性负载，在负载的两端并接R,C作为浪涌吸收器。交流220V电压功率为400VA左右时R，C的值分别为47Ω,0。47μF,R,C越靠近负载，其抗干扰效果越好，见图3,
      (2)直流负载场合，在负载的两端并接续流二极管，见图4,二极管也要靠近负载，二极管的反向耐压应时负载电压的4倍。

图3                                 图4

      控制器将开关输出的场合，不管控制器本身有无抗干扰措施，都好采取图3(交流负载)和图4(直流负载)的抗干扰对策。在开关时产生较大干扰的场合，交流负载可使用双向晶闸管输出模块。在控制盘内用中间继电器进行中间驱动负载的方法时很有效的。对于电子设备的抗干扰技术，主要原则是抑制于扰源,PLC可编程控制器输出信号的干扰，可通过良好的接地引人大地，从而减少干扰的影响。

PLC与继电器接触器控制系统的比较

    通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。

1 二种方案的不同点

（1） PLC内部大部分采用“软”逻辑

    继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。

（2） PLC控制系统结构紧凑

    继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大；PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小。

（3） PLC内部全为“软接点”动作快

    电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重；PLC内部全为“软接点”动作快。

（4） PLC控制功能改变极其方便

    继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便。

（5） PLC控制系统制造周期短

    PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，因此设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。

    此外，由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。

2 PLC方案的设计要点

（1） 设置滤波 

    在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰。

（2） 设有隔离 

    在PLC系统中CPU和各I/O回路（主要指数字口）几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等。

 可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国首先研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC（programmable logic controller），因此，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。

      PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下：

      起动时，按下起动按钮SB1,X400常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，同时Y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X402常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y432的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。

      制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。

      上述控制过程指令程序如下：

经常使用海为的产品，刚开始还是因为其人性化的编程界面，可以不需硬件支持的离线模拟功能，但随着业务和用途的扩展，其通讯功能和模拟量的处理功能优势就越发凸现出来，模拟量的扩展可以支持远程485控制，而且不受主机扩展能力的约束。通讯功能更是易学、易用，很容易上手。可以方便的使用自由协议和modbus协议与仪表、变送器、触摸屏、变频器等进行通讯。下面以和深圳英威滕变频器的通讯为例详细说明具体参数的应用。

    海为PLC通讯特点：

    1、内置多种通讯协议：HaiwellPLC各种型号的主机都内置ModbusRTU/ASCII协议、自由通讯协议以及海为公司的HaiwellBus高速通讯协议；

    2、通讯端口可扩展：HaiwellPLC各种型号的主机均自带2个通讯口（一个为RS-232，另一个为RS-485），用通讯扩展模块可扩展至5个通讯口，每个通讯端口均可用于用于编程和联网，通讯端口相互独立，均可作为主站也可作产从站；

    3、极为便利的通讯指令系统：使您无论使用何种通讯协议都只需一条通讯指令便可完成复杂的通讯功能，编程简单而程序简洁，无须再为通讯端口冲突、发送接收控制、通讯中断处理等问题烦恼，可以在程序中混合使用各种协议轻松完成您所需的各种数据交换；

    英威滕变频器通讯协议介绍

    英威滕变频器采用Modbus通讯协议，根据英威滕变频器说明书与通讯有关的主要参数如下：

    P0.03运行指令通道2通讯指令通道

    P3.01频率指令选择7远程通讯设定

    pc.00广播地址1

    pc.01通讯波特率设置419200

    pc.02数据位效验设置3n,8,2forRTU

    功能地址说明：

    海为PLC与英威滕变频器通讯程序

    因为英威滕变频器采用Modbus通讯协议，所以海为PLC采用Modbus通讯协议与其通讯。并且不需要进行效验，非常方便。

    1、设定运行频率：使用MODW指令（Modbus写）

    根据英威滕变频器说明书，设定运行频率的参数地址为2000H。设定时采用10进制，频率数*100就是频率的设定值。例如48.50HZ,就设置为4850。

    2、启动正转运行：使用MODW指令（Modbus写）

    根据英威滕变频器说明书，运行控制的参数地址为1000H，写入值0001H表示正转。

    3、停止：使用MODW指令（Modbus写）

    根据英威滕变频器说明书，运行控制的参数地址为1000H，写入值0006H表示自由停机（紧急停机）。

    4、读取当前运行频率和各种状态：使用MODR指令（Modbus读）

    根据英威滕变频器说明书，当前运行频率的参数地址为3000H。

    设定频率地址为：3001H实际值=显示值/100

    母线电压地址为：3002H实际值=显示值/100

    输出电压地址为：3003H实际值=显示值/10

    输出电流地址为：3004H实际值=显示值/1

    运行转速地址为：3005H实际值=显示值/10

    输出功率地址为：3006H实际值=显示值/10

    输出转矩地址为：3007H实际值=显示值/1PLC即为英文ProgrammablelogicController的简称，中文又称可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。该种技术是计算机技术与继电接触控制技术相互结合的产物，其解决了传统控制系统内接线复杂、可靠性低、耗能高以及灵活性较差等缺点，因此近年来被广泛应用于电气自动化中。

      PLC反应快。由于PLC控制系统用内部已定义的辅助继电器替换了传统的机械触电继电器,并去掉了原来的连接导线而代之以内部逻辑关系,因此,该类继电器的节点变位时间可以近似的认为为零,无需考虑传统继电器的返回系数;可靠性强。该种控制系统的抗干扰能力远远高于传统继电器技术,能够适合于较为复杂的工业环境;操作简单。该种控制技术采用简单的指令形式,往往采用些形象、直观的简单程序来适应现场操作人员往往参差不齐的电气技术。 

      新发展动态 

      一、PLC向网络化技术发展。其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各dapinpaiPLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。 

      二、PLC向高性能小型化发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-ON系列PLC，小的机种，体积仅为60×90×70mm2，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，jingque定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。    

      预测发展前景 

      一、增强抗干扰性。如生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 

      二、进一步网络化、数字化。目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统——FCS系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展，并使数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。  PLC产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应用PLC。在制造过程中，以低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日益增加的需求，给PLC的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给PLC带来了巨大的机遇。 

      为能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要，PLC控制系统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。