西门子模块6ES7232-0HD22-0XA0原装库存

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  一、引言

    可编程序控制器简称PLC，它是一种特殊的控制计算机，具有编程简单、通用性好、功能强等优点。广泛应用于工业控制领域和大型的医疗设备中，它直接连接被控设备的电子设备。因此很容易被周围干扰源干扰而引起控制系统产生误动作。为了让控制系统稳定工作，提高可靠性，在系统设计与安装时应采取一定的抗干扰措施。

  二、PLC控制系统中常见的干扰因素

  （一）空间辐射干扰

    电气设备、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重，这些干扰源产生的辐射波频率范围广，且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。

  （二）信号通道干扰

  1．共模干扰

    共模干扰对系统的放大电路形成干扰较大，系统的各种信号电流通过电源内阻和公共地线阻抗，都会产生干扰电压，形成共模干扰。

  2．静电柏台千犰

    电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号的变化影响其他电路，形成静电耦合干扰，只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频率高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。

  3．传导耦合干扰

    系统的信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰。

  （三）电源干扰

    PLC系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到PLC系统的电路，给系统造成极大的危害。

  （四）数字电路引起的干扰

    数字集成电路引出的直流电流虽然只有mA级，但是当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。例如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截至状态下则为lmA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，如果在配电线上具有0.5μH的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：
    U=L x di/dt=0.5x 10-6 x 4x10-3 /5x10-9=0.4V
    如果把这个数值乘上典型系统的大量门的数值，虽然这种门电路的供电电压仅为5V，但所引起的干扰噪声将是非常严重的。

    在处理脉冲数字电路时，对脉冲中包含的频谱应有一个粗略概念，如果脉冲上升时间t已知，可用近似公式求出其等效高频率：

    fmax=1/2πt

  三、PLC系统中的抗干扰设计

    （一）电源部分的抗干扰设计

    电源变压器是电源部分的主要元件，为了抑制电网中的干扰，一般选用隔离变压器，且变压器容量应比实际需要大1.2～1.5倍左右。在使用中应要求变压器的屏蔽层良好接地，次级线圈连接线要使用双绞线，以减少电源线间干扰。对于PLC的控制器电源，如果条件许可，还可在隔离变压器前加入滤波器，此时变压器的初级和次级连接线均要使用双绞线，如图1所示。这样干扰信号经滤波隔离后可大大减弱，增强了系统的可靠性。

图1 滤波器和隔离变压器的连接

    PLC供电系统可采用如下方式，控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障时，而不会影响其他部分，如输入、输出供电中断时，控制器仍能继续供电，提高了系统的可靠性，如图2所示。对于供电质量缺乏保证时（非长时间停电），控制器可利用UPS不间断电源供电，即将控制器前面的屏蔽变压器改为UPS不间断稳压电源。对于一些重要的设备（医疗设备等），为了提高系统的可靠性，交流供电电路可采用双路供电系统。

图2 使用隔离变压器的供电系统

  （二）输入输出信号的抗干扰设计

    为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/O模块。

  1．输入信号的抗干扰设计

    输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术，即在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D，具体电路如图3所示。

（a） 交流输入信号的抗干扰 （b） 直流输入信号的抗干扰
图3 输入信号抗干扰设计

    对于图3中CR的选择应适当，一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1μF，R为120Ω，当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47μF，R为47Ω。

  2．输出电路的抗干扰设计

    对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。

    PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由OFF变为ON或从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，如图4所示。对于直流负载，通常是在线圈两端并联续流二极管D，二极管应尽可能靠近负载，二极管可为1A的管子。对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路，根据负载容量，电容可取0.1μF～0.47μF，电阻可取47Ω～120Ω，且RC尽可能靠近负载。

直流负载           交流负载
图4 PLC输出触点的保护

    对于大容量负载电路，由于继电器或接触器在通断时会产生电弧干扰，因此须在主触点两端连接RC浪涌吸收器，如图5（A）所示，若电动机或变压器开关干扰时，可在线间采用RC浪涌吸收，如图5（B）所示。

图5 大容量负载抗干扰设计

    （三）外部配线的抗干扰设计

    外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。具体电路设计如图6所示。配线时在30米以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30米～300米距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300米以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。
 

图6 屏蔽电缆的处理方法

    （四） PLC装置的接地设计

    良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相联，基本单元必须接地，如果选用扩展单元，其接地点与基本单元接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其他设备公共接地，严禁与其他设备串联接地，具体设计如图7所示。另外接地电阻要小于100ft，接地线要粗，接地面积要大于2平方毫米，而且接地点好靠近PLC装置，其间的距离要小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。

（a） 好             （b） 可以             （c） 不允许
图7 PLC系统接地设计

  四、结论

    PLC控制系统的抗干扰设计是系统的一个重要组成部分，本文只从硬件部分加以讨论。在软件编程上也可以利用软件的冗余设计技术设计一些程序，来屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。在实际应用时可以同时利用硬件和软件的抗干扰技术，让PLC系统满足要求，并能达到一个理想的工作状态。

1  引言
    物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件[1]组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。

2  系统介绍
    包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处理。                                                             

2  PLC控制系统的硬件设计
2.1硬件配置
    根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
（1） 中央控制单元
    中央控制单元选用 CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。
（2） 电源单元
    电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。

（3） 输入输出单元
   系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块
16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V

（4）通迅模块
为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常（距离约300米），在本系统选用了CP 342-5通迅模块。 
    通过PROFIBUS 进行配置和编程。

2.2 变量分配
    控制对象的PLC变量分配情况表1所示。
            

3 包装输送控制程序设计思想
3．1 系统控制方式
    包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。

3．2控制程序设计
    该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A～F线。根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。 （2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。（3）根据料槽料位控制A～F线启动、停止。

    本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A～F线起/停、3～8#线皮带起停。

    总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1～6#皮带速度处理、1～2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表（LAD）形式编程。图4给出了3#～6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。

3.3控制设计思想
（1） 回路启动顺序由下游向上游（来料方向为上游） , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。
（2） 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。
（3） 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。
（4） 上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。

4  WINCC组态软件结构设计
    工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表[4]、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在bbbbbbs2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图5是监控软件的结构。WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。
    

5 监控系统主要实现的功能
（1） 显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；
（2） 报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；
（3）历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；
（4） 画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；
（5） 管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。
（6）  操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。

6 结束语
    本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度。