西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8规格说明

西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8规格说明

本文介绍了可编程控制器与变频器的连接和连接时应注意的问题，以免导致可编程控制器或变频器的误动作或损坏。

引言

    可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。

    当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，例如我厂二催化的自动吹灰系统。PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。

    1.开关指令信号的输入

    变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC）相连，得到运行状态指令，如图1所示。

    在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。

    在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。图2与图3给出了正确与错误的接线例子。

    当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。如图4所示。

    2.数值信号的输入

图1 运行信号的连接方式

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图2 变频器输入信号接入方式

图3 输入信号的错误接法

输入信号防干扰的接法

    变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。图5为PLC与变频器之间的信号连接图。

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    当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为 0～10V而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。

    通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为0～10V/5V及0/4～20mA电流信号。无论哪种情况，都应注意： PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。

    另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较jingque的控制时应予以考虑。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点.

     （1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

     （2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。

     （3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。

     （4）通过使用屏蔽线和双绞线达到tigao噪音干扰的水平。

    3.结束语

    PLC和变频器连接应用时，由于二者涉及到用弱电控制强电，因此，应该注意连接时出现的干扰，避免由于干扰造成变频器的误动作，或者由于连接不当导致PLC或变频器的损坏。

1  引言
    电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障包括:过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

    2  基于PLC的电动机综合保护

    对电动机的保护可以分为以下几类:
    在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。

    
    PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。因此，本文研究了基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的方法。

    3  系统硬件设计

    3.1 系统的总体结构
    基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

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    3.2 PLC机型选择及扩展
    选择PLC机型应考虑两个问题:
    （1） PLC的容量应为多大？
    （2） 选择什么公司的PLC及外设。在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。

    SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
    S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。
    CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。

    4  系统软件设计

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    4.1 主程序
    程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。
    如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。
    4.2 欠压保护子程序
    在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。
    4.3 起动时间过长保护子程序
    在该程序段中，采集三相电liuliang，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。

    5  结束语

    通过本系统设计、试验与运行，得到如下结论:
    （1） 利用PLC进行电动机综合保护硬件简单可靠。
    （2） 可以采用梯形图语言进行编程，简单易行。
    （3） 系统运行可靠，便于检修维护。
    （4） 由于采用集成综合设计，系统体积小、功耗低、使用操作方便

新设计开发的成品油自动发货系统不采用现成产品发油控制装置或系统，而采用工程化的技术路线，从系统方案，功能、硬件、施工设计，软件开发、安装调试等各个环节可以和整个付油系统的土建、工艺的设计和施工安装紧密地结合，实现一个有自己特点的个性化完美的自动控制系统。

　　一　滨化集团油品发货现状

　　滨化集团发货场由于手动人工负责成品油的发货，导致效率低下，费力费时，经常出现汽车拥挤混乱现象，难以管理。

　　1. 人工装车程序

　　空车至门口，在操作室进行业务确认，接着，空车过磅，操作员开具联络单，开至指定车位，放下鹤管接好静电接地，发货员启动电机，开始发货，发货员随时读取liuliang计的数值，当快发完时，手动关闭切断球阀，停止发货，货车过磅。当货物数量与提货单的数量不吻合时，须重新发货补油。

　　2. 油品发货存在问题

　　人工发货装车需要大量人力；手动控制阀门易出现油品溢出

现象；发油数量难以控制，经常需要补油或交款；发油效率极低，不适合大量的油品发送；人为因素影响发油结果严重；发油记录由人工手写，不能避免各种作弊现象。

　　二　自动装车系统改造的目标

　　1. 本技术方案的改造目标

　　结合现有的工艺条件，配合工艺改造，采用先进、科学、适用的自动化系统的设计(包括作业流程)，将滨化集团发货场建设成为具有当前先进水平的现代化油站，显著tigao付油作业效率和服务质量，展现良好的行业形象，并具有示范和推广价值。

　　2. 设计规模

　　滨化集团货场承担着年吞吐量200万吨成品油的发送任务，根据各种油品的数量和2003年的发油情况，新建货场的设计规模定为250万吨。控制系统的设计规模按16个鹤位的容量进行配置，并适当考虑部分备件。

　　三　工艺简介及方案选择

　　1. 发货工艺简介

　　主油管线：采用8条150mm主管线。付油车位：车位采用100mm管线，100m3/h的liuliang。

　　2. 改造方案

　　方案一：以容积式liuliang计为计量发货依据，以定量装车控制仪为控制核心，控制电液阀的开关来达到自动发油的目的，后以地磅的检斤数作为结算依据。成品油发货使用这种liuliang计对油品的温度、密度要求平稳，不允许有较大的浮动。温度、密度变化很小时，发货相当准确。

　　方案二：以质量liuliang计为计量发货依据，以PLC为控制核心，控制电液阀的开关来达到自动发油的目的，后以质量liuliang计的数据作为结算依据。

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　　3. 方案比较

　　装车liuliang计是装车定量控制的依据，一般有较高的jingque度要求。高jingque度liuliang计常用质量liuliang计或高精度体积liuliang计。前者价格高，但计量jingque度高、使用可靠方便；后者价格便宜，但计量jingque度不如前者高、使用不如前者可靠方便。liuliang计的选择与装车计量方案有关。如果装车站采用一台电子汽车衡作为销售计量设备，那么，liuliang计仅作为装车定量控制的依据，可以采用价格较低的、jingque度一般的体积liuliang计。如果装车站采用liuliang计作为销售计量设备，那么每个鹤位都必须使用jingque度高于±0.2％以上的质量liuliang计。但我公司现在的产品封罐时间短数量少，并且有些产品是边生产边发货销售(如轻蜡油)，这样由于油品自身密度变化太大，而不是相对的稳定，所以会直接影响发货的正常运行，因密度忽大忽小，发货数量时多时少。给自动发货系统带来不安全因素和jingque度降低。

　　鉴于以上情况和我公司生产发货实际情况，建议对成品油自动发货装置选用质量liuliang计。

　　定量装车控制仪，这是装车自动化的基本核心控制仪表，因而是选型的关键。对定量装车控制仪的基本要求是：控制功能要齐全，可进行功能组态。符合装车现场防爆要求。要有优良的通信接口，可现场手动操作，也可联网远程操作。可靠性、可维护性好(从大量使用业绩考核)具备现场紧急控制功能，一旦现场发生事故，紧急切断装车管线，尽量减少经济损失。由于定量控制仪专用性较强，可扩展性一般，软件功能的升级性能不好。而PLC的功能丰富，可扩展性强，产品通用性强，完全能代替定量控制仪，建议选用PLC。

　　四　选用方案简介

　　1. PLC简介

　　S7-300是模块化的中小型PLC系统，各种模块之间可进行组合。它主要由中央处理器CPU，信号模块SM，通信处理器CP，功能模块FM，负载电源模块PS，接口模块IM组成，能满足中等性能的要求。模块化，无排风扇结构，易于用户掌握的特点使得S7-300成为各种中等性能要求控制任务既方便又经济的解决方案。当控制任务增加时可自由扩展。

　　a. 功能

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　　S7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动、维护，它主要有高速的指令处理、浮点数运算、方便用户的参数赋值、人机界面、诊断功能、口令保护等功能。

　　b. 通信

　　S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，可以用来连接AS-i接口，Profibus和工业以太网总线系统，方便用户的数据交换。

　　2. 发货控制系统简介

　　罐区油罐的油品通过5条母管输送到发油台，各装车口采用一管一泵一鹤位结构，油泵的出口连接一段金属软管，主要目的是为了防止正常发油期间管线的振动影响liuliang计的jingque度。金属软管后连接恒流阀，以稳定开、停油泵期间的liuliang，其后依次安装质量liuliang计、电液阀、鹤管。通过liuliang计的读数控制电液阀的开关，以达到jingque发货的目的。

　　3. 自动控制系统结构和功能

　　发油自动控制系统由业务工作站、监控工作站、定量控制系统和现场仪表、设备组成。

　　a. 工作站

　　业务管理系统由接入局域网的计算机、打印机和UPS电源组成，设在油库大门口的业务室或预约室内。

　　功能：完成领油预约；车辆自动调度、车位自动分配；完成用户指标管理，包括注册开户、各种查询、信息修改；完成发油结算、自动制表功能；协调管理整个系统，完成

预约、通道分配、定量控制、结算和付油业务处理；具有油料数据库管理功能，如数据库自动定时备份、数据库恢复，操作员权限及口令设置修改等；通过局域网构建完成完整的控制管理系统；通过连接局域网实现信息共享。

　　b. 监控工作站

　　上位监控系统由接入局域网的计算机、打印机和UPS电源组成，设在发油控制室内。

　　功能：发油通道的管理和控制，如通道的开关、屏蔽、发油继续或暂停等；监控发油站台工况，实时、动态反应设备运行状态和数据；多画面切换监控功能。系统功能组态(参数设置)功能：如通道油品定义、标密设定等；工作状态设置功能：如鹤位的泵输／自流选择；弹出式报警窗口，所有故障点的监测报警显示，报警声提示；设备调校平台，用于设备的调试、维护和参数测试；下位控制系统操作运行记录，历史故障辑录通过局域网实现信息共享。

　　c. 定量控制系统

　　发油控制系统由控制柜、现场控制设备和现场工艺设备组成。采用以西门子PCS7系列PLC作为控制系统的核心。

　　系统控制柜：1面；变频调速柜：5面。

　　功能：鹤管发油自动定量控制；油每200L自动暂停／启动功能；启停与阀的开关的智能化控制：如实现电液阀的开度调节、泵-阀的时序控制；现场发油的人工干预；现场的操作提示和实时liuliang显示；实现静电接地的信号联锁不可忽视鹤管在位联锁保护：控制系统确保在鹤管大于一定倾角时拒绝发油，以防误发油； 控制系统对通道的人工干预、系统运行状态和故障的指示；实现离线自动定量发油：在上位监控工作站和业务工作站故障的情况下，或者在紧急情况下，以控制柜为核心的发油控制系统可实现无需预约的离线自动定量发油。

　　d. 现场控制设备

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　　现场控制检测设备有：电液阀、质量liuliang计，操作终端、悬挂式大屏幕显示器(可选)、鹤管在位开关、静电接地、紧停按钮。

　　(1)用电液阀作为鹤管付油控制开关阀门。

　　(2)用质量liuliang计(0.2级)作为汽车发油liuliang计。

　　(3)汽车付油现场使用LCD献出操作终端，用于完成用户身份识别、定量输入、liuliang显示、启停操作、状态指示并带有操作回音功能。

　　(4)每个车位设双面LCD大屏幕显示器，为用户提供直观的付油过程数据和操作状态。

　　(5)每个车位安装接地一体化检测装置，作为发油静电接地安全保护联锁信号。

　　(6)每个鹤管安装鹤管防溢油传感器，作为油槽车液位安全保护联锁信号。

　　(7)每个付油平台安装一只紧停按钮开关，作为危险情况时实施紧停操作手段。

　　(8)每条主管线设温度变送器检测油品温度。

　　(9)每个鹤管安装鹤管在位开关，作为发油联锁保护信号。

　　e. 软件环境

　　(1)开发工具

　　西门子PLC step7编程组态软件和西门子WinCC系统软件

　　(2)运行环境

　　监控工作站：Win2000 Professional；

　　业务工作站：Win2000 Server

　　(3)软件功能

　　报表查询管理功能，该软件的功能能满足用户提出的要求，能对发油的数据管理、查询、制表。能在网络的客户端运行，访问现场的发油情况以及现场各个设备的当前工作状态，鹤位的状态，发油历史数据信息、汇总等功能。这就实现了办公室领导层对现场作业的一个监视、实时管理。

　　4. 几个控制功能

　　a. 流速控制

　　对于鹤管和加油枪要求保持一定的liuliang(流速)范围，以保证加油作业的安全和效率。由于下列情况可能造成发油liuliang的变化：(1)大罐液位的高低不同；(2)管线长短不同；(3)同种油品同时发油车位多少不同；(4)使用鹤管和加油枪不同。采用变频调速器和liuliang计通过软件实现流速的闭环调节。根据liuliang计的流速信号调节管道泵的转速，从而调节发油流速。

　　b. jingque定量控制

　　使用变频器和电液阀配合，可在发油结束前的定量关闭过程中提前关闭电液阀，同时降低管道泵的转速以减小liuliang。当达到定量数量(有一微小的提前量)时快速关断电液阀并停泵，实现1～2L的定量控制。

　　c. 车位自动分配

　　领油用户在业务工作站进行预约。油库工作人员依次将前来领油用户的预约信息输入业务工作站。当一个用户的预约被接受时，打印机自动为该用户打印预约单。该用户持预约单将油槽车驶入付油区制定车位排队等待。

　　五　结论

　　由山东滨化集团设计院独立设计开发的基于PLC和组态软件的自动发货控制系统，充分利用了PLC抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了组态软件强大的数据处理和图形表现的能力，具有可靠性高、操作简单、维护容易等特点。目前该系统已经成功运行3年，到目前已累计发送600多万吨成品油，效果良好，对自动发货控制系统的运行效率乃至整个油品发货装置具有重要意义，同时极大tigao了自动化水平，降低了工人的劳动强度。