西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8技术支持

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集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母“IC”(也有用文字符号“N”等)表示。

　　1、可靠性高，抗干扰能力强

　　高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路。

　　集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母“IC”(也有用文字符号“N”等)表示。

　　技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器

　　接触器是一种应用广泛的开关电器。接触器主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量的控制电路，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制及各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。

　　系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统的可靠性极高。

2、配套齐全，功能完善，适用性强

　　PLC发展到，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

　　3、易学易用，深受工程技术人员欢迎

　　PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

　　4、系统设计的工作量小，维护方便，容易改造

　　(1)设计与维护

　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。特别适合多品种、小批量的生产场合。

　　(2)安装与布线

　　动力线、控制线以及PLC的电源线

　电源线是用作电气组件或设备与电源的连接线，通常来说指电线与其一端连接的插头或尾插的集合体，是电器产品的基本零部件之一。电源线分为电线和插头两部分。

　　和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到低限度。

　　PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200mm)。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。

　　PLC的输入与输出好采用分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地。

　　接地电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。应小于屏蔽层电阻的1/10。

　　交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆。

　　电缆是一种用以传输电能信息和实现电磁能转换的线材产品。既有导体和绝缘层，有时还加有防止水份侵入的严密内护层，或还加机械强度大的外护层，结构较为复杂，截面积较大的产品叫做电缆。

　　输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

　　(3)I/O端的接线

　　输入接线：输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些；输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开；尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

　　输出连接：输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压，但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子。

　　端子通常指由铜材等冲制而成的连接器接触件。端子是连接电气线路的常用元件，主要在器件与组件、组件与机柜、系统与子系统之间起电连接和信号传递的作用，并且尽量保持系统与系统之间不发生信号失真和能量损失的变化。

　　板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路。

　　晶体管是由三层杂质半导体构成的器件，有三个电极，所以又称为半导体三极管，晶体三极管等，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。

　　晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

　引言

　　在20世纪的大部分时间，电力公司的抄表员通过挨家挨户查看电表的机电式计数器来记录用电量。再到办公室将记录的电表读数输入到电力公司的用户收费记录中。如今，随着技术的进步，这种劳动密集型的人工抄表操作已经逐步被自动抄表(AMR)系统所取代。

　　在20世纪90年代早期的AMR市场，电力公司认识到AMR的商业价值，因为减少抄表的员工数量可节省费用支出。那时，电力公司只需要每月对居民/工业用户进行一次抄表，因此早期的AMR系统采用近距离方案，仍然需要去电表现场抄表。数据流是单向的：从电表到电力公司工作人员持有的抄表器终端。

　　如今，对AMR的要求已经远远超出了节省抄表成本这一点。现在，电力公司为了更有效地管理他们的资源，正在寻求能在电表与家庭办公室之间提供即时双向通信的技术方案。这正是AMR备受欢迎的原因。AMR在用户关系管理(CRM)和避免收入损失方面具有新的优势，AMR的电子式质询-响应能力能实现这些优势。

　　电力线通信实现AMR

　　为满足当今AMR的通信需要，电力公司正在寻求电力线通信(PLC)技术。PLC是一种通过电力线传输数据(音频、视频、控制信号等)的工业标准方法。由于PLC具有以下技术特点，所以电力公司对其很感兴趣：

　　降低基础设施成本。PLC系统依靠现有的电力线，不需要构建新的网络基础设施。

　　对边远地区的覆盖面比RF方案更广。

　　可由管理中心实现全面控制，降低管理总成本。

　　防止收入损失。PLC可远程监控，并检测电表篡改行为。这有助于控制损失(即防窃电)，以及在系统出现故障或崩溃时进行维护。

　　可以集成各种不同服务和实现“智能”家电控制。

　　能远程监视其它传感器(火灾、温度、入口、出口等)。

　　记录每日的用电量，缩短“抄表到收费”的时间，以改善财务收入状况。

　　预付费和缴费帐户自动管理。

　　实现按使用付费方案。

　　Maxim的PLC/AMR参考设计

　　Maxim公司提供自动PLC/AMR方案，从应用角度看，这是一种类似常见的以太网的组网方法。本参考设计基于正交频分复用(OFDM)技术，可实现高可靠性、大传输速率为14Mbps的数据传输。

　　对于OFDM系统来说，电表监视系统(AMR)的要求相对比较容易满足。每月一次，必须传输几十到几百字节的AMR消息。其余大部分时间，通信通道都是闲置的。因此，数据速率和数据响应时间都不是AMR系统中特别重要的因素。相反，可靠性和坚固的网络至关重要，事实证明，OFDM是克服AC线路固有噪声大这一缺点的佳方案。

　　在Maxim参考设计中，MAXQ3120电量测量微控制器通过异步串行链路以1200bps的数据速率与MAX2986 PLC基带芯片通信。对MAX2986的固件稍加改动，即可通过其内部UART进行通信，并识别符合DL/T645电表协议的帧格式。

　　该参考设计必须解决的一个问题是MAC层地址和DL/T645网络地址之间的关系问题。由于DL/T645不具有解析MAC层地址的机制(IP栈中ARP具有该功能)，所以有两种应对方案：让主机跟踪网络和每一个电表的MAC标识，或者使MAC地址和网络地址之间具有某种固定的关系。本参考设计采用后一种方法。

　　在本设计中，网络地址区域为空白的电表会质询相关的PLC芯片组，要求为其分配地址。作为回应，PLC芯片组将MAC地址本身作为有效载荷，发送一个标准的DL/T645地址设置消息。这样，可保证每个电表都有唯一的网络地址(只要MAC地址也唯一)。注意，这是电表芯片(MAXQ3120)唯一一次主动发送消息。

　　通信按下列步骤进行：

　　主机PC产生一个请求，并将该请求发送至外部PLC Modem。

　　PLC Modem分析该请求，并将DL/T645消息头中的电表地址转换为以太网MAC。

　　附有新MAC的以太网信息电力线被发送出去。

　　电表接收信息包，并确定消息是发给自己的。并存储源MAC地址，以备在响应包中使用。

　　PLC MAC提取有效载荷，并将它发送给MAXQ3120。

　　MAXQ3120响应请求，将一个信息包送回PLC MAC芯片。

　　MAC控制器构建并发送以太网信息包，用所存储的请求包源地址作为响应包的目的地址。

　　主机PLC Modem接收响应包，提取有效载荷，然后将其发送给主机PC。

　　采用该方法，PLC/AMR电表整合了PLC协议和DL/T645协议。这种方案避免了必须在电表中同时建立网络层地址和MAC地址的限制。 

本文介绍可编程序控制器（PLC)内部映像寄存器状态的变化规律和特点，通过映像寄存器状态的临时掩藏这样一种数据处理方法，构成监控系统中执行机构的重复动作。并介绍了在工程中的应用实例。
一、概述
PLC在工业生产中得到了广泛的应用。在用PLC构成的监控系统中，如果巧妙地利用PLC内部映像寄存器状态变化的规律和特点，就更能发挥出PLC在监控系统中的独到优势，使系统更加完善。PLC应用于煤矿大型主排水泵、主通风机以及变电所二次接线监控系统中，均采用PLC映像寄存器工作循环过程中所形成的状态掩藏，实现中央复归重复动作，收到了很好的效果。现以日本三菱F1系列PLC为例，介绍PLC映像寄存器状态掩藏及其在工程中的应用。
二、PLC信息处理规则及映像寄存器状态的掩藏
1、PLC工作方式及信息处理规则
可编程序控制器工作方式一般为扫描工作方式，如图1所示。它分为3步进行，即输入处理、程序处理、输出处理，这种工作方式有其显著的特点：

图1　PLC扫描工作过程

（1）在程序处理前，PLC将所有输入端子的状态读入输入映像寄存器，此后在整个程序处理中与外界隔开，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变化，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。
（2）程序处理阶段程序是从头开始顺序执行的，在指令中涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取的是上一阶段采样输入端子的状态；从输出映像寄存器读取的是映像寄存器的当前状态。每次执行结果都写入有关的映像寄存器，因此，除输入元件外各元件的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断地变化。
由此可见，PLC对信息处理遵守了以下规则：
（1）输入映像寄存器的内容在整个工作周期是不变的，保存值决定于刷新阶段输入端子的状态。
（2）输出锁存器的内容由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容决定，输出映像寄存器的内容是随程序的执行而变化的。
2、映像寄存器状态的掩藏
F1系列可编程序控制器在内部有许多存储单元，按其功能分为输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等，各自都对应着映像寄存器。按照PLC信息处理规则，可编程序控制器在程序运行的每一个周期内，输入映像寄存器的状态与其在程序中的位置无关，在整个工作周期是不变的。而输出映像寄存器及辅助继电器的状态则是与其所处的位置不同而变化的。如果借助一些辅助继电器，把输入映像寄存器的状态暂时记忆下来，待新的循环周期中使用，则有利于鉴别输入映像寄存器状态的变化，这就是映像寄存器状态的掩藏。
如图2所示，图中000～002及400为输入继电器，35为输出继电器，100～102为辅助继电器，000～002通过100～102实现了状态掩藏。在一个新的运行周期中，所有的输入映像寄存器均为新的扫描周期采样所得到的新的结果，而辅助继电器100～102之中，是掩藏的相应的输入映像寄存器上一循环周期的采样结果。程序从第0步开始顺序执行，即便是输入映像寄存器的状态发生了变化，在程序运行到第11步之前，辅助继电器100～102的状态不会变化，只有执行到第11步指令以后，辅助继电器100～102才随000～002的状态而变化。100～102变化以后，又把000～002新的状态掩藏起来，一直保持到下一个周期。

图2　映像寄存器状态掩藏

三、映像寄存器状态掩藏在工程中应用一例
在发电厂、变电所和一些大型生产设备中，一般都装设中央复归重复动作的事故信号和预告信号装置，即被监控的各路工作状态其灯光信号对应到每一路，而音响报警信号则是共用一个，当某一路发生故障时，希望音响信号能够人为地解除，以免干扰技术人员进行事故处理。当个故障报警信号被复归后，如又有另一路发生故障，音响信号能再次启动报警。
在以往的继电器-接触器监控系统中，这种重复动作是采用不对应回路和冲击继电器实现的，仅仅这一功能，就要增加许多的继电器接点和接线，增加了系统的复杂性。而在PLC构成的监控系统中，利用映像寄存器状态掩藏技巧，就可很容易地实现音响报警复归重复动作功能。
如图3所示程序梯形图中，第0～22步为8个保护支路，在被监控的系统运行正常时，保护信号的输入均为“0”，其对应的映像寄存器000～007的内容也均为“0”。当有一路(比如第1路)出现故障时，程序在刷新阶段把映像寄存器000刷新为“1”，其余均同系统正常时的情况。在程序执行阶段，程序将按顺序逐条执行，当执行到第0步时，因为映像寄存器000为新的状态“1”，辅助继电器100为原来的掩藏状态“0”，所以音响报警输出端子对应的映像寄存器35被置为“1”，为报警做好了准备；执行到第26步以后时，辅助继电器100被置为“1”，为解除音响创造条件。程序顺序执行完以后集中进行输出刷新，报警信号通过输出端子启动音响设备报警。

图3　能复归重复动作梯形图

在新的扫描周期，由于故障的存在和前一个扫描周期的结果，000和100均为“1”，但在这里采用的是一条置位指令，所以，只要没有新的操作，报警一直进行到解除为止。
当需解除音响时，按下音响解除按钮，输入刷新阶段映像寄存器400被置为“1”，程序执行到第23～25步时，映像寄存器35被清零，待到输出刷新时音响停止。至此，虽然故障没被排除，其映像寄存器000仍为“1”，但映像寄存器35已被清零，从而达到音响复归的目的。
在上一个故障报警被解除以后，如果又出现一个新的故障，仍然可以按照上述的过程报警和复归，从而实现了音响重复动作。
四、小结
由PLC辅助继电器对输入映像寄存器状态进行暂时掩藏，比较前后两个周期输入映像寄存器状态的变化，形成一个脉冲指令，以代替冲击继电器利用电流变化率实现的效果，不需要增加任何设备，结构简单、性能可靠，是一种较为理想的方法。