西门子模块6ES7223-1PH22-0XA8技术数据

西门子模块6ES7223-1PH22-0XA8技术数据

1 引言
现代化的工厂中，PLC系统作为工业控制的基础设备已经非常普及。在很多工厂应用中，需要对现场采集过来的脉冲信号进行计数。如果使用专用脉冲计数模块，可以采集到高速脉冲信号。但是脉冲模块价格昂贵，在一些采集低速脉冲信号的场合其实可以使用普通的开关量输入模块代替脉冲计数模块。这样可以降低系统成套费用和系统的复杂程度，也提高了系统的可维护性。如果使用普通开关量输入模块代替脉冲计数模块，就存在一个问题:普通开关量输入模块采集脉冲信号的速度的极限是多少？存在哪些制约条件？以下将以AB公司的ControlLogix 1756系列PLC系统为基础，就这个问题谈一些分析。

2 模块响应速度的制约
开关量输入模块要检测到一个脉冲信号，必须能完整地采集到脉冲产生的整个过程，如图1所示，开关量输入模块检测脉冲信号的过程可以分解为三个过程。

图1 开关量模块检测脉冲信号过程

从图1可以看出，开关量输入模块能检测到的脉冲信号至少必须满足以下条件:
(1) 脉冲宽度 t1>T1;
(2) 脉冲周期 t0>T1+T3;
(3) 脉冲间隔 t2>T3。

以AB公司1756-IB16D开关量输入模块为例，其ON时间 = 1,2,or3ms;其OFF时间=4,5,13,or22ms。其不同的ON/OFF时间可以由系统进行配置。在配置快的ON/OFF时间的条件下，可以计算出，1756-IB16D开关量输入模块快可以检测出脉冲宽度为1ms，脉冲周期为5ms的脉冲。如果脉冲宽度增加几个毫秒，脉冲周期就相应增加几个毫秒。结论如下:理想的情况下，1756-IB16D开关量输入模块可以分辨速度低于200个/秒、脉冲宽度大于1ms的脉冲信号。

3 PLC系统扫描时间的制约
PLC的工作原理是分时扫描，PLC的一个完整扫描周期包括全部I/O更新一次的时间和PLC程序执行一次的时间。PLC系统的扫描时间和系统网络情况、远程站的数量以及PLC的CPU模块信号有关。如果现场开关量输入模块检测出的脉冲信号在一个PLC扫描周期内大于1个，PLC系统将不能正确反映现场脉冲的数量。

PLC系统对开关量输入模块检测信号判断的详细分析如图2。

图2 PLC系统对开关量输入模块检测信号的判断

PLC系统通过扫描更新I/O信息，假设在时刻0、t1、t2、t3，PLC系统扫描到信号源处，由图2可以看出:

(1) 对于脉冲信号1，PLC系统没有检测到任何脉冲信号。可以得到结论:如果脉冲信号脉冲周期T1<PLC扫描周期T，PLC系统将不能检测出正确的脉冲数量。

(2) 对于脉冲信号2, PLC系统同样没有检测到任何脉冲信号。这是因为脉冲信号2的脉冲宽度T0<PLC扫描周期T, 脉冲信号的变化有可能发生在一个PLC扫描周期T之内。

(3) 对于脉冲信号3，脉冲信号的脉冲宽度T0>PLC扫描周期T，脉冲周期T1-脉冲宽度T0<PLC扫描周期T，PLC系统未能检测到个信号的消失，此时，PLC系统仍然未能检测出正确的脉冲数量。

(4) 对于脉冲信号4，脉冲信号脉冲周期T1>PLC扫描周期T，脉冲周期T1-脉冲宽度T0>PLC扫描周期T，PLC系统能检测出正确的脉冲数量。

对于一个使用AB公司的ControlLogix 1756-L55系列的CPU模块，远程I/O通讯模块选用ControlNet模块1756-CNBR，系统I/O总点数为2000点，远程I/O站数量为6个的中型系统来讲，一个PLC扫描周期约为40~70ms。因此对于本系统来讲，能可靠检测的脉冲信号脉冲宽度应大于70ms，个脉冲信号结束至第二个脉冲信号发出的小时间间隔应大于70ms。

4 结束语
，如果使用普通开关量输入模块代替脉冲计数模块，对脉冲输入信号的制约条件主要是PLC系统的系统扫描时间。对于AB公司的PLC系统来讲，对于脉冲宽度>70ms，个脉冲信号结束至第二个脉冲信号发出的小时间间隔大于70ms的脉冲信号是可以可靠接收的。对于其他品牌的PLC系统来讲，其基本工作方式与AB公司的PLC系统是一致的，因此，这个结论也同样适用。对于不满足上述条件的脉冲信号，就必须考虑专用脉冲计数模块了。

1 引言
      PLC由于具有功能强、程序设计简介，维护方便等优点，特别是高可靠性、较强的适应恶劣工业环境的能力，已被广泛应用于自来水行业。但由于现场环境条件恶劣、湿度高、以及各种工业电磁、辐射干扰等，会影响系统的正常工作,因此必须重视工程的抗干扰设计。
      水厂应用中的PLC所受的干扰源主要有电源系统引入的干扰、接地系统引入的干扰和输入输出电路引入的干扰三类。如果PLC的干扰问题解决得不好，系统将无法可靠运行，将会影响到正常供水。因此，有必要对PLC应用系统中的干扰问题进行探讨。主要本文分别讨论PLC的三种抗干扰技术。

2 抗干扰的技术对策分析
      为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是基本和重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。
2.1 电源系统引入的干扰
      电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。
(1) 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。
      设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。
      为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。
(2) 分离供电系统
      PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图1所示。

图1 分离供电系统图

2.2 抑制接地系统引入的干扰
      PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式好，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
      实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。

2.3 抑制输入输出电路引入的干扰
      为了实现输入输出电路上的完全隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的有效措施之一。光电耦合器具有以下特点:首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。
    由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，因此，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。
    (1) 光电耦合输入电路如图2所示。其中图2(a)、图2(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图2(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的优越性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100~200m，图2(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，所以加接一级晶体管作为功率放大，需要注意的是图中发光二极管和光敏三极管应分别由两个电源供电，电阻值视电压高低选取。
    (2) 光电耦合输出电路如图3所示。为了得到和输入同相的信号，可以采用图3(a)形式。若要求输出和输入反相，可以接成图3(b)形式。当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，其接法如图3(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。

图2 光电耦合输入电路

图3 光电耦合输出电路

以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。

1 引言
      电厂出灰系统是热电厂的一个重要系统。近几年灰渣利用率越来越高,同时干式出灰系统具有节约水资源、保护环境等特点，因此目前电厂出灰多采用干式出灰系统。在干式出灰系统中，工况恶劣、控制点数多。传统的控制系统由于抗干扰能力弱、可靠性差、效率低，达不到预期的控制目标。而可编程逻辑控制器(PLC)的抗干扰能力强、可靠性高，选用可编程控制器(PLC)用于某热电厂锅炉干式出灰系统可以显著提高工程的实用性。

2 工艺流程及控制要求
2.1 系统工作流程
      某热电厂共有八台锅炉，每台锅炉包括三个电场集尘装置，每个电场包括一组(两个)仓泵，每个仓泵附近配置一个就地控制箱,利用控制箱盘面上的手动开关，可以对现场阀门进行手动操作和现场调试。下面以单个仓泵为例来说明具体的工艺流程。
      锅炉烟气中的灰尘通过电收尘收集后落入灰仓，灰仓下部安装有仓泵，灰经输灰管进入仓泵。在自动控制运行工况下，具体工艺流程为:仓泵内无灰时，打开透气阀→延时5s→开进料阀→延时5s→当仓泵进料量达到设定值(时间/重量/人工)时→料位信号到→关闭进料阀→延时5s→关闭透气阀→此时判断母管压力是否到位/判断灰管压力是否到位/判断在此系统中没有其它仓泵出灰，所有条件满足→打开出料阀→延时5s→打开一次气阀→延时5s→打开二次气阀1min后→检查灰管压力，当灰管压力低于设定值时→关闭一次气阀→延时20s后→关闭二次气阀→关闭出料阀完成一次出灰循环。
      当发生出灰管路堵塞时，系统设置了排堵阀，通过负压反抽来疏通出灰管路。关闭一次气阀后，延时20s后关闭二次气阀。目的是保证出灰管路畅通，避免发生管路堵塞。每台仓泵的出灰系统如图1所示。

图1 出灰系统流程示意图
2.2 控制要求
(1) 实现出灰的过程自动化，为便于操作调整及应急处理，应能随时切换到手动控制状态;
(2) 当操作室内的“远程/就地”开关打到“就地”位置时，自动停止出灰;
(3) 仓泵的进料重量和进料时间双重控制，进料重量或进料时间任意一个达到要求都作为仓泵料满对待;
(4) 同一出灰管线上只能有一个仓泵出灰，一电场用一根出灰管，先满足出灰条件的优先出灰，二、三电场共用一根出灰管，先满足出灰条件的优先出灰;
(5) 当发生灰管堵塞后(灰管压力大于550KPa)，报警指示灯发出声光报警，直至灰管堵塞故障排除;
(6) 当来气母管压力小于400KPa时，系统自动停止运行。

3 控制系统构成
      本系统选用西门子公司的S7-300型可编程控制器和MT500型触摸屏人机界面。MT500型触摸屏直观生动地显示PLC、PC机上的数据信息。S7-300是模块化中型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。该控制系统主要由主控制柜、现场控制箱、若干测量传感器和辅助电器(称重传感器、压力传感器、电磁阀等由生产厂家配套供给)等组成，具有仓泵运行远程自动、远程手动、现场手动三种控制方式，控制方式的转换由设置在主控制柜上的转换开关完成。开关切换至自动位置时，点击要使用的仓泵画面，可选择其中一种方式。
S7-300系列PLC作为西门子公司的新一代产品，具有以下特点:
(1) 功能强:极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMATIC NET联网能力强;
(2) 快速:指令处理极其快速，功能强大的CPU只需0.3ms就可处理1024个二进制语句，在文字处理方面也同样表现出色;
(3) 通用:高性能模板和六种CPU适用任一场合，模块可扩至3个扩展机架，用户友好的bbbbbbS STEP7编程;
(4) 全集成:全部模块化，运行可靠，操作方便，特别适合于比较恶劣的工况。本系统PLC由电源模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块和中央处理单元组成。控制系统组成框图如图2所示。

图2 出灰控制系统图

4 软件设计
4.1 系统界面设计
      系统界面分系统主画面与系统操作画面。在系统主画面中，可以选择要操作的仓泵和要启停的系统。
在操作画面中，运行人员可观察每个仓泵的运转情况，也可对每个仓泵进行远方操作或根据运行工况对系统的参数进行修正，以保证系统的正常运行。故障发生后，可以在操作画面进行故障的处理。系统的操作画面如图3所示:

图3 操作画面
4.2 系统程序设计
(1) 在系统程序设计中，为防止在自动运行状态下，由于灰量大或别的原因使出灰过程受阻，引起灰管压力上升慢，给系统造成仓泵内灰已出完的假象，从而导致系统判断失误。为避免系统操作引起堵管，在程序中设置了一分钟的延时时间，在出料阀打开一分钟后再检测灰管的压力，给出灰过程的顺利进行提供可靠的保证。
(2) 为防止过程参数的影响，特设定了出料时间和进料时间。为防止重量信号出现故障而使控制系统一直处于进料状态，引起仓泵灰满特设定进料时间，无论重量信号有无达到设定值，都将停止进料。另外由于灰管压力不只受出灰过程的影响，而且还受来气母管压力的影响，当来气管压力升高时，会造成出灰过程顺利，灰已全部出完，但灰管压力长时间下降不到给定值。因此在程序设计中增加了出料时间，当出料时间大于8min时，系统就自动停止出灰，进入下轮循环，有效地避免了系统长时间不出灰的状况。
(3) 当系统的来气压力低于额定值400kPa或灰管压力高于给定值(550kPa)时系统自动停止运行，因为此时灰管易出现堵管现象，为防止事故的进一步扩大。系统会自动出现报警，正在运行的系统会立即停下来，所有的阀门自动关闭。此时将系统切换至远程控制排堵。