西門子S7-300DI模塊6ES7 321-1EL00-0AA0

西門子S7-300DI模塊

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隨著PLC在工業控制中的推廣普及，PLC產品的種類越來越多，其結構型號、性能、容量、指令系統、編程方法等各不相同，適用場合也各有側重。因此，合理選擇 PLC，對于提高PLC在控制系統中的應用有著重要作用。

    （二）歐姆龍（OMRON）PLC在石油加工工業中的應用

    在石油加工工業中，大型旋轉機組是裝置設備的重要組成部分，重油催化裂化氣壓機組的聯鎖-自保系統從滿足工藝生產需求出發，考慮到安全性、可靠性、經濟性、可擴展性等因素，采用了OMRON公司生產的CPM2AH型PLC進行系統構建，CPM2AH自帶I/O接口，可以接36點輸入，24點輸出，輸出形式是繼電器，并且通過RS232C串口與PC機通訊，使生產過程表現穩定，動作可靠，在事故狀態下對機組及生產裝置實行了自我保護，杜絕了惡性事故的擴大和蔓延，取得了顯著的效果。6ES7 321-1EL00-0AA0

可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC西門子S7-300DI模塊6ES7 321-1EL00-0AA0
2、PLC的基本結構
PLC實質是一種于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：
a. *處理單元(CPU)
*處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，zui后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。
為了進一步提高PLC的可*性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。
b、存儲器
存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。
存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
C、電源
PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。
3、PLC的工作原理
一. 掃描技術
當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。
(一) 輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
(二) 用戶程序執行階段
在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
(三) 輸出刷新階段
當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。
比較下二個程序的異同：
程序1：
程序2：
這兩段程序執行的結果*一樣，但在PLC中執行的過程卻不一樣。
※ 程序1只用一次掃描周期，就可完成對%M4的刷新；
※ 程序2要用四次掃描周期，才能完成對%M4的刷新。
這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區別了。
一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執行、輸出刷新等所有時間的總和。
二. PLC的I/O響應時間
為了增強PLC的抗*力，提高其可*性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。
為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術)。
以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。
所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。其zui短的I/O響應時間與zui長的I/O響應時間如圖所示：
第(n-1)個
掃描周期
zui短I/O響應時間：
zui長I/O響應時間
SIEMENS PLC在中國的產品，根據規模和性能的大小，主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三種，下面就簡單介紹一下該三種產品的一些特性。
S7-200
針對低性能要求的摸塊化小控制系統，它zui多可有7個模塊的擴展能力，在模塊中集成背板總線，它的網絡聯接有RS-485通訊接口和Profibus兩種，可通過編程器PG訪問所有模塊，帶有電源、CPU和I/O的一體化單元設備。
其中的擴展模塊（EM）有以下幾種：數字量輸入模塊（DI）——24VDC 和 120/230VAC；數字量輸出（DO）——24VDC 和 繼電器；模擬量輸入模塊（AI）——電壓、電流、電阻和熱電偶；模擬量輸出模塊——電壓和電流。  還有一個比較特殊的模塊-通訊處理器（CP）——該塊的功能是可以把S7-200作為主站連接到AS-接口（傳感器和執行器接口），通過AS-接口的從站可以控制多達248個設備，這樣就可以顯著的擴展S7-200的輸入和輸出點數。

    六、結束語

    隨著科技的不斷進步，PLC的種類日益繁多，功能也逐漸增強。文章中盡管歸納了一些選用PLC的方法，但在實際工作中還一定要依據實際情況做出適當的調整，以便設計出滿足期望的工業控制系統。

   可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機控制器的基礎上發展起來的微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。從廣義上講，PLC是一種計算機系統，比一般計算機具有更強的與工業過程相連接的輸入輸出接口，并已成為自動化控制系統的基本裝置。PLC已經廣泛應用于機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業中，已基本取代了傳統的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來控制系統設備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC本身而言，平均*時間一般已可達3~5萬小時；而三菱的F系列，據稱其平均*時間已達30萬小時。所以，整個PLC控制系統的可靠性，主要取決于PLC的外圍設備，比如輸入器件中的行程開關、按鈕、接近開關，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監控的程序，對提高系統的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統的可靠性進行一些探討。

    1、從PLC的外圍設備來考慮提高PLC的可靠性

    PLC是專門為工業生產環境而設計的控制設備。當工作環境較為惡劣，如電磁干擾較強、濕度高、電源、輸入和輸出電路等易受到干擾時，會使控制系統的可靠性受到影響。

    1.1 工作環境的要求

    除了為特殊工作環境而設計的PLC外，一般PLC工作的環境溫度應在0~55℃的范圍，并要避免太陽光直接照射；安裝時要遠離大的熱源，保證足夠大的散熱空間和通風條件；空氣的相對濕度應小于85%，不結露，以保證PLC的絕緣良好。PLC應避免安裝在有振動的場所；對振動源允許的條件則應按照產品說明書的要求，安裝減振橡膠墊或采取其他防振措施。空氣中有粉塵和有害氣體時，應將PLC封閉安裝。

    1.2 電源的要求

    不同的PLC產品，對電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數和輸入輸出的供電方式等。

    對電磁干擾較強、而對PLC可靠性要求又較高的場合，PLC的供電應與動力供電和控制電路供電分開；必要時，可采用帶屏蔽的隔離變壓器供電、串聯LC濾波電路等。在設計時，外接的直流電源應采用穩壓電源，供電功率應留有20%~30%的余量。對由控制器本身提供的直流電源，應了解它所能提供的zui大電流，防止過電流造成設備的損壞。

    1.3 接地和接線

    1) PLC的良好接地是正常運行的前提。在設計時，PLC的接地應與動力設備的接地分開，采用接地；如不能分開接地時，應采用共用接地；禁止采用共通接地方法。如圖1所示，接地點應盡可能靠近PLC，接地線的線徑應大于4mm²，接地電阻一般應小于10Ω。

圖1 接地方法

    2) PLC的接線包括輸入接線和輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時，可采用中間繼電器進行信號的轉換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應分開設置。必要時，可在現場分別設置接線箱。集成電路或晶體管設備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應為一點接地，接地點宜在控制器側。

    1.4 冗余設計和降級操作設計

    1) 對可靠性要求較高的應用場合，冗余設計和降級操作是必要的。冗余設計可采用熱后備或冷后備方式。熱后備方式操作時，冗余的后備系統也同時運行，兩者輸出的結果*時，表示系統是正常運行的；一旦結果不*，則發出警報信號，同時，根據自診斷的結果，切換到正常的系統去。冷后備方式操作時，冷后備系統不運行，它在自診斷檢測出運行系統故障后才切入后備系統。對PLC來說，冗余系統的范圍主要是CPU、存儲單元、電源系統和通信系統，只有在可靠性要求很高時，才會包括輸入輸出單元的冗余等。

    2) 降級操作是指在設計時，將手動操作包括在內的設計。例如，緊急停車的設計，關鍵設備的開停和再啟動功能的設計等。這樣，一旦發生故障，可采用降級的操作，即對部分或全部設備進行手動的開停操作，以避免設備的損壞或對人員的傷害。此外，在設計中也可考慮從全自動到半自動、直至手動的操作等。

    1.5 PLC的I/O電路

    1) 由于PLC是通過輸入電路接受開關量、模擬量等輸入信號，因此輸入電路的元器件質量的好壞和連接方式直接影響著控制系統的可靠性。比如：按鈕、行程開關等輸入開關量的觸點接觸是否良好、接線是否牢固等。設備上的機械限位開關是比較容易產生故障的元件。在設計時，應盡量選用可靠性高的接近開關代替機械限位開關。此外，按鈕的常開和常閉觸點的選擇也會影響到系統的可靠性。現以一個簡單的起動、停止控制線路為例，如圖2和圖3所示的是兩個控制線路和它們的對應梯形圖。這兩個控制線路的控制功能*一樣，按下起動按鈕，輸出動作；按下停止按鈕，輸出斷開；但它們的可靠性不一樣。我們假設輸出斷開為安全狀態，那么圖3的可靠性要比圖2的高。這是因為SB1、SB2都有發生故障的可能，而zui常見的現象是輸入電路開路。當采用圖3電路時，不論SB1、SB2開關本身開路還是接線開路，輸出都為安全狀態，保證了系統的安全和可靠。

圖2 起、停控制線路                        圖3 起、停控制線路

2) 在輸入端有感性負荷時，為了防止反沖感應電勢損壞模塊，在負荷兩端并接電容C和電阻R（交流輸入信號），或并接續流二極管D（直流輸入信號）。如圖4所示：交流輸入方式時，CR的選擇要適當才能起到較好的效果。通過實驗裝置的測試，當負荷容量在10VA以下，一般選0.1μF+120Ω；負荷容量在10VA以上時，一般選0.47μF+47Ω較適宜。直流輸入方式時，經試驗得二極管的額定電流應選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。

(a) 交流輸入方式                         (b) 直流輸入方式
圖4 輸入端有感性負荷時的方式

    3) 在輸出端有感性負載時，通過試驗得出：若是交流負載場合，應在負載的兩端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V電壓而功率為400VA左右時，CR浪涌吸收器為0.47μF+47Ω，如圖5所示。CR愈靠近負載，其抗干擾效果愈好；若是直流負載場合，則在負載的兩端并接續流二極管D，如圖6所示。二極管也要靠近負載。二極管的反向耐壓應是負載電壓的4倍。

圖5 輸出端交流感性負載                圖6 輸出端直流感性負載

    2、從PLC的軟件程序來考慮提高控制系統的可靠性

    為了提高PLC控制系統工作的可靠性，可以專門設置一個定時器，作為監控程序部分，對系統的運行狀態進行檢測。若程序運行能正常結束，則該定時器就立即被清零；若程序運行發生故障，如出現死循環等，該定時器在設定的時間到就無法清零，此時PLC發出報警信號。在設計應用程序時，使用這種方法來實現對系統各部分運行狀態的監控。如果用PLC來控制某一對象時，編制程序時可定義一個定時器來對這一對象的運行狀態進行監視：該定時器的設定時間即為這一對象工作所需的zui大時間；當啟動該對象運行時，同時也啟動該定時器。若該對象的運行程序在規定的時間結束工作，發出一個工作完成信號，使該定時器清零，說明這一對象的運行程序正常；否則，屬運行不正常，發出報警信號或停機信號。監控程序的梯形圖如圖7所示。圖7中定時器T1為檢測元件，X001為控制對象動作信號，X002為動作完成信號，M2為報警或停機信號。假設被控對象的運行程序完成一次循環需要50s，則定時器K值可取510（T1為100ms定時器）。當X001=1時，被控對象運行開始，T1開始計時；如在規定的時間內被控對象的運行程序能正常結束，則X002動作，M1復位，定時器T1被清零，等待下一次循環的開始；若在規定時間沒有發出被控對象運行完成的動作信號，則判斷為故障，T1的觸點閉合，接通M2發出報警信號或停機信號。

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