西门子6ES7277-0AA22-0XA0接线方法

西门子6ES7277-0AA22-0XA0接线方法

一、高可性

1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

2.各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

3.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

4.采用性能优良的开关电源。

5.对采用的器件进行严格的筛选。

6.良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可行性更进一步提高。

二、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

三、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

四、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

五、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

四十多年来，PLC已成为实现工业控制的中坚力量。它的功能不断完善，应用领域不断扩大，对于工业控制技术的进步与社会发展所发挥的作用无可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年。PLC虽然有着它固有的优势，但面对客户需求的不断变化，PLC要想生存，就必须突破传统模式，积极求新求变以适应新的市场发展。而具有优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。所谓嵌入式PLC是指采用SoC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并能用IEC61131-3的标准编程语言编程的PLC.随着高性能的ARM嵌入式微处理器的发展，笔者设计了新微型嵌入式PLC.本文介绍了嵌入式PLC的体系结构，包含其硬件设计和软件设计方案。

1嵌入式PLC的硬件结构设计

1.1微控制器芯片的选取

CPU是PLC的核心，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。本设计选用的是Philips公司生产的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持实时和跟踪的CPU芯片，它带有256kB嵌入的高速Flash存储器，16kB片内SRAM.LPC2294采用144脚封装、具有较低的功耗以及多达112个通用I/O口，9个边沿或电平触发的外部中断引脚，较大为60MHz的工作晶振，多个32位定时器，PWM单元，实时时钟和看门狗，转换时间低至2.44μs的8通道10位ADC、4路高级CAN接口，另外具有2路UART（16C550），高速I2C（400kbit/s）及2路SPI总线。LPC2294丰富的硬件资源和完善的功能使这款微控制器特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线等场合。

1.2硬件系统的整体结构

本系统以ARM芯片LPC2294为CPU，设计为14路PNP型输入、10路继电器输出的基本模式。硬件总体结构包括：

电源及复位模块、ARM微控制器、Flash存储器扩展模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS485接口及CAN接口通信模块等。

1.2.1开关量输入输出接口电路

此部分电路为R、C组成的一阶滤波电路，防止外部干扰信号进入系统中。输入端外接的输入控制开关信号（直流24V）通过输入点10.0经限流电阻输入到光电耦合器（PC816）的输入端，M为输入点10.0~10.7的公共输入端。因P0.23口被设置为输入模式且口线内部无上拉电阻，所以需要外接上拉电阻，防止口线悬空。当10.0输入端为24V时，光电耦合器中的光敏二极管导通，光敏晶体管输出端被拉为低电平，指示该路输入状态的LED被点亮，P0.23被置为低电平。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为1.10.0输入端为0V时，P0.23为高电平，当CPU访问该路信号时，则将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为0.其余各个输入点所对应的电路及工作原理均相同。

继电器输出模块图，图中并联在继电器线圈两端的二极管这里起续流作用。该模块的工作原理如下：当内部输出过程映像寄存器为1时，LPC2294端口P1.16输出0，光敏晶体管导通，继电器线圈得电，输出点接通；反之当内部输出过程映像寄存器为0时，端口P1.16输出1，继电器线圈失电，输出点断开。

需要注意的是，当LPC2294的GPIO口初上电时，其输出端口（如本图中的P1.16）的电压不稳定，这样易导致外部继电器误动作而引起外部设备工作不稳定。为此，我们设计了图4电路用来提高继电器输出的稳定性。

这是一个由NE555定时器组成的单稳态电路，其中VCC5.0D端接图3中光电耦合器的集电极。其工作原理为：系统上电初始，2、6管脚电平不能突变，保持为低电平。分析NE555的内部电路可知，此时输出端3管脚输出高电平，电路开始对R、C电路进行充电，随着时间的推移，管脚2、6的电平不断升高，当升至23VCC时，输出端3管脚将翻转至低电平，使三极管导通，VCC5.0D输出5V.这样，系统上电后经过一段时间，I/O口的电平稳定下来之后，光电耦合器才得电开始工作。暂稳态的持续时间tW取决于外接电阻R和电容C的大小。tW等于电容电压在充电过程中从0上升到23VCC所需要的时间，

1.2.2模拟量输入电路设计

先通过电阻R66，将现场传感器输出的电流信号转换为0~5V电压信号进行采集。考虑到抗干扰及对微处理器电路的保护，在转换电路的输出端加了线性光耦HCNR201.

1.2.3串行通讯接口电路设计

为了能与其它工业控制产品兼容，我们设计时采用了RS-485接口标准。为了将TTL电平转换成RS485电平，选用了SP485E收发器。SP485E芯片的速率可高达10Mbps，其较大的特点是在为发送器输出和输入管脚提供了ESD保护电路。

2嵌入式PLC的软件系统设计

嵌入式PLC的软件分为运行系统软件和开发系统软件两部分。运行系统负责对整个系统的管理和对用户程序的编译执行，并保存所有的数据，完成与外界通讯。开发系统面对用户，完成对PLC程序的编辑和转换。

2.1PLC运行系统软件

该系统负责为应用程序分配内存，把该应用程序加载到分配好的内存里，然后开始执行该程序的指令。如果该程序要求位于底层的操作系统提供服务，该运行系统还必须负责处理有关的服务请求。该运行系统是基于嵌入式操作系统μC/OS-II来开发的，选用嵌入式操作系统提高了软件系统的抗干扰性，系统的可靠性及应用软件的开发效率，缩短了开发周期。μC/OS-II的移植的主要工作是修改与ARM处理器相关部分的代码，它们集中在3个文件中。

①OS_CPU.H文件该文件包含了用#define定义的与处理器相关的常量、宏和类型定义。文件中这些数据类型的定义如下：

typedefunsignedcharBOOLEAN;

typedefunsignedcharINT8U;

typedefsignedcharINT8S;

typedefunsignedshortINT16U;

typedefsignedshortINT16S;

typedefunsignedintINT32U;

typedefsignedintINT32S;

typedeffloatFP32;

typedefdoubleFP64;

typedefunsignedintOS_STK;

与ARM7体系结构相关的一些定义如下：

#defineOS_CRITICAL_bbbbbb2

__swi（0×00）voidOS_TASK_SW（void）；

__swi（0×01）void_OSStartHighRdy（void）；

__swi（0×02）voidOS_ENTER_CRITICAL（void）；

__swi（0×03）voidOS_EXIT_CRITICAL（void）；_

_swi（0×40）void*GetOSFunctionAddr（intIndex）；

__swi（0×41）void*GetUsrFunctionAddr（intIndex）；

__swi（0×42）voidOSISRBegin（void）；

__swi（0×43）intOSISRNeedSwap（void）；

__swi（0×80）voidChangeToSYSMode（void）；

__swi（0×81）voidChangeToUSRMode（void）；

__swi（0×82）voidTaskIsARM（INT8Uprio）；

__swi（0×83）voidTaskIsTHUMB（INT8Uprio）；

/*上述函数需在移植文件OS_CPU.H中将其声明。

*/#defineOS_STK_GROWTH1

此代码段中的OS_ENTER_CRITICAL（）函数和OS_EXIT_CRITICAL（）函数实现打开和关闭处理器的功能。

②OS_CPU_C.C文件该文件中的任务栈结构初始化函数OSTaskStkInit（），必须根据移植时统一定义的任务堆栈结构进行初始化。另外还有9个系统规定的钩子函数必须声明，但可以不包含任何代码，这些钩子函数在本移植中全为空函数。

③OS_CPU_A.S文件的移植共包括4个函数：多任务启动函数中调用的OSStartHighRdy（）、任务切换函数OSCtxSw（）、中断任务切换函数OSIntCtxSw（）、时钟节拍服务函数OSTickISR（）。

至此整个μC/OS-II内核移植完成。以后的用户程序都是在这个基础上进行的扩充。

2.2PLC开发系统软件

该系统的主要任务是让用户编写PLC程序，所以还需要设计与该系统相对应的编程平台。编程平台的设计主要包括编程界面的设计、编辑器的设计、转换模块的设计、编译器的设计和通信模块的设计等。

用户在编程平台里编写PLC程序。这里借用FX系列PLC的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C作为编程平台，编程语言可以使用梯形图和指令表。然后通过转换程序把编译后的目标文件转化成C语言。转换程序其实就是一个解释系统，通过逐条翻译编程软件的指令表，生成和处理器指令系统无关的用户指令。使用这样的方式作为上位机编程平台，节省了工作量。

3系统测试

将所设计的PLC软件系统植入基于LPC2294的嵌入式开发平台，与PLC输入输出硬件接口板连接，构成14输入10输出的PLC系统。在上层开发系统中编写相应的PLC梯形图，编译后加载到嵌入式PLC的运行系统中。

按下开关0，相应的LED0被点亮，延时4秒后LED1被点亮。按下开关1，相应的LED2被点亮，同时LED0被熄灭。

由以上的测试效果可以看出原型机的测试与理论分析结果相同，所设计的PLC控制系统硬件、软件及μ-II操作系统的移植达到了期望的控制效果，达到了设计要求。

4结束语

为了便于故障的及时解决，首先要区分故障是全局性还是局部性的，如上位机显示多处控制元件工作不正常，提示很多报警信息，这就需要检查CPU模块、存储器模块、通信模块及电源等公共部分。如果是局部性故障可从以下几方面进行分析。

1．根据上位机的报警信息查找故障。PLC控制系统都具有丰富的自诊断功能，当系统发生故障时立即给出报警信息，可以迅速、准确地查明原因并确定故障部位，具有事半功倍的效果，是维修人员排除故障的基本手段和方法。

2．根据动作顺序诊断故障。对于自动控制，其动作都是按照一定的顺序来完成的，通过观察系统的运动过程，比较故障和正常时的情况，即可发现疑点，诊断出故障原因。如某水泵需要前后阀门都要打开才能开启，如果管路不通水泵是不能启动的。

3．根据PLC输入输出口状态诊断故障。在PLC控制系统中，输入输出信号的传递是通过PLC的I/O模块实现的，因此一些故障会在PLC的1/0接口通道上反映出来，这个特点为故障诊断提供了方便。如果不是PLC系统本身的硬件故障，可不必查看程序和有关电路图，通过查询PLC的I/O接口状态，即可找出故障原因。因此要熟悉控制对象的PLC的I/O通常状态和故障状态。

4．通过PLC程序诊断故障。PLC控制系统出现的绝大部分故障都是通过PLC程序检查出来的。有些故障可在屏幕上直接显示出报警原因；有些虽然在屏幕上有报警信息，但并没有直接反映出报警的原因；还有些故障不产生报警信息，只是有些动作不执行。遇到后两种情况，跟踪PLC程序的运行是确诊故障的有效方法。对于简单故障可根据程序通过PLC的状态显示信息，监视相关输人、输出及标志位的状态，跟踪程序的运行，而复杂的故障必须使用编程器来跟踪程序的运行。如某水泵不工作，检查发现对应的PLC输出端口为0，于是通过查看程序发现热水泵还受到水温的控制，水温不够PLC就没有输出，把水温升高后故障排除。

当然，上述方法只是给出了故障解决的切入点，产生故障的原因很多，所以单纯依靠某种方法是不能实现故障检测的，需要多种方法结合，配合电路、机械等部分综合分析

目前，柔制造系统(FlexibleManufacturingSystem，FMS)，由主控计算机和相关软件进行控制和管理，进行工件的加工及搬运，进而实现多品种变批量和混流方式生产的自动化制造。工业上的柔制造系统的控制功能主要由工业计算机-PLC完成。本文的穿销机械手系FMS系统的一个单元，其主要完成工件的穿销定位功能。

1穿销单元的结构组成

穿销单元的主要功能是通过旋转推筒推送销钉的方法，完成工件主体与上盖的实体连接装配，完成装配后的工件随托盘向下站传送。

1)初始状态：直线传送电机处于停止状态;销钉气缸处于原位(即旋转推筒处于退回状态);限位杆竖起禁行;工作指示灯熄灭。②系统启动运行后本单元红色指示灯发光;直线电机驱动传送带开始运转且始终保持运行状态(分单元运行时可选用与PLC运行/停止同状态的特殊继电器保持直线传送电机的运行状态)2)系统运行期间：①当托盘载工件到达定位口时，托盘传感器发出信号，且确认无销钉信号后，绿色指示灯亮，红色指示灯灭，经3秒确认后，销钉气缸推进执行装销钉动作。②当销钉气缸发出至位信号后结束推进动作，延时2秒后自动退回。③气缸退回至复位状态且接收到销钉检测信号后，进行3秒延时，止动气缸动作使限位杆落下将托盘放行。(若销钉安装为空操作，2秒后销钉检测传感器仍无信号，销钉气缸再次推进执行安装动作，直到销钉安装到位)。④放行3秒后，限位杆竖起处禁行状态，绿色指示灯灭，红色指示灯亮。系统回复初始状态。本站销钉连续穿3次后，传感器还未检测到有销钉穿入，报警器报警，此时应在销钉下料仓内加入销钉。

本文所设计的穿销机械手的PLC的控制电路，可靠性高，抗干扰能力强。经实验验证，完全达到了实际控制要求，其控制方式值得广泛推广、应用。

在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。

一、PLC的发展历程

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，*二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，**采用程序化的手段应用于电气控制，这就是*一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。**电工**（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展较快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

二、PLC的构成

从结构，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

三、CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经**的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

四、I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其较大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受较大的底板或机架槽数限制。

五、电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

六、底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

七、PLC系统的其它设备

1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目**般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2、人机界面：较简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3、输入输出设备：用于*性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

八、PLC的通信联网

依靠**的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越**，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。