西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0选型说明

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PLC主要按扫描方式进行工作，而且是周期扫描方式。 

PLC的*处理器CPU与各外部设备之间的信息交换、用户程序的执行、输入信号的采集、控制量的输出等操作都是按固定的顺序进行的，而且是执行一遍后再执行下一遍，以循环扫描方式进行。 

在正常状态下，从某一操作点开始，按顺序扫描各个操作流程，再返回到这一操作点的整个过程称为扫描周期，所用时间称为扫描周期时间。 

PLC的扫描周期一般包括系统自检、外部设备服务、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新等六个阶段。PLC周期扫描流程框图见图。  

1.系统自检阶段 

PLC的CPU要对系统的有关硬件进行自检。这类工作中的一部分，上电启动后只进行一次，不进入扫描周期;有的部分要周期循环的进行，归入扫描周期内，作为系统自检阶段。 

这阶段的工作还包括对运行监控定时器WDT(Watch Dog Timer)的检查和复位。WDT监控定时器的功能是，通过时间设定来检测整个扫描周期是否有故障。 

首先，由系统或用户对WDT定时器设定一个时间，这个时间与扫描周期时间相对应，略大于扫描周期时间，这个时间称为设定值;WDT定时器还有一个记录当前值的寄存器，它从扫描周期开始计时，一个扫描周期进行完毕后，当前值寄存器记录的当前值就是这个扫描周期时间。运行正常时扫描周期时间小于WDT定时器设定值。在PLC运行的整个过程中，WDT定时器当前值与设定值不断的进行比较。 

进入系统自检阶段，标志上一个扫描周期结束，此时检查监控定时器WDT，若WDT定时器当前值小于设定值，则说明运行正常。在这种情况下，WDT检查后，再对WDT定时器复位，当前值寄存器归零，开始下一周期的计时。 

若由于某些原因，PLC发生了故障，例如程序进入死循环，执行程序时间必然超时，这样，在WDT当前值比设定值小时，扫描循环周期不会进入系统自检阶段，而较终会出现WDT定时器当前值大于设定值的情况，此时WDT发出警告，再配合其他检测信息，系统判断故障性质，若属偶然因素所至，系统能够自动，则复位WDT定时器，循环扫描重新开始;否则，WDT定时器发出故障信号，系统将自动停止执行用户程序，封锁硬件，切断输出，以**设备和人身安全，并对外发出报警信号，等待处理。 

有的PLC的WDT定时器的设定时间是固定的，不允许用户改变;有的允许用户用软件来设定，以适应用户控制程序的需要。 

有的PLC虽然WDT定时器的设定时间是固定的，但指令系统中有WDT复位指令。如果用户程序过长而使周期扫描时间大于WDT定时器的设定时间，会出现非故障停机，为解决这一问题，可以把WDT复位指令插在程序中间，人为地让WDT及时复位而使当前值始终小于设定值而不会发出非故障的故障信号。 

2.外设服务阶段 

在PLC RUN(运行)时，可能通过编程器或**监控器或微机对运行状态进行监视，甚至强迫改变某些存储器的值，或输出某些数据。这就要求PLC与外部设备(编程器、监控器、微机、外部存储器、打印机等)进行信息交换，这就是外设服务。外设服务的时间和次序是确定的，也在周期扫描时间内。 

3.通信服务阶段 

当PLC不是单机控制而是形成控制网络时，PLC与PLC 之间，PLC与上位机之间要进行信息和数据交换，也就是通过通信处理器(通信接口)进行通信联系。这个时间也是固定在周期扫描时间内。在通信服务时间，PLC发出的信息和数据送到通信处理器，并从通信处理器中读取所需数据和信息。当数据交换完成或者通信服务时间到，服务就结束。PLC运行不需要通讯时，通信服务时间就是零。 

4.输入采样阶段 

这是体现PLC周期循环扫描方式重要优点的一个阶段。我们知道，外部输入开关的通断状态改变是随机地，这个改变随时地通过输入接口电路送到输入状态暂存器中，但不能随时地送到输入映像存储器中。 

输入映像存储器中，一位(二进制)存储单元存储一个外部输入开关的状态，通，存“1”;断，存“0”。这里，一个二进制一位存储单元被称为一个“输入继电器”。全部“输入继电器”(或说整个输入映像存储器)，可以称为输入状态表，因为它记录了所有的外部输入开关的状态。 

什么时候把输入状态暂存器中的外部输入开关的状态送到输入映像存储器(输入状态表)中?在输入采样阶段。在这个阶段，PLC把输入状态暂存器中全部的数据，即外部输入开关的状态，不管有没有改变，都同时地(也可以说，一次性集中地)，按外部点地址与内部位的对应关系，读入到内存中的输入映像存储器中，也就是在各输入继电器中存起来。这称为输入采样，也称为输入刷新，刷新输入状态表。输入状态表上所有的值在两次输入采样之间都不改变，不管对应输入点上的开关状态发生变化还是没有发生变化。这样处理的好处，在后面介绍。 

5.程序执行阶段 

这个阶段执行用户程序。从0000步程序开始，按顺序、按要求一条指令一条指令地执行，直到“END”指令出现，程序执行阶段结束。由于是周期循环扫描，所以用户程序也是一个周期从头到尾执行一次，并且，随着周期的循环，不断反复地执行。执行程序就要从内存各类存储器中读数据，进行要求的运算和操作，向有关存储器中写数据。向存储器中写入的数据当然是运算和操作的结果。需要控制外部输出开关量的数据一般由执行输出指令获得，写入到“输出继电器”，即输出映像存储器中。在一次程序执行过程中，程序得到的运算结果，可以马上被后面指令使用;后面程序得到的运算结果，在同一周期内不能被指令使用，但可以在下一周期被指令使用。这样，指令在程序中的前后位置是需要认真考虑的。 

6.输出刷新阶段 

在程序执行过程中，通过输出指令写到“输出继电器”中的“0”、“1”是控制输出接口中的输出开关的，进而控制外部输出器件的通电或断电。“输出继电器”的全体称为输出映像存储器，一个“输出继电器”占据输出映像存储器的一位。输出映像存储器又可看作为输出状态表。在程序执行阶段，执行一次对“输出继电器”的输出指令，就立即把得到的0、1数据写到输出映像存储器的对应位中，执行几次，写几次。也就是说，可以随时地即时刷新输出状态表。但是不能即时刷新输出状态锁存器，即输出状态锁存器的各位不能随时被改写。输出状态锁存器的各位是在输出刷新阶段被统一集中刷新。在这个阶段，CPU把内存中输出映像存储器，也就是输出状态表的内容一一对应地同时转存到输出接口电路的输出状态锁存器中，再经过光耦驱动，刷新输出开关，再使PLC输出口的执行器件的工作状态被刷新，实现PLC的控制目的。 

当远程就地信号为1时，即表示现场的控制柜(箱)上的转换开关打到了远程位置，可进行PLC的自动控制;当其为0时，则表示是现场手动操作。为了实现程序内部的手动自动切换，就像远程就地信号一样，设置一个中间变量，这个中间变量作为程序手动单体设备操作的标志，是由上位机监控程序来赋值的，其值为1时，进行程序的单体设备手动操作;为0时PLC程序进行自动控制。由此可见，每一个自动控制中的设备都是在这两个条件下运行的。 

我们用梯形图来实现一个电机和一个阀门的手自动切换功能，设置如下输入、输出IO标签和中间变量： 

输出：电机启动START 

电机停止STOP 

阀门打开OPEN 

阀门关闭CLOSE 

输入：电机MCC柜远程就地信号RL_M 

阀门控制柜远程就地信号RL_V 变量：电机启动条件A 

电机停止条件B 

阀门打开条件C 

阀门关闭条件D 

电机的上位机手动操作中间变量UP_MAN_M 

电机的上位机手动操作启动UP_START_M 

电机的上位机手动操作停止UP_STOP_M 

阀门的上位机手动操作中间变量UP_MAN_V 

阀门的上位机手动操作打开UP_OPEN_V 

阀门的上位机手动操作关闭UP_CLOSE_V 

使用美国A-B公司用于Logix 5000系列PLC的RSLogix 5000编程软件的梯形图，程序如图1：  

其中(L)为置位指令，(U)为复位指令。这里之所以用置位、复位指令，主要是考虑到启动(打开)条件和停止(关闭)条件可能是脉冲型的(例如上升沿脉冲)，需要保持(注：如果MCC中的控制回路使用了“启动-保持-停止”方式，那么采用脉冲输出比较合适，就像自复位式按钮一样。这里为了简化梯形图程序，没有这样做。有兴趣的读者不妨一试)。电机启动或停止条件是自动控制时的联锁条件，上位机进行手动操作时，自动控制程序不能执行。同样就地操作时，PLC的程序控制也不能执行，程序可以根据需要将此时的电机启动和停止控制信号复位。阀门的控制也是一样。这样各个设备均可根据情况进行自动运行或手动操作。

平心而论，国产的自动化产品已经为“民族产业”这几个字争了不少光，浙大中控、和利时、上海新华等DCS的产品，已经在不少大的行业里站住了脚，让HONEYWELL这样的老牌DCS厂家几乎放弃了中小系统的争夺。虽然，像BP、SHELL这样的大公司的自动化总包（抑或连运行和维护在内）项目，可能只有HONEYWELL、横河这样的公司才有资格和实力做，但是，毕竟还是有许多项目，国内的公司用国内的产品也满可以胜任的，而且，对于这些项目，昔日那些DCS的成员，也很明智地退出了市场，通常，在得知有关的投标信息后，他们会先问一下，“这次招标，有邀请国产公司参加吗？”如果答案是肯定的话，会再问用户，“你们真的有可能会考虑国产的系统吗？”如果答案还是肯定的话，他们通常就不会再参与投标了。

        这样的局面，自然是因为王常力、储健、李培植们的努力，才会为国产DCS系统争来这样的有利局面，虽然在大项目我们还没有竞争力，虽然按照“二八”原则，我们还是用了80%的努力在争取那20%的费劲的市场份额，可能是肥肉都让别人吃了，自己在啃骨头，但毕竟这20%我们基本已经站稳了，那80%，只要我们一直在努力，就像我曾经说过的，“不怕贼偷，就怕贼惦记”，谁又敢说，中国的产品不会继续蚕食、吞噬、**那80%的肥肉份额呢？

        这是DCS的情形，相比较之下，PLC的份额，就汗颜的多了。工控**问我，目前国产PLC的份额有1%吗？我不是很清楚，但我知道，答没有，应该是不会错的。

        至少，在任何一个PLC的项目的招标中，没有哪个国外品牌的公司，不论是SIEMENS，不论是三菱还是日立、安川，不论是LG，还是台达，都不可能因为听说有国产的PLC品牌参加而自动退出竞争的，不论这国产的是德天奥、凯迪恩还是信捷。

        再联想到变频器的市场，虽然中、高压的产品和牵引、提升等**变频器市场还是进口的，但低压的通用变频器市场，用户不再西门子、施耐德、ABB，或者富士、安川、三恳等品牌，国产的，如森兰、安邦信、惠丰、阿尔法、创杰等品牌，已经成为用户的选择之一，甚至是可以选择产品。

        而人机界面产品，E-VIEW，信捷，威伦通，德天奥等品牌，则早已在用户、特别是OEM用户那里确立了品牌地位，SIEMENS，PROFACE，还有那些日本品牌早已从大多数用户的选购单中剔除了。现在，用户对国产的人机界面产品，不是担心性能，而是担心供货能力和售后服务的问题了。

        但是，回到PLC，我们的心情依然回归沉重。前不久，凯迪恩被人机公司收购，虽然从行业并购来看是一件好事，但其中涉及到和利时，也不由得让人担心国人对自己的PLC产品的信心。浙大中自被正泰收购，本来以为借助正泰的庞大的低压电器的销售网络，可以为浙大中自的PLC产品（因为PLC与低压电器往往是共同使用的）开拓一个广泛的销路，结果，不仅没有什么效果，反而使正泰的股东对PLC这个产品没了信心，觉得不如砍掉这个部门，可能对公司的发展更为有利一些。

        深圳市德天奥科技有限公司从2003年就开始进行PLC的研发和市场开拓，也一直在应用，也曾给国内从事自动化产品的公司打了一剂强心针，但不久，就归于平淡，不再吸引人的注意，甚至给人以淡出市场的感觉。实际的情形也确实有这个趋势，但从去年开始，德天奥科技开始进行了不少的扎实的市场工作，“悄悄地进村，放空的不要”，德天奥科技将市场的焦点转向以机械装备为主的OEM市场，取得了不少进展。

        但是，OEM的市场长期是被日本三菱和德国西门子的产品占有主导地位的。其实有些厂家需要的其实是一些低配置的PLC，完全可以用国内生产的，但他们就是要用日本三菱和德国西门子的产品，要让用户改变习惯、观念和配套思路，仅仅靠价格，是很难做通工作的。因为，对于OEM用户来说，自动化产品，只是机械装备的一个部分而已，他们关注的不是机械的自动化水平如何的高，而是整台机械的性能和水平。而一个好的机械设备里，自动化的水平不一定是较**和较高档的优点。因此，德天奥科技针对这一特点，研发生产的直接使用三菱软件的PLC产品，同时世界金融危机到来，节约产品成本，推出了很多直接使用三菱软件的板式PLC产品，给中国以机械装备为主的低端OEM市场带来部分春天。

        这就像在一个好的酒店里，客人是感觉不到有服务员的存在的。但当你需要的时候，他们会很快为你把问题解决了，然后，好象又消失得无影无踪。而不好的酒店里，服务员一会来敲门要打扫卫生，一会儿问要不要洗衣，而真的当你有需要的时候，比如需要加一些茶叶或咖啡，或者需要一个插座或网线的时候，又半天见不到人。在后面一种情况下，即便服务员是以*的茶道水平为您倒茶，或者衣服洗得十分干净，你也会觉得不舒服。

        其实，在工厂里，自动化系统也是这样。一个自动化系统运行得很好的工厂，无论是操作人员还是管理人员，是不会感受到自动化系统的存在的。你看到的只是所需要的生产数据，如压力、温度、速度、流量，或者产量数据，这些数据你可能是在现场的操作台上看到的，可能是在管理者的办公室的电脑上看到的，你平时，不会觉得有一个自动化系统在工厂里忙碌地运行着。而一旦生产过程出现问题，如果自动化系统设计和工作良好的话，你可以得到你所需要的所有的数据，来分析问题的原因，而依然不会发觉其实这些数据都是自动化系统提供给你的。

        但是，在一个自动化系统设计或实施得不好的工厂里，你会经常感觉到自动化系统的存在。某个传感器坏了，信号上不来；某个软件运行不正常，导致机器出现了故障，某个阀门或开关在不该动作的时候动作了，导致事故的发生；等等。你想通过改进流程，来提高产量，却发现现有的自动化系统无法支持；生产线经常出现某种故障，导致的产品的成品率下降，想改进的时候，却发现自动化系统做不了任何事情。当负责人召集负责电气、仪表或者自动化的人来的时候，他们只会告诉你用的什么样的处理器，用的多快的网络通讯速度，用了什么样的高精度的仪表，等等，但就是无法告诉你怎样解决这个问题。

        在许多大的制造企业里都成立了专门的自动化部，但这些自动化部的人们，则将绝大部分精力都放在了自动化系统的本身的改进，重点提高自动化系统内部的性能，由于自动化系统所涉及的技术含量较高，也给它蒙上了一层神秘的面纱。

        其实，自动化这个问题，从它的较开始的产生，到现在的广泛应用，再到今后的发展，原因只有一个，就是要改善生产的产量和质量。自动化不是目的，只是手段，是提高产量、改进流程的手段。对许多从事自动化的人员来说，这个说法似乎有些抽象，但是，对工厂的人来说，却是十分具体的要求。

        目前，在中国的自动化产品制造商和集成商里，有几个公司能够真正做到从客户的角度来关心自动化的应用呢？其实，对于OEM用户来说，这些客户，并不想知道你用的控制器是多少速度和内存的，也不关心你用的人机界面是多少分辨率的，他们只关心与他们直接相关的事情，我为此归纳了四点：一、提高产量，就是用现有的设备如何生产出更多的产品；二、提高质量，就是如何降低废品和次品率，或者提高产品的质量等级；三、减少设备的故障，保证生产流程的正常，用资本市场的话来说，就是提高固定资产的利用率；四、减少能源和物料的消耗，也就是降。

        做到了以上四点，就工厂来说，其良好目的就是为了提*。做不到上述四点中的任何一点，你的自动化产品即便如花一样美丽，用户也不会有任何兴趣。

        而上述四点要做到，是与自动化系统分不开的，可以说，没有自动化配合根本是办不到的。但是，仅有自动化系统也是不够的，还要和工艺配合。比如，要提高一台印刷机的产量，关键就是要提高转速，要提高转速，不仅电机速度要跟上，相应的控制系统，如PLC的程序也要跟着改动。而提速会带来一系列的问题，比如抖动增加，会导致印刷质量下降，这时，就要对变速箱、收卷机构等机械部分要进行改动，甚至连印刷版辊都要改变，而所有这些改变，都需要自动化系统的配合，而且需要自动化方面的技术提供整体的一揽子方案，否则，在调试的时候，会出现大量的问题，而导致改造的失败。

        但是，如果自动化的技术能够提供一个合理的方案，针对整台机器进行*的改进的话，那么，即便所增加的成本远远大于自动化系统所增加的成本，对工厂来说，依然是很合算的。例如，一台软包装生产线，设备的造价通常在五百万人民币左右，通过将主轴改为无轴系统，再提速20%，大约会增加100万左右的成本，其中自动化部分可能只有30万左右，其余的是机械的改动和试机时需要耗费的原料。但这样的改造成功后，每年可以为工厂增加大约2000万元的产值，带来大约400万元的利润，这笔帐，工厂的老板当然一算就很清楚，如果他了解了这一点，就算你不建议他上自动化系统，他也立马会来找你或找其它的自动化集成商来完成此事。

        但常见的情形是，在上面的软包装生产线的案例中，一个自动化公司为工厂提供了一个大约40万元的改造方案，老板当然很高兴。开始实施后，出现了这样那样的问题，于是一个一个地去解决，不仅耽误了时间，而且效果也不好。由于自动化公司对机械没有完全掌握，事先没有预料到会出现什么样的情况，因此，解决起来自然也是无从下手。往往过了半年甚至一年，问题还是没有解决，不仅自动化系统的投入看来是扔到了水里，而且光是试机用的纸张，就达到了几十万甚至百万元（印刷机的情况还好一些，如果是机械，一天的材料损失就可能几十万元）。这时，工厂的老板产生不信任甚至是怨恨的心情，当然是很正常的了。