6ES7223-1BF22-0XA8技术介绍

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   PLC控制系统设计与调试的一般步骤

      （一）分析被控对象并提出控制要求

      详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

      （二）确定输入／输出设备

      根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

      （三）选择PLC

      PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。

      （四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

      1.分配I/O点

      画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第２步中进行。

      2.设计PLC外围硬件线路

      画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

      由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

   （五）PLC程序设计

      1. 程序设计

      根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统*的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

      1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

      2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

      3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

      2. 程序模拟调试

      程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

      1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

      2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

   （六）硬件实施

      硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：

      1） 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

      2）设计系统各部分之间的电气互连图。

      3）根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。

      由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。

      （七）联机调试

      联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。

      全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

      （八）整理和编写技术文件

      技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

   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

      依靠先进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显著，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

 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，第二年，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**代可编程序控制器，称Programmable Controller（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Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

      PLC的定义有许多种。国际电工**（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，起神经中枢的作用，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。

      采用2台386PC作为上位机，1台在现场操作室，1台在中央控制室，分别进行本地及远程监视管理，负责对温度、电流实时监测显示，重要信号保留历史曲线、信号报警及报表打印，2台上位机既是操作员站，又可作为工程师站。

3　软件设计

      控制系统软件包分为上位机软件包和下位机控制软件包。
      上位机软件是用SCRENWARE软件工具包开发而成，用于各种监控画面的显示和上、下位机之间的通讯，采用实时动态模式进行显示，并在具体部位显示实时工艺参数，操作人员可根据此实时画面了解有关工艺设备运行情况；控制参数设定画面可完成控制参数的设定和修改；系统状况报警画面实现对各工艺设备故障情况进行声光报警，并输出故障类型、时间等，除此之外，本软件包还具有数据分析、建立历史数据库及定时、随机打印各种报表功能。
      下位机软件包采用A2系列PLC自带的梯形图法和语句法编写而成，软件程序框图及清单略。

4　电伴热过程检测

      按照熔盐炉系统工艺流程的要求：系统停车时，确保盐罐电伴热保温180℃以上；系统启动时，确保盐罐及盐管路和盐阀电伴热保温在180℃以上（依工艺要求而定），以保证盐泵启动后，熔盐能和回流。一旦电伴热系统发生故障，熔盐凝固将致使整个熔盐炉系统无法运行，造成较长时间的停产事故。设计的特点说明如下：
      （l）将整个盐管路按照、工艺划分为32个控制回路：盐罐13个回路、盐管14个回路、盐阀一个回路、旁通管4个回路。采用A2系列可编程控制器对101个温度测点采集显示，对32个回路直接进行控制；
      （2）本系统考虑到启动时减少对供电系统的冲击，系统启动时，对每一个控制回路，采用分别程控（间隔5-10秒钟）由PLC程控启动，转入运行由PLC进行监测分时调节，减少系统供电负荷冲击；
      （3）本系统的温度检测元件，共选用101支PT100铅电阻温度计，其信号采样方式在系统说明部分有详细介绍；
      （4）电流和电压信号采集是通过电量变换器将互感器的信号转换成4-20mA（0-5V）信号送入PLC。

5　系统说明

      由于本系统中大部分为模拟量信号，分电流和热电阻温度2种信号，电流信号监视各回路三相电是否正常，断、短路报警，但不参与控制；温度信号参与控制，测温元件均为PT100热电阻。针对本系统特点：模拟量多、实时性要求不是很高。在保证控制、监视的基础上，采用32点开关量输出模板进行切换，公共输出接至模拟量采集模板，配合软件编程可实现8路信号通过切换公用一个模拟量模板的通道。可节省大量模拟量模板，从而大大降低了系统成本。下面以温度信号为例说明信号切换采集的实现。接线图如图2所示。
      三线制PT100测温元件的二根线分别接至开关量输出模板AY13三组中相同次序的通道上，AY13三组共可接8个PT100信号，将AY13上三组的公共端分别接至PT100采集模板的**通道的三个端子上（注意：将AY13上接PT100元件两个短路端的组的公共线接至A68RD3通道的B和C端子上），配合程序即可实现8路温度信号公用一个模拟量通道。程序框图如图3所示。
      通过定时接通AY13的相应通道，使得PTI-PT8信号依次与A68RD3的**个通道接通，将每个信号接通时，所采集到的数据保存至相应的地址单元，即可实现多路信号切换采集。在编程时需注意：AY13通道切换后应在延时1个A68RD3处理周期后再读取A68RD3通道中的数据，否则采集的数据将会出现跳变，这是由于A68RD3采样方式分：Sampling、Time averaging 、count averaging3种，A68RD3的采样时间随启用的通道数而不同计算公式为：启用的通道数×40ms； Sam-Pling方式为每个采样周期采一次样，采样值存入相应的缓冲区；Time averaging方式为在*的时间内每个采样周期内的采样值除去较大、较小值后的平均值存入相应的缓冲区；count averaging方式为将经过*次数的采样周期后所采集的采样值平均后放入存入相应的缓冲区。现场实际应用时，为保持数据准确，一般采用后2种方式。
      由于A68RD3通道一经启用，信号处理就会一直进行，A68RD3的一个处理周期为：Time averaging方式为*的时间；count averaging方式为：*次数×启用通道数×40ms。因为该系统采用切换方式，每一信号只在相应时间段内接入A68RD3，如果切换后，延时小于一个A68RD3处理周期，则上一信号的部分采样值将被计入当前处理周期和当前信号的部分采样值一起进行平均输出，造成数据误差，如上一信号和当前信号差别比较大，就会造成数据跳变。特别是如果采用上升沿取值，就会造成数据错误。
      电流信号的采集原理与温度信号的采集原理相同，此处不再多述。