西门子模块6ES7331-7KB02-0AB0详细说明

西门子模块6ES7331-7KB02-0AB0详细说明

可编程控制器（Programmable Controller）简写成 PLC，其中 L为逻辑（Logic）的意思，**台可编程控制器是1969年在美国面世的。经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为较重要、较可靠、应用场合较广泛的工业控制微型计算机。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；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器具有诸多优点：（1）PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。（2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点。（3）PLC控制功能较强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。（4）PLC的扩展以及与外部联接较为方便。所以可编程控制器应用于广播可实现广播的自动开关机，及采集并监控的各个参数，出现异态时报警，有备用还能实现自动倒备份。这样便能实时发现的异常，及时处理，降低停播率，能很好的保证节目的安全、优质播出，并能大大减轻的值班任务。

要用PLC实现广播的自动控制，要全面考虑许多因素，以我开发过的“DX-600中波自动控制系统”为例，我将整个系统设计分为以下四个步骤。

首先要确定PLC的控制及监视范围。分析需要监视的指标，以及需要自动控制的操作，比如入射功率取样、反射功率取样、水位取样、电源取样、开机操作、关机操作、升功率操作、降功率操作等。采样点多少和控制范围的确定依的不同而不同。接着要选择适当的PLC，一方面选择多大容量的PLC；另一方面选择什么公司的PLC以及外围设备。对**个问题，首先要对进行详细分析，把所有的I／O点找出来，包括开关量I／O和模拟量I／O以及这些点的性质。I／O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，电压多大，是采样点还是输出控制点，输出是用继电器型还是用晶体管或是可控硅型。知道这些以后，就可以定下选用多少点和I/O是什么性质的PLC了。对于*二个问题，则有以下几个方面考虑：a、功能方面。b、价格方面。可编程控制器的主机选定后，一般还要选择模拟量采集模块，模块的多少依据模拟量的多少而定。显示设定单元视需要选择与否。在本例“DX-600中波自动控制系统”中，经分析该系统需要17路开关量输出、11路开关量输入、6路模拟量采集，故采用了SIMATIC S7－226型PLC，两快EM－23模拟量采集模块。SIMATIC S7－226支持24路开关量输入，16路开关两输出，每块EM-231支持4路模拟量输入点，两块就相当于8路模拟量输入点，完**满足系统需要，并且为日后的系统扩展升级留有了空间。

2、PLC的I／O地址分配

输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对于软件设计来说，I／O地址分配以后才可以进行编程；对于PLC的外围接线来说，只有I／O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图。I／O地址的分配较好能将类似的信号点分配连续的I／O地址，同时把I／O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。初学者往往不会注重这些，开发过实际项目就会知道这将为以后的维护升级工作带来很大的方便。下图例出了本文实例《DX-600中波自动控制系统》中部分I/O点的表格，供大家参考。

表1

3、监控系统的硬件和软件设计

系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计等。软件系统设计主要指编制PLC监控程序，有些系统还包括上位机程序的编写，比如在本例中就包括上位机程序。硬件系统设计主要是设计出电气控制系统原理图，电气控制元器件的选择等，在这里硬件设计不做详细阐述，主要给大家阐述软件设计的步骤和过程。在PLC程序设计时，除I/O地址列表外，还要把在程序中用到的中间继电器、定时器、计数器（PLC中的软元件）和存储单元以及它们的作用或功能列写出来，以便程序的编写和阅读。下面结合我开发过的“ DX-600中波自动控制系统”具体介绍广播自动控制系统PLC程序的编写及调试。

西门子S7－200CPU的编程软件为 V3.1 STEP 7 MicroWIN SP1。该软件是基于bbbbbbs 的应用软件，它支持32位bbbbbbs95，bbbbbbs98和bbbbbbsNT操作系统。他支持STL编辑器、阶梯图编辑器和 FBD三中编辑器。你可以选择自己熟悉的编辑器。为端子号分配地址是编程的**部，实际编程时为了增加程序的可读性，常用带有实际含义的符号作为编程元件代号，而不是直接用元件在主机的直接地址。例如编程中的“高功率开机”作为编程元件代号，而不用Q0.1。符号表可用来建立自定义符号与直接地址之间的对应，并可附加注释，有利于程序结构清晰易读，以及日后软件的维护更新，在实际的开发中应该注重这点，它往往能起到事半功倍的效果。按监控系统要完成的任务PLC程序可分为三个主要部分：l、广播及附属设备（比如空调等）的自动开与自动关；2、模拟量的采集监控以及开关量的采集监控；3、与上位机通信，实现校时、数据的显示、参数的设置和故障记录等。

1、广播及附属设备的自动开与自动关：要实现的自动开关机，首先必须向PLC提供的开关机时间表，该时间表的存储，应保证当PLC断电的情况下不丢失。所以把它放入数据快可确保数据的稳定。PLC内部有自己的系统日期和时钟，PLC可通过相应的指令读实时时钟和设定实时时钟。PLC内部用8个字节表示日期和时钟，他们都用BCD码表示，从低到高分别表示年、月、日、小时、分钟、秒，*7个字节为0，*8字节表示星期。值得注意的是系统不会检查、核实时钟各量的正确与否，所以在设置时钟和日期时必须确保输入的数据是正确的，还有，不能同时在主程序和中断程序中使用读写时钟指令，否则，产生非致命错误，中断程序中的实时时钟指令将不被执行。在编写自动开关机程序段时，程序应该不断的读取系统时钟，并与数据块中的开关机时间表进行比较，如果与时间表中的时间吻合则执行相应的操作如开机、关机等，在本例中我用READ_RTC指令读出PLC的内部时钟，接着用BCD_I将BCD码的PLC时钟转换为十进制PLC时钟，再拿它与数据区中的开关机时间表比较，如果吻合则执行相应操作。

2、模拟量的采集监控以及开关量的采集监控：模拟量的采集可通过EM231、EM232或EM235模拟量输入输出模块来实现。在本例中采用的是EM231，可通过DIP开关设置模拟量的输入范围，单极性：满量程输入0到10V、分辨率2.5mV；满量程输入0到5V、分辨率1.25mV；满量程输入0到20mA、分辨率5μA；双极性：满量程输入负5V到正5V、分辨率2.5mV；满量程输入负2.5V到正2.5V、分辨率1.25mV，根据实际需要设定响应的档位，如还不能满足则采样点要经过电路或仪器转换成合适的信号。要实现模拟量的监控就必须提供上限和下限，模拟量的上下限应该和开关机时间表一起放入数据快，程序应不断的取的模拟量的值并与数据块中的上下限比较，如果越限则报警或执行相应的操作。开关量的监控相对简单，不需要扩展模块，从PLC取得高低电位后直接可进行判断，有一点值得注意，为了防止干扰，模拟量应取多次的平均值，开关量的检测用延时接通电路。这样能很好的避免误报警和误操作。在本例《DX-600中波自动控制》系统中，模拟量由于开始没有取多次平均值经常出现误报警，开关量也偶尔出现误报警，通过对模拟量多次取平均值、开关量采用10毫秒延迟电路后得到解决。

3、与上位机通信，实现校时、数据的显示、参数的设置和故障记录等：PLC与上位机通信可采用自由通讯协议，自由通信口（Freeport Mode）方式是S7－200PLC的一个很有特色的功能。S7－200 PLC的自由通信，即用户自己定义通信协议，波特率较高为38.4KB/s。它使S7－200 PLC可以与上位 PC机进行通信。PC机的RS－232可通过PC/PPI电缆与 S7－200 PLC连接起来进行自由通讯。与PC连接后，PLC程序可以通过使用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）和接收指令（RCV）对通讯口操作。在自由通讯口模式下，通讯协议完全由用户程序控制，协议的制定依系统不同而不同，在“DX－600中波自动控制”系统中为保证的正确无误，还采用了一种数据校验机制，把要传输的数据块中的各字节做“与”操作，得到的“和”作为校验字节。此种校验方法有简单实用等特点。通过SMB30（口 0）或SMB130（口1）允许自由口模式，而且只有在CPU处于RUN模式时才能允许。当CPU处于STOP模式时，自由通讯口停止，通讯口转换成正常的PPI协议操作。通过与PC的通讯，PLC把采集到的数据发送到PC上位机，这样上位机程序经过响应处理就能实现数据的图形显示。的开关机时间表、模拟量的上下限也能很方便的通过上位来修改，而不必修改PLC程序。PLC的时钟也能通过上位机来设置（校时）。另外，通过上位机还可以定时抄表、记录故障的发生时间、类型，停播的时间等等，方便技术人员维护。上位机程序的编写可通过任一款可视化编程软件如 VB，VC，C++Builder等，建议用C++Builder，它有功能强大，易学等特点。

4、监控系统的调试

系统调试分模拟调试和联机调试。模拟调试可借助于模拟开关和 PLC输出端的输出指示灯进行；需要模拟信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行。调试时，可利用上述外围设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。如果有错
误则修改后反复调试。S7-200不但能在PC机上编程，还可在PC上直接进行模拟调试。联机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。有时PLC也许只有这一台，这时要把PLC安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断电。只对控制电路进行调试即可。通过现场联机调试信号的接入常常还会发现软硬件中的问题，经过反复测试系统后，才能最后交付使用。

本例“DX-600自动控制系统”投入使用后，的确大大减轻了值班任务，而且能及时发现一些人工值班不易发现的故障，通过上位机对的实时数据及故障记录都能很好的保存，供技术人员维护用。

（一）

水厂的自动化系统，采用的结构一般都是以车间为单位设立子站，子站一般采用PLC，它们之间通过专用网络联接，网络中心设备及厂级监控配置的PC放在水厂的中心监控室。这种连接方法的一个缺点是现场的I/O信号线还是要集中拉到PLC子站处，信号电缆经长距离并大量集中在一起，不但大大增加了信号电缆布线的工程量，而且使信号受到干扰的可能性加大，以后系统维护的工作量也相应增大。现在有的PLC系统也在子站PLC下再接一层子PLC，但这种缺点还是没有完全克服。

我们推荐的方案是采用三层的结构方式。首先在水厂厂区范围内布置一套以太网，用于车间子站与中心监控站及其它子站的通讯。当今世界上网络采用以太网的占了绝大多数，以太网的技术飞速发展，已从前几年的10M发展到100M甚至1000M，而且价格也下降得很快。在水厂采用以太网结构，不仅能紧跟世界科技发展的潮流，而且具有很好的性能价格比，与水司的办公自动化网络能很好结合。以太网可以采用的介质有细缆、粗缆、双绞线或光纤，我们建议使用光纤，因为光纤的抗干扰性**、通讯距离长以及升级的方便。

方案以车间为单位设立子站，配置PC连接底层I/O，监控子站范围内的仪表设备的运行及生产过程，并负责与厂级上位机的通讯，还可以通过网络观察其它子站的情况。子站的底层I/O采用基于工业现场总线方式的“分布式智能I/O系统”，通过工业现场网络(通常是采用RS-485串行通讯协议的一对双绞线)将I/O单元分散到工业现场的设备或仪表附近，这样不但大大地削减了现场到I/O之间一一对应的连接导线，节约了自控系统的安装费用，将信号受干扰的可能性降至较低，还使用户在以后的维护、扩展都十分方便。

美国OPTO 22公司的OPTOMUX、MISTIC及SNAP I/O系统就是这样典型的“分布式智能I/O系统”，子站PC通过一条双绞线用串行通讯RS-485方式连接多个OPTO SNAP控制器(连接的方式还可以采用ETHERNET、ARCNET网络通讯方式)；SNAP的控制器再通过一条双绞线RS-485与分布在现场的诸多分布式智能I/O单元相连(连接的方式同样还可以采用ETHERNET、ARCNET网络通讯方式)；分布式智能I/O单元(以下简称‘I/O单元’)是由一个带处理器的I/O接口板加一个模块安装底板构成，底板上可根据需要插上各式各样的I/O模块。

SNAP-LCSX控制器的CPU为32位的Motorola 68EC020芯片，CPU的时钟频率为16.67MHz；SNAP-LCM4控制器的CPU为32位的Motorola 68030芯片，带有IEEE浮点协处理器，CPU的时钟频率为33MHz。I/O单元和处理器负责对I/O进行以微秒为时间单位的扫描和检测，能进行高达20KHz的调整计数、能分辨小到100微秒宽的脉冲宽度；执行模拟量输入、工程单位的转换，PID控制，测量数据的累计、平均、检测较大和较小值等功能(例如热电偶的输入，首先自动进行线性化，再转换成摄氏度或华氏度，再提供给上位SNAP控制器)；对偶发事件有对上位控制器中断的功能。I/O单元执行I/O扫描和其它功能时，并不消耗SNAP控制器的时间，使上位控制器能更有效地完成监控程序运行、响应中断等任务。

如前(一)中所述，OPTO 22分布式智能I/O采用了两级处理器；SNAP控制器执行监控程序运行、响应中断等任务；I/O单元的处理器执行I/O扫描和其它功能，实现了两级并行处理的、先进的工作方式。而在PLC中采用的是一级处理器---PLC的CPU单元，它首先必须顺序扫描所有输入点，运行监控程序，再进行输出，它只是一个顺序控制器；对各种量程的转换需附加变送器，才能输入到PLC中；对模拟量的处理需要在CPU单元中进行。这样当PLC的I/O点数和要处理的功能多一点的话，PLC的*处理器的档次就要升得很高了。当然，有的PLC可配置专用单元进行量程的转换和模拟量的处理，而这种专用单元通常是昂贵的。

PID控制是工业控制中较基础、也是用得较广泛的一种控制方法，它具有较复杂的模型、要求快速的运算。在OPTO 22系统中，PID控制是放在I/O单元上，由其处理器执行，无须上位的SNAP控制器参与。如PID控制增加较多，只需增加与之相对应的I/O单元(一个I/O单元能单独控制8个PID回路)。OPTO 22系统的先进性由此也可见一斑。

OPTO 22系统开放性强，它支持诸如Paragon、Fix、Intouch等流行的软件开发平台，同时也有自己的、功能相当的软件开发平台-----FactoryFloor。OPTO 22的SNAP控制器本身带有RS-232和RS-485串行接口，十分便于与智能化仪表、设备的连接。

FactoryFloor的编程环境是基本于Microsoft bbbbbbs平台，采用直观的流程图填表方式的组态软件，对串行口通讯的ASCII码等通讯功能和一些复杂的算法，很容易就能完成。而且在OPTO 22较低级的控制器上开发的应用软件，可以直接装载到高级的控制器上运行，因此，系统扩充与升级非常容易。OPTO 22公司在SNAP的基础上又推出了(在世界范围内的工业控制领域中还是**次)使用以太网和“TCP/IP”协议方式通讯的I/O系统。通过网络与上位机进行高速的数据通讯，甚至通过Internet也可以I/O进行监控。


(三)

在介绍了OPTO 22系统的特点后，很自然会关注一个问题：它的价格？相对PLC而言OPTO 22在价格上也比较便宜。以下是OPTO 22与三家*PLC厂家的价格比较：以1998年10月美国本土的公开报价为基础配置64个开关量、20个模拟量、2个串行口为例 ---- MODICON的“COMPACT 984”为US$10,472(其中硬件价格为US$8,141)；SEIMENS的“S7-300”为US$13,121(其中硬件价格为US$6,131)；ALLEN-BRADLEY的“SLC-504”为US$15，840（其中硬件价格为US$10，840）OPTO 22的“SNAP”为US$5,188(其中硬件价格为US$4,839)。除了MODICON的I/O提供十八个月的保修期外，其它两家都只提供一年的保修期，而OPTO 22的I/O模块则提供终身保用。从软件费用看，FactoryFloor的基本价格为US$349，每安装一台PC增加US$90的费用。这样，一个水厂的自控系统花在软件开发平台方面的费用通常不会**过US$1500。总之，OPTO 22是一套性能价格比非常优秀的自控系统