西门子6ES7321-1FF01-0AA0型号规格

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1 引言
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的较有效、较便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。
2 PLC系统设备选型
PLC较主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
目前市场上的PLC产品众多，国外**品牌有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产品牌有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。
2.1 确定PLC 控制系统的规模
依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。
小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。

中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。
大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制



2.2 确定PLC I/O 点的类型

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。



2.3 确定PLC编程工具

（1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。

（2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。

（3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率较高的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中高档PLC系统的硬件组态和软件编程

3 PLC控制系统的设计

PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

3.1 PLC控制系统的硬件设计

硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。

（1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。

PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。

（2） PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应可以选择继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

当PLC扫描频率为10次／min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。

对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。

对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。

（3） PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式:

隔离:由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1**隔离变压器，并将中性点经电容接地。

屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。

布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆



3.2 PLC 控制系统的软件设计

在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的较关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。

（1） PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。

基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。

模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。

（2） PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。

程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。

在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。
彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。

（3） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。
PLC各种触点可以多次重复使用，*用复杂的程序来减少触点使用次数。

同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。

如果要使PLC多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。

对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。

模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。


4 PLC控制系统程序的调试

PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。

4.1 I/O端子测试

用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常;反之，应检查接线或者是I/O点坏。

我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。

4.2 系统调试

系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。

把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行:

（1） 对每一个现场信号和控制量做单独测试;
（2） 检查硬件/修改程序;
（3） 对现场信号和控制量做综合测试;
（4） 带设备调试;
（5） 调试结束。

5 结束语

PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。 

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化等各个行业。plc是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证plc的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。

一．使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC较基本、较广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用**的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行**的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

    二、工作环境及安装与布线

    1． 温度

    plc要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足

    够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境**过55℃，要安装电风扇强迫通风。

    2． 湿度

    为了保证plc的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

    3． 震动

    应使plc远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避

    免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

    4． 空气

    避免有腐蚀和易燃的气体，例如、等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将plc安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。

    5． 电源

    plc供电电源为50hz、220（1±10%）v的交流电，对于电源线来的干扰，plc本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接lc滤波电路。fx系列plc有直流24v输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24v电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使plc接收到错误信息。

    1． 动力线、控制线以及plc的电源线和i/o线应分别配线，隔离变压器与plc和i/o之间应采用双胶线连接。

    2． plc应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

    3． plc的输入与输出较好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

    4． plc基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。

    5． 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

    三、i/o端的接线

    1． 输入接线

    （1）输入接线一般不要**过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。

    （2）输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。

    （3）尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

    2． 输出连接

    （1）输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

    （2）由于plc的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。

    （3）采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。

    （4）plc的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

    四、外部安全电路   

    为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、plc出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，plc外部应安装必要的保护电路。

    （1）急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得plc发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。

    （2）保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。

    （3）可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器cpu故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。

（4）电源过负荷的防护。如果plc电源发生故障，中断时间少于10秒，plc工作不受影响，若电源中断**过10秒或电源下降**过允许值，则plc停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若run输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。

    （5）重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。

    五、plc的接地 

    良好的接地是保plc可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。plc的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100ω；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给plc接上**地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近plc。

    六、冗余系统与热备用系统

    在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有较高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成较大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为plc本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。

    1． 冗余控制系统

    在冗余控制系统中，整个plc控制系统（或系统中较重要的部分，如cpu模块）由两套完全相同的系统组成如图2所示。两块cpu模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主cpu，另一块是备用cpu；主cpu工作，而备用cpu的输出是被禁止的，当主cpu发生故障时，备用cpu自动投入运行。这一切换过程是由冗余处理单元rpu控制的，切换时间在1~3个扫描周期，i/o系统的切换也是由rpu完成的。

    2． 热备用系统

    在热备用系统中，两台cpu用通讯接口连接在一起，当系统出现故障时，由主cpu通知备用cpu，使备用cpu投入运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单。