西门子6ES7315-2EH14-0AB0功能介绍

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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有效、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，国外有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产有研华、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控制系统运行的性、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，这对系统供电和PLC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系统运行的性、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，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，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。

现代燃油燃烧机多为自动控制式的燃烧机，一般采用工业程序控制器、火焰检测器以及温度传感器等组成自动控制系统。 本系统可以对燃烧机燃烧火焰状况进行适时调节，既可单调风门、 也可以单调整油门、还可以风油门联动，进行风、油比例调整。具有手动/自动控制功能，并能与计算机进行实时通信。适用于各种工业锅炉。适用燃料为：柴油、重油、渣油、及各种气体燃料，并可单烧油、单烧气、油气混烧。

一、燃油燃烧器工艺流程图

系统启动 ↓ 关闭风门、油门 ↓ 风机启动 ↓ 打开风门 ↓ 吹扫炉膛 ↓ 关闭风门 ↓ 开启油泵 ↓ 点火 ↓ （点 火不成功）火焰检测→报警→故障显示→打开风门→ 后吹扫→　 停机 ↓ （点火成功）开启油门调节阀至设定值 ↓ 开启电磁阀 5秒后开启风门 ↓ 正常燃烧 ↓ 按设定温度值自动控制燃 烧过程 系统停止 ↓ 关闭电磁阀 ↓ 关闭油泵 ↓ 打开风门 ↓ 后吹扫 ↓ 停机 ↓

燃油燃烧器的控制要求：

1、本控制器启动与停止均为一键式，有手动和自动两种控制方式，并能自由 转换。

2、屏显内容包括：当前温度、风油门开度、目标值显示、故障自诊等。

3、在手动控制状态下能单控制风机、油泵、油门大、油门小、风门大、风门小、电点火、电磁阀等设备。
4、温度控制能保证在目标值±3℃范围内，并具有温报警保护措施（报警温度可由用户自由设定）。

5、本控制器备有计算机通讯接口，能与沥青搅拌机联机操作。

6、本控制器包含有温
度、火焰等传感器及其检测系统。

二、控制器选型说明：

根据以上要求，从成本上和性能上以及用户持续工艺改进及必要的产权保护上，进行综合考虑，选用科威公司的混合型PLC （EASY-M0808R-A0404NB）作为燃油燃烧控制器 。 该混合型PLC将开关量的处理和模拟量的处理组合在同一个PLC里，很好的实现了逻辑控制和过程控制，对于既有开关量又有模拟量的控制场合，有的优势。所以在燃油燃烧器的控制过程中EASY-M0808R-A0404NB可以很好的满足其工艺要求。 混合型通用可编程控制器具有 PLC 所有功能，用户工艺可用梯形图语言编程 ，编程软件兼容三菱 FX2N 编程软件。

其功能特点如下：

1、4路模拟信号输入，信号类型0-60毫伏，采用12位数值计数。

2、4路模拟信号输出，信号类型0-20毫安，采用12位数值计数。

3
、8点开关量输入

4、8点开关量输出

5、具有梯形图编程接口，可连接计算机或人机界面。

6、支持CANBUS和RS485网络，可作CAN网络或RS485的主站或从站。

7、与远程模块Easy-FT配接，
实现远程数据访问

三、硬件接线图输入输出口定义：

1、E分度热电偶接：AX0+，AX0-

2、风门调节阀接：AY0+，AY0-（4~20mA）——D20

3、油门调节阀接：AY1+，AY1-（4~20mA）——D21
4、风机控制接：Y0

5、油泵控制接：Y1

6、电磁阀控制接：Y2

7、点火控制接：Y3

8、报警输出接：Y4

9、火焰检测输入：X1（M61） ON——亮，OFF——熄面板变量： M50：启动 M51：停 止 M52：手动/自动 M53：风机控制 M54：油泵控制 M55：风门+ M56：风门- M57：油门+ M58：油门-FR01 FR02 M59：电磁阀控制 M60：电点火

四、软件实现说明

1．自动部分：结合工艺 要求，主程序采用步进阶梯指令编程，作用是实现工艺流程，自动按要求完成燃烧全过程。

2．手动部分：作用主要是用来进行设备调试及应急运行的。用通用梯形图指令编写。

3．相关子 程序部分： P124：温度变换子程序 P125：输出转换子程序 P126：AD值采样滤波子程序。 P123：温度控制自动调节子程序

4．人机界面程序及功能手自动的调节参数的设置温度压力的显示 燃烧器工艺流程显示

五、总结

1、通用性强，开发廉。

2、工艺保密性好，可以自己加密，自己编写程序，知识产权得到维护。

3、网络互连，也可以通过网络进行交流。

4、本程序梯形图可回电索取。

在现代工业控制系统中，PLC以其高性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，被广泛应用。可实现顺序控制、PID回路调节、高速数据采集分析、计算机上位管理，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。但PLC无法单构成完整的控制系统，无法进行复杂的运算和显示各种实时控制图表和曲线，好的用户界面，不便于监控。将个人计算机（PC）与PLC结合起来使用，可以使二者优势互补，充分利用个人计算机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格优势，组成价格比的控制系统。

1.系统构成
推进系统中，PC机选用工控计算机。它是整个控制系统的，是上位机。其主要利用良好的图形用户界面，显示从PLC接收的开关量和控制手柄的位置，进行一些较复杂的数据运算，并且向PLC发出控制指令。
PLC是该系统的下位机，负责现场高速数据采集（控制手柄的位置），实现逻辑、定时、计数、PID调节等功能，通过串行通讯口向PC机传送PLC工作状态及有关数据，同时从PC机接受指令，向蜂鸣器、指示灯、滑油泵、控制手柄的位置等发出命令，实现PC机对控制系统的管理，提高了PLC的控制能力和控制范围，使整个系统成为集散控制系统。
2.通讯协议
计算机与PLC之间的通信是建立在以RS232标准为基础的异步双向通信上的，FX系列PLC有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式，PLC内部不需要编写专门的通信程序，只要把数据存放在相应的数据寄存器中即可，每个数据寄存器都有相应的物理通信地址，通信时计算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以ASCⅡ码为准，常用的字符及其ASCⅡ码对应关系。
计算机与PLC进行通讯时，计算机与PLC之间是以帧为单位进行信息交换的，其中控制字符ENQ、ACK、NAK，可以构成单字符帧发送和接受，其余的信息帧发送和接受时都是由字符STX、命令字、数据、字符ETX以及和校验5部分组成。
校验和在信息帧的尾部用来判断传输的正确与否，和校验码的计算方法是将命令码到ETX之间的所有字符的ASCⅡ码（十六进制数）相加，取所得和的2位数，在后面的通信程序设计里面还会提到。进行差错检验的方法很多，常用的有奇偶校验码，水平垂直冗余校验LRC，目前广泛使用的是CRC校验码，它能查处99%以上18位或长的错误，而在计算机与PLC点对点的短距离通讯时，出错的几率较小，因而采用校验和法，基本能满足要求。
3.多线程技术及在VC++串口通信程序中的实现
在bbbbbbs的一个进程内，包含一个或多个线程，每个线程共享所有的进程资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。
一个进程内的所有线程使用同一个32位地址空间，而这些线程的执行由系统调度程序控制，调度程序决定哪个线程可执行和什么时候执行线程。线程有级别，权较低的线程等到权较高的线程执行完任务后再执行。在多处理器的机器上，调度程序可以把多个线程放到不同的处理器上运行，这样可以使处理器的任务平衡，也提高系统的运行效率。
bbbbbbs内部的抢先调度程序在活动的线程之间分配CPU时间，bbbbbbs区分两种不同类型的线程，一种是用户界面线程（UserInterfaceThread），它包含消息循环或消息泵，用于处理接收到的消息;另一种是工作线程（WorkThread）它没有消息循环，用于执行后台任务、监视串口事件的线程即为工作线程。
本系统采用MFC编程方法，MFC是把串口作为文件设备来处理的，它用CreateFile（）打开串口，并获得一个串口句柄，用SetCommState（）进行端口配置，包括缓冲区设置，时设置和数据格式等。然后调用函数ReadFile（）和WriteFile（）进行数据的读写，用WaitForSinglebbbbbb（）监视通信事件。在用ReadFile（）和WriteFile（）读写串口时，一般采用重叠方式。因为同步I/O方式是当程序执行完毕才返回，这样会阻塞其他线程，降低程序执行效率。而重叠方式能使调用的函数立即返回，I/O操作在后台进行，这样线程就可以处理其他事务，同时也实现了线程在同一串口句柄上实现读写操作。
使用重叠I/O方式时，线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用，该结构重要的成员是hEvent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hEvent处于有信号状态，表示可进行读写操作;读写函数未完成时，hEvent被置为无信号。
利用bbbbbbs的多线程技术，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线程;并且，依靠重叠读写操作，让串口读写操作在后台运行。
4.上位计算机通信程序设计
以读取PLC输出线圈Y0为的2个字节的数据为例，编写一个通信程序。查PLC软元件表可知，输出线圈Y0的为00A0H，2个字节的数据即为Y0-Y7和Y10-Y17，根据返回的数据，就可以知道PLC此时的状态，以实现对PLC的监控。在每一次读操作之前，先要进行握手联络。对PLC发请求讯号ENQ，然后读PLC的响应讯号。如果读到的响应讯号为ACK，则表示PLC已准备就绪，等待接收通讯数据。
BOOLCPlcComDlg::ReadFromPLC（char＊Read_char,char＊Read_address,intRead_bytes）
｛CSerialSerial;//用于串行通讯的类
if（Serial.Open（1））//初始化串行通讯口COM1
｛Serial.SendData（&ENQ_request,1）;//发送联络讯号
Sleep（20）;//等待20ms秒
Serial.ReadData（&read_BUFFER,1）;//读取PLC响应讯号
if（read_BUFFER==ACK）｛
……
Serial.SendData（&STX_start,1）;//向PLC发送“开始”标志代码
Serial.SendData（&CMD0_read,1）;//发送“读”命令代码
datasum_check+=CMD0_read;
for（i=0;i<4;i++）｛
Serial.SendData（&Read_address[i>,1）;//发送起始元件地址的ASCⅡ代码
……
Serial.SendData（&ETX_end,1）;//发送结束标志代码
Change_to_ASCII（senddatasum_CHECK,datasum_check）;//将“和”转化成ASCⅡ代码
Sleep（40）;//等待PLC的反应
……
Serial.ReadData（&Read_char[i>,1）;//读Read_bytes个字节
if（＊readdatasum_CHECK==＊readdatasum_check）//“和”效验
｛AfxMessageBox（"数据读取成功!"）;
returnTRUE;｝
else｛AfxMessageBox（"校验错误!"）;
returnFALSE;｝｝
｝
5.结束语
本文作者点：笔者提出了一种基于多线程的PC机与PLC的通讯，该通讯程序采用VC比用VB具有好的实时性;并采用MFC编程方法用重叠结构读写串口，使串口读写在后台进行。该通讯程序、可移植性好。
本通讯程序作为该系统的一个重要组成部分，经现场调试证明，既简单又实用，具有很好的实用。同时，该系统具有直观的人机界面和方便的操作方式，具有广阔的应用前景。