西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8产品描述

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8产品描述

引言

随着电子技术的发展，可编程序控制器(PLc)已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有r很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此.设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。

1系统构成

基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。

1.1扩展热电阻，热电偶模块

在SLC500控制器扩展模块中.有集温度采集和数据处理于一身的智能温度模块一热电阻砘阻信号输入模块(1746一NR4)。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路。温度信号由热电阻采集。变换为电信号后。直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块(1746一NT4)的功能与热电阻/电阻信号输入模块(1746一NR4)类似。系统如图1所示。

1.2扩展通用A/D模块

在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能。因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有一2路差分输入/2路电压输出模块(1746一N104V)，其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。

2输入输出控制

比较而言用温度模块1746一NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块(1746N104V)，其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度(即一周期内的导通比率1。从而控制电源的输出功率。

在被控对象要求较高的控温精度时.SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：

输出=Kc[(E)+I/TiJ fE)dt+Td·D(PV)/Dt]+bias

程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量(PV)和控制变量(cv)N者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时。把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的。需要在PID指令之前使用数值整定指令(SCP指令)进行整定。整定原理如图3。

整定了PID指令的模拟量UO范围.用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。

一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时问内。为PID控制.其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设的上升段过程中，大致采用三段控制。置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性：接下来转入PID控制;接近设时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求.PID指令各参数可设置如表2所示。

温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是O一4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV(过程变量)的内存地址N7：38中，把控制输出值放入N7：39当中。后用MOV指令把N7：39中的过程变量传递到1746N104V模拟量输出模块中。控制效果如下：(1)sP—PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。(2)SP—PV>一30和SP—PV<50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。(3)SP—PV<一30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零.即停止加热。

3显示扩展

PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PI.C的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。采用数码管显示时，叮以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点。可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。

图5中cS为片选输入端.此脚为低电平时，可向芯片发送指令;CLK是时钟输入端，;DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的止升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0--DIG7分别接显示器的共阴公共地。

SLC500有RS232通信口.可以通过电缆与Pc机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行脚络监控。

4 PLC与PC通信设计

4.1 PI.C数据包的信息格式

SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H;响应读命令，代码：41H;写命令，代码：08H;响应写命令。代码：48H。故PI。C数据包的信息格式如图6所示：

DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号;

SRC：一个字节。信息发出方的节点号;

CMD：一个字节，命令类型如01H.41H，08H或48H;

STS：一个字节，通信状态。表示通信有无错误或错误类型，0为无错误：

TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号：

Addata：地址序书数数据.具体内容由不同的命令类型决定。

PLC与Pc机的数据通信采用自由端口通信模式，参数置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，Pc机为主机，只有Pc机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：

1)set the module for full duplex BSC(DFl full duplex)

21 set the module for bbbbbded response

31 set detect for automatic

4)disable duplicate packet detect

5)set the baud rate for 9600.

4.2 PC机程序

PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：

PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串日收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理.并按照SLC500温度采集的精度(1/8度)转换成温度值用于显示。

5结束语

本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块.在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。

  当选取整体式PLC作为控制器时，由于整体式PLC将CPU、I/O单元及电源集成一体，因此只要CPU单元、I/O点数及类型满足了被控对象的要求，其电源部分已由厂家按大电流消耗配置好了，无须用户选取。

    当选取模块式PLC作为控制器时，由于I/O单元增减与组合灵活，因此厂家提供了不同类型的电源单元供用户按实际需求选取，但是每种电源单元均有其容量限制，选型时需遵循以下原则：

    ①核算控制系统的总电流消耗。安装在CPU机架上所有单元的总电流消耗不得过所选电源单元的每个电压组的大电流。

    ②核算控制系统的总功率消耗。安装在CPU机架上所有单元的总功率消耗不得过所选电源单元的大值。

    查阅PLC相关手册可以获得CPU单元、I/O单元及各种特殊单元的电流消耗值，按照上述两条原则核算控制系统所有单元的电流与功率消耗，从而选取适合的电源单元。此外，还需要考虑系统扩展的问题，因此选型时应留有冗余。

    另外，当PLC带有I/O扩展机架时，如需要单配电源单元，则也需要核算I/O扩展机架上各单元的电流与功率消耗，以决定扩展机架上的电源单元选取。

    下面举一个核算PLC控制系统的电流与功率消耗的实例。

    【例3-2】 某欧姆龙CJ1型PLC控制系统的CPU机架单元配置见表3-1，试核算该PLC系统的电流与功率消耗，并选取适合该系统的电源单元。

表3-1 CPU机架单元配置表

    单 元   型 号  数 量     各电压组的消耗电流(A)  

    5VDC      24V DC  

CPU单元  CJIG-CPU45     1      0.91   

1/0控制单元  CJ1W-IC101     1      0.02   

开关量输入单元  CJ1W-ID211     2     0.08   

 CJ1W-ID231     2      0.09   

开关量输出单元  CJ1W-OC201     2      0.09      0.048  

特殊I/O单元   CJ1W-DA041     1      0.12   

CPU总线单元  CJ1W-CLK21     1      0.35   

    每个电源单元提供2个电压组供内部单元使用，其中SV直流电源部分主要为内部逻辑电路供电；24 V直流电源部分主要为驱动继电器型输出单元供电。欧姆龙CJ1系列PLC的备选电源单元规格见表3-2。

表3-2 CJ1系列PLC的备选电源单元规格表

电源单元型号  电源电压 5VDC时大电流(A)  24V DC时大电流(A)  输出大功率(w)  

CJ1W-PA205R 100-240V AC     5.0      0.8      25  

CJ1W-PA202 100-240V AC     2.8      0.4      14  

CJ1W-PD025     24V DC      5.0      0 8      25  

    电流与功率消耗的核算过程如下：

    5 V DC组电流消耗=0.91 A+0.02 A+0.08 A×2+0.09 A×2+0.09 A×2+

    0.12 A+0.35 A=1.92 A(≤5.0 A)

    24 V DC组电流消耗=0.048 A×2=0.096 A(≤0.8 A)

    功率消耗=1.92 A×5 V+0.096 A×24 V=9.60 W+2.304 W

    =11.904W (≤25 W)

    通过核算得出结论，若电源单元的外部供电为直流24 V时，电源单元CJIW-PD025满足要求；若电源单元外部供电为交流220 V时，电源单元CJIW-PA202与CJIW-PA205R均满足要求，但考虑到系统的可扩展性，以选CJIW-PA205R为宜

 下面以欧姆龙PLC系统为例，介绍现场安装与施工的基本知识与注意事项：

    ，在安装PLC控制系统时，或在增加与拆卸I/O单元时，以及在配线前都关闭总电源。同时，为了减少因电气噪声而引发的故障，应将装输入／输出信号线的管子与装高压线和供电线的管子分开。另外，在单元配线时，为防止剪下的电线或其他碎屑落入单元内部，不要将单元上的标签取下，待配完线后再撕下，从而**单元散热。

    为提高PLC系统的性，充分发挥其大功能，在安装和接线时需考虑以下因素。

    1．环境条件

    PLC系统对安装环境有一定的要求，不适合安装PLC系统的场所包括：环境温度0℃或55℃的场所，温度变化急剧和凝露的场所，环境湿度10%或的场所，具有腐蚀性或易燃性气体的场所，有过多尘埃、氯化物或铁木屑的场所，PLC会受到直接冲击或振动的场所，直接暴露在阳光的场所，PLC会接触到水、油、化学试剂的场所等。而安装在具有静电和噪声，强电磁场，有放射性物质泄漏以及靠近电力线的场所时，则需要将PLC封闭好。

    2．控制柜的内部条件

    通常PLC系统被安装在控制柜内，因此控制柜内应具备适当的操作和维护条件。主要考虑以下因素。

 (1)环境温度

 控制柜内的环境温度控制在0～55℃范围内。为此，控制柜需提供足够的空间以保持良好的空气流通，切记不要将PLC安装在加热器、变压器或大功率电阻器等高热设备的上面。如果环境温度过55℃，就需安装冷却风扇或空调降温，如图3-18所示。如果在PLC系统上连接了一个编程器，那么环境温度保持在0～45℃，以满足编程器的正常工作。

    (2)操作与维护的与便利

    为**操作和维护的，应尽可能将PLC与高压设备及执行机构隔离开，PLC系统的安装高度以1.3 m为宜，以便于安装和操作。

 (3)抗噪声

 不要把PLC安装在装有高电压装备的控制柜内。安装PLC的地点应离电力线至少200 mm，如图3-19所示。装有PLC的安装板需接地。当I/O连接电缆在10 m以上时，应换大功率导线（3芯，截面积至少2mm2），以**控制信号、稳定。

    (4) PLC的安装方向

    PLC的机架垂直安装以便于各单元散热。应避免安装方向的错误造成PLC工作不正常。

 CJ1系列单元（包括电源单元、CPU单元和I/O单元）要互相连接，电源单元置于左端，端盖被连接在右端。各单元的外观基本尺寸，仅宽度略有不同。

    除电源单元和CPU单元外的CJ1系列单元有两种宽度规格(20 mm和31 mm)，查阅相关手册，根据所选单元的宽度计算CPU机架或I/O扩展机架的宽度。例如，某CJIG PLC系统包括CJ1G-CPU44单元，CJIW-PA205R电源单元，2个32点基本I/O单元(20 mm)和8个31 mm宽的单元，计算其CPU机架宽度W如下：

W=80（电源单元）+62（CPU单元）+20×2+31×8+14.7（端盖）=444.7 mrn

将CPU机架安装在导轨上，待选的导轨尺寸。

    CJ1系列CPU机架和I/O扩展机架的安装高度在81.6～89.0 mm之间，具体高度取决于配置的I/O单元，当连接了一个编程设备（上位机或手持编程器）时，则需要大的高度，因此控制柜有足够的深度

  由于CJ1系列PLC是无底板结构，是通过各单元侧面的连接器将各单元连接在一起组成系统的。组成CJ1系列PLC的各单元可以通过压在一起并朝各单元背部移动滑杆锁住各单元的方法，简单地连接在一起。端盖用同样的方法连接在PLC右边的单元上。具体操作步骤如下。

    ①将组成CJ1系列PLC的单元两两连接。将它们的连接器正对吻合好：

    ②在每个CJ1系列单元的部和底部各有一个黄色滑杆将各单元锁在一起。朝各单元背部移动滑杆一直锁到底。如果未锁到位，PLC将不能正常工作并报错。

    ③在机架的右侧单元附上端盖，构成完整的PLC系统。如果端盖没有被连接，将产生一个I/O总线错误且PLC不能运行程序。

CPU机架上各单元的连接次序示意图，需要注意的是，如果连接I/O扩展机架，则I/O控制单元紧贴CPU单元连接。

    I/O扩展机架上各单元的连接次序示意图，需要注意的是，I/O扩展机架上需配电源单元，不配CPU单元，而且I/O接口单元紧贴电源单元连接。

    注意：

    ①在各单元互相连接前关闭电源。

    ②在整个系统换单元前关闭电源。

    ⑧一个CPU机架或扩展机架多只能连接10个I/O单元，如果出则产生I/O溢出错误，且PLC不能运行程序。此时，PLC内部的I/O溢出标志(A40111)将置为ON，A407.13～A407.15位（I/O溢出标志2）也将置为ON。

  (1)电源单元接线方法

    以交流电供电的电源单元CJIW-PA205R的接线示意图如图3-42所示。

    图3-42 CJIW-PA205R单元接线示意图

    在图3-42中，交流电供电电压为100～240 V AC，允许的电压波动范围是85～264 V AC。PLC内部噪声隔离回路充分控制了电源线里的主要噪声，但通过连接1：1的隔离变压器可使PLC和大地之间的噪声大幅度减小。需要注意的是，该变压器的副边不要接地！

    CJ1W-PA205R型电源单元允许每个机架消耗大功率为100 W。而对于CJ1W-PA202型电源单元允许每个机架消耗大功率为50 W。但在电流接通时，浪涌电流将达到大电流的5倍。

    电源单元上的运行输出功能只有安装在CPU机架上才有效，它可以用于控制外部系统。例如，在紧急停止回路里，当PLC没有工作时切断外部系统的电源。

    CJ1W-PA205R的端子是M3.5端子螺丝。使用压接端子接线，不要将裸多芯线直接接在端子上。用0.8 N·m的力矩拧紧端子排的螺丝。使用下列尺寸的圆形压接端子(M3.5)，如图3-43所示。

    图3-43 压接端子使用示意图

    在电源单元接线时是同一外部电源供电，接完线后，不要忘记从电源单元部除去标签。否则将会妨碍空气流通，影响散热。

以直流供电的电源单元CJ1W-PD025的接线示意图如图3-44所示。

    图3-44 CJ1W-PD025单元接线示意图

    直流电供电电压为24 V DC，允许的电压波动范围是19.2～28.8 V DC。CJ1W-PD025型电源单元允许每个机架所消耗的大功率为50W。但在电流接通时，浪涌电流将达到大电流的5倍左右。

    CJ1W-PD025型电源单元的端子接线方法与CJ1W-PA205R单元相同，可以使用如图3-45所示的两种压接端子(M3.5)。

    图3-45 压接端子示意图

    在接外部电源时，确保正、负端子的性正确。所有电源单元的外部供电来自于同一电源。接完线后，不要忘记从电源单元部除去标签。

    (2)接地线方法

    以CJ1W-PA205R型电源单元为例，其接线接地端子和线路接地端子如图3-46所示。

图3-46 接地端子示意图

    为了避免电气冲击，在端接一根AWG14接地线（截面积不小于2mm2）。接地电阻小于100Ω。

    线路接地端(LG)是噪声滤波中性端。如果噪声是一个重要的错误源或有电气冲击问题，将LG端与端短接且一起接地，接地电阻小于100 Ω。接地线长度不应过20 m。可以采用的接地方法如图3-47所示。

    图3-47 接地方法示意图

    PLC不能与其他设备共用一根地线，也不能与建筑物金属结构连接共地，如图3-48所示的接地方法可能会引起误动作。

图3-48 不正确接地方法的示例

    (3)基本I/O单元接线方法

    基本I/O单元带有接线端子板，在连接接线端子板时须核对I/O单元的规格，切勿出输入单元的承受电压或输出单元大开关能力的电压值，且注意正、负端子的性，连接端子的常用电线规格是AWG22～18 (0.32～0.82 mm2)，压接端子如图3-45所示。

接线时要注意便于I/O单元的换，并确保I/O指示灯不受布线的影响。不要把I/O信号线与电源线布在同槽或线管内，否则会由于感应而导致误动作。接线端子配有3.5 mm直径的螺丝和自升压力片。引线和接线端子的连接示意图如图3-49所示。使用0.5 N·m的力矩拧紧端子螺丝。

    图3-49 引线与接线端子的连接示意图

    在单元接线完成前不要把单元部的保护标签撕掉，这个标签能避免在接线时线头和其他外面物质掉入单元内，接完线后再将标签撕掉，以便于散热。

    CJ1系列I/O单元配有可移动的端子板，如图3-50所示：向单元下方拉出端子板控制杆，再将端子板向上拔出即可从单元上卸下，不必将导线从端子板一一拧下。

    图3-50 可移动的端子板示意图

    某些CJ1系列基本I/O单元，如32点或64点开关量输入／输出单元采用了连接器连接I/O信号线的方式，如图3-51所示，具体接线方法参见CJ1系列PLC相关操作手册，在此不再赘述。

    图3-51 连接器连接I/O单元示意图

    (4) I/O设备的接线方法

    直流输入单元可以连接相应的直流输入设备，示例如图3-52所示。

    图3-52 直流输入设备接入直流输入单元示例

有电压输出的I/O设备不能采用如图3-53所示连接电路。

    图3-53 有电压输出的I/O设备不正确连接方式示例

    将12 V DC或24 V DC的二线制传感器输入设备接入直流输入单元，如图3-54所示，此时需满足以下条件，否则可能会导致操作错误：

    图3-54 直流二线传感器接入直流输入单元示意图

    ①PLC为ON时的电压和传感器的输出剩余电压间的关系：

    VON≤Vcc - VR

    ②PLC为ON时的电流和传感器控制电流（负载电流）间的关系：

    IOUT（小）≤ION≤IOUT（大）

    ION=（VCC - VR - 1.5[PLC内部剩余电压]）/RIN

    当ION<IOUT（小）时，连接一旁路电阻R。旁路电阻常数可计算如下：

    R≤(VCC - VR)／（IOUT（小）- ION）

    功率W≥（VCC - VR）2/R×4[容限]

    ⑧PLC为OFF时的电流和传感器漏电流间的关系：

    IOFF≥Ileak

    如果Ileak>IOFF，连接一旁路电阻，使用下列等式计算旁路电阻常数：

    R≤（RIN×VOFF）／(Ileak×RIN - VOFF)

    功率w≥（VCC - VR）2/R×4[许可范围]

    ④防止传感器浪涌电流的措施

    如果PLC的电源通，然后传感器的电源再接通时，有时会因传感器的浪涌电流而导致误输入。因此，需确认从传感器的电源接通后到稳定动作为止的时间。传感器电源接通后可在程序中插入定时器做延迟处理。

例如，将某传感器的电源电压用做CIO 000000的输入，并在程序中创建一个100 ms定时器延迟（欧姆龙接近传感器到达稳定所需的时间）。在定时器的完成标志变为ON后，CIO 000001上的传感器输入会引起输出位CIO 000100变为ON。梯形图程序如图3-55所示。

    图3-55 防止浪涌电流的梯形图程序示例

    交流输入单元可以连接相应的交流输入设备，示例如图3-56所示。

    图3-56 交流输入设备接入交流输入单元示例

    注意：在使用于簧开关作为交流输入单元的输入触点时，要使用允许电流为1A或大的开关。否则由于浪涌电流的冲击，触点将会熔化。

    输出单元在连接外部设备时需考虑以下问题。

    ①输出短路保护。如果与输出端连接的负载短路，则可能危及输出部件和印制电路板。为防止这种情况，在外电路中加一保险丝，使用容量约为额定输出2倍的保险丝。

    ②晶体管输出剩余电压。TTL电路不能直接与晶体管输出连接，这是由于晶体管存在剩余电压，在两者之间需要连接一个上拉电阻和一个CMOS IC (Complementary MOSIntegrated Circuit，互补型MOS集成电路)。

    ③输出浪涌电流。将晶体管或三端双向可控硅开关连接到有高浪涌电流的输出设备（如白炽灯）时，采取措施以避免损坏晶体管或三端双向可控硅开关。为降低浪涌电流，可选下列两种方法之一。

    方法1：加一个电阻，引出约1/3的灯泡消耗的电流，如图3-57 (a)所示。

    方法2：加一控制电阻，如图3-57 (b)所示。

图3-57 降低浪涌电流的接线示意图

    (5)降低电噪声的方法

    ①I/O信号线降噪法。应尽量将I/O信号线和电源线放入立的管道或将电缆管道放在控制面板的内侧和外侧，如图3-58所示：

    图3-58 I/O信号线布线示意图

    如果I/O接线和电源接线在同一管道内放线，则使用屏蔽电缆并将屏蔽线与端子相连接，以降低噪声。

    ②电感负载降噪法。在电感负载与I/O单元相连接时，将一浪涌抑制器或二管与负载并联，如图3-59所示。

    图3-59 电感负载连接l/O单元示意图

    ③外部布线的降噪措施。

    ·在使用多芯信号电缆时，避免将输入／输出线与其他控制线路并列使用。

    ·如果接线支架是平行的，则各支架间隔至少为300 mm，如图3-60所示。

图3-60 平行接线支架示意图

    ·如果I/O信号线和电力线放在同一管道内，则使用接地的金属板（铁制）将它们相互屏蔽，如图3-61所示。

图3-61 管道内金属板屏蔽示意图