西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0产品描述

西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0产品描述

输入输出单元通常也叫I/O单元或I/O模块，是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入部件是开关、按钮、传感器等，PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据。输出部件是指示灯、电磁阀、接触器、继电器、变频器等，PLC通过输出接口将处理送给被控对象，以实现控制目的。

    1．输入接口电路

    通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2-2为PLC的直流输入接口电路的电路图，图2-3为PLC的交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。

图2-2 PLC的直流输入接口电路的电路图

    图2-4描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1，即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图2-3 PLC的交流输入接口电路的电路图

图2-4 输入端为光电开关的电路图

    2．输出接口电路

    PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器型式、晶体管型式、晶闸管型式三种。

    继电器型输出电路如图2-5 (a)所示。内部电路使继电器的线圈通电，它的动合触点闭合，使外部负载得电工作。继电器同时起隔离和功率放大的作用，每一路只给用户提供一对动合触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来触点断开时产生的电弧，以减轻它对CPU的干扰。继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右。

    晶体管集电输出电路如图2-5 (b)所示。各组的公共点接外部直流电源的负。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给输出晶体管，后者的饱、导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间小于1ms。场效应晶体管输出电路的结构与晶体管输出电路基本相同。

    图2-5 PLC的开关量输出电路原理图

   (a)继电器型输出电路；(b)晶体管集电输出电路

    除了上述两种输出电路外，还有双向晶闸管输出电路，它用光敏晶闸管实现隔离。双向晶闸管由关断变为导通的延迟时间小于1ms，由导通变为关断的大延迟时间小于10ms。

1.前言

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。例如可编程序控制器、基于PC总线的工业控制计算机、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。现代社会要求制造业对市场需求作出反应，生产出小批量、多品种，多规格、和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统具有高的性和灵活性，可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是工业自动化三大支柱之一。电工(IEC)对PLC作了如下定义：“可编程序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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从这一定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，由于它具有功能强，性高，环境适应能力和抗干扰能力强，以及接线简单，编程灵活、方便等特点而得到了广泛应用。本文以西门子S7-200系列PLC实现对配料生产线自动控制的程序设计过程进行了详细的阐述。

2.配料生产线的电气控制要求

该配料生产线广泛应用于建筑、化工等生产领域，主要由料仓、仓壁振动器、喂料振动器、称料仓、排料振动器、传送带、中间仓、混合仓、搅拌机组成;各振动器、传送带、搅拌机均由电机拖动;中间仓门和混合仓卸料门则由电磁阀控制;当某台电机过载时电铃报警并禁止所有输出，故障排除后才能继续工作。其工作过程如下：⑴按下启动按钮后两个仓壁振动器和两个喂料振动器同时启动，料仓一和料仓二同时开始下料，将配料喂入称料仓。⑵当称料传感器SQ1和SQ2接通时，对应的仓壁振动器和喂料振动器停止工作，停止喂料。⑶启动1号送料传送带。⑷延时10秒后启动两个排料振动器进行排料，将称料仓中的配料通过1号传送带送入中间仓。⑸延时300秒后启动搅拌机，1号送料传送带停止工作。⑹延时3秒后，打开中间仓门，将中间仓中的配料放入混合仓通过搅拌机混合均匀。⑺延时300秒后，开启混合仓卸料门，启动2号传送带将混合均匀的配料送走。⑻延时300秒后全部停止工作，一个周期结束后回到初始状态或继续下一个周期。该配料生产线要求有自动、单周期和手动三种工作方式;在自动工作方式下，按下启动按钮后能连续不断地循环工作，直到按下停止按钮，当前工作周期结束后才停止工作;在单周期工作方式下，按下启动按钮后工作一个周期自动停止工作;在手动工作方式下，可手动调整1号传送带、2号传送带和搅拌机。

3.系统硬件设计

根据该配料生产线的电气控制要求，该系统有9台电机、2个电磁阀和1个过载报警电铃需要控制;在手动工作方式下，手动调整1号传送带、2号传送带和搅拌机，需要3个点动按钮;在自动工作方式下的启动和停止按钮;称料传感器SQ1和SQ2有两对4个输入点，工作方式转换开关有3个输入点，9台电机的热继电器串联共用一个输入点，因此该配料生产线的电气控制系统采用PLC控制需要有13个输入点，12个输出点，在设计过程中我们选用西门子S7-200系列PLC，基本单元选用CPU224模块DC14输入/继电器10输出，扩展单元选用EM223DC8输入/继电器8输出能满足控制要求。具体的I/O地址分配见表1。

4.系统软件设计

在系统软件设计过程中，根据系统控制要求和工艺流程设计出系统顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图。

4.1.顺序功能图的设计

顺序功能图设计基本的思想就是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的步(Step),并用编程元件来代表各步;步是根据输出量的状态变化来划分的,在任何一步之内,各输出量的ON/OFF状态不变,但相邻两步输出量总 的状态是不同的,这样使得代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着直接的逻辑关系。在顺序功能图的各步之间只有一步是活动步，步与步之间的转换是通过转换条件来实现的，只有在前级步为活动步，并且满足转换条件的情况下才能由前级步转到后续步，前级步变为不活动步而后续步变为活动步。在配料生产线顺序功能图的设计中，我们根据控制要求将一个工作周期划分为10个步，并用位存贮存器M来代表各步，其中M0.0为初始步,M0.1～M1.1代表各工作步,完整的顺序功能图如图(1)所示。

在根据顺序功能图设计梯形图时可以有多种设计方法，即使用起保停电路的设计方法，以转换为的设计方法，使用顺序控制继电器的设计方法和使用移位寄存器指令的设计方法。我们在程序设计过程中彩用了起保停电路的设计方法。

起保停电路仅使用与触点和线圈有关的基本指令，可以用于任意型号的PLC，这是一种通用的编程方法;在程序中用初始化脉冲SM0.1将初始步对应的编程元件M0.0置位，为转换的实现作好准备，按下启动按钮后，按顺序功能图设计的顺序实现自动转换，前级步编程元件的常开触点作为由前级步转到后续步的先决条件与转换条件串联，只有当前级步为活动步且转换条件满足时，才能由前级步转到后续步;而后续步编程元件的常闭触点则串联在前级步编程元件的线圈回路中，当前级步转到后续步后，后续步变为活动步而前级步则变为不活动步，利用后续步编程元件的常开触点实现自保功能，这样一步一步转换实现控制要求。

为了实现各工作方式的转换，在自动工作方式下能连续不断的循环运行;而在单周期工作方式下，按下启动按钮后只工作一个周期就停止工作。在程序中使用了位寄存器M2.0，在自动方式时，按下启动按钮后M2.0得电并能自保，而在单周期方式时，按下启动按钮后M2.0得电但不能自保，在手动方式时按下启动按钮后M2.0不能得电。在由初始步M0.0转换到步M0.1时，不是将启动按钮I0.4串在M0.1的线圈回路中，而是将M2.0的常开触点串在M0.1的线圈回路中，这样就可以实现自动和单周期工作方式的转换控制。在手动方式下通过I1.5使代表各步的编程元件处于复位状态，按下点动按钮I0.1、I0.2、I0.3时对应的输出Q0.7、Q1.0、Q1.1得电，实现对搅拌机、1号传送带和2号传送带的点动控制。工作方式控制程序如图(2)所示，起保停主控程序及输出控制程序如图(3-1)，图(3-2)所示

中国铝业公司采用的160kA大型预焙阳中间下料电解槽，提供直流电流的整流系统采用110kV直降式有载调压整流变压器和二管整流电路，共有四套整流机组，单机组额定输出直流为1150V、56kA;正常为四套机组同时运行，各输出40kA、1150V的直流电，共输出直流为 160kA、1150V;当有一套机组退出运行后，其余三套机组各输出53.3kA、1150V的直流电用以满足铝电解的正常生产。整流系统的整流器采用二管三相桥式同相逆并联整流电路，变压器采用分段中性点调压变压器和整流变压器组合，具有±35级调压，稳流控制采用有载调压开关进行粗调，饱和电抗器进行细调的控制方式。由于电解铝厂的整流供电系统通常要求是终端变电站，监控和继电保护设置比较单一、简单，但性强，程度要求很高。因此，项目采用了微机监控保护装置和综合自动化系统，对稳流部分采用了PLC控制的方案。本文主要介绍自动稳流控制部分的组成及控制特点。

二、系统配置

为了立于保护和监控系统而自成一体，避免相互干扰和影响，稳流系统全部采用AB公司SLC-5/04系列PLC组网，该PLC具有的DH+通讯网，通过板卡直接可与服务器相连。PLC之间的信息交换通过DH+网络通讯来实现，图1为网络结构。

PLC组成的网络结构稳流控制PLC按照N+1的原则配置，对4台整流机组各配置PLC，以实现小闭环控制;配置一套总调PLC，以实现大闭环控制。整流机组小闭环控制PLC用于单台机组的稳流控制，其目的是用PLC的PID控制器实现单台机组的直流输出与给定值相一致，以达到单台机组的稳流，并通过调节饱和电抗器偏移绕组的电流来实现同一台机组两个整流柜之间输出电流的平衡。采用一套总调PLC完成大闭环控制，调节所有的整流机组，大闭环总调的 PID输出作为整流机组小闭环PID的给定值，使所组的直流输出相同。当产生阳效应时，可同时调节所组饱和电抗器的控制绕组电流，如无法满足稳流要求时，可自动判断降档升压。另外，大闭环还可实现恒安时控制、大需要控制、整流机组启停等功能。SLC-5/04 PLC具有PID运算功能和指令，可对系统做动态控制;有DH+和RS-232两个通讯口;机内配有高速计数器，以适应对机外高速信号的计数要求，CPU带有两个计数频率达 2kHz的高速计数器，每个计数器可用程序复位，并可设置成加法计数、减法计数或相位差90°的两个脉冲序列;为系统备有的数字扩展模块(EM)，可以很方便的对系统的输入输出点做扩展;具有灵活的中断输入，以快的速度响应中断请求信号。

三、自动稳流控制

1、信号取样由于目前国产直流互感器的温漂做的不好，信号失真大，磁放大时间常数太长，不利于即时准确的控制等原因，稳流系统小闭环反馈信号取自于整流一次侧交流信号;稳流系统大闭环反馈控制信号取自于总直流互感器，经变送器把小信号传至总调PLC;整流系统总的输出电流由上位计算机系统通过通讯方式来设定。

2、控制功能在自动稳流系统中，PLC主要完成整个系统的逻辑顺序控制及所有PID回路控制。

其主要包括以下几个部分：

(1) 恒流控制

恒流控制是将机组的直流输出电流经变送器变换后反馈到PLC的输入端，与给定信号作比较后送给PI调节器进行控制。控制转换成控制输出脉冲并经功率放大后，去触发晶闸管整流电路的占空比，改变饱和电抗器的控制电流，从而达到机组电流稳定的目的。

(2) 平衡控制

由于饱和电抗器的特性不一致，经常造成机组之间以及同一台机组两个整流柜之间输出电流有较大的差别，使整流机组达不到额定出力。因此，把一台整流柜(A柜)的输出电流作为PLC的给定，另一台整流柜(B柜)的输出电流作为PLC的反馈，两者比较的结果通过PI调节器调节后，去改变A柜饱和电抗器的控制电流(B柜的控制电流保持不变)，使两个整流柜的直流电流始终保持平衡。此时，PLC输出2个4～20mA的信号，分别控制整流机组的A/B柜稳流。

(3) 总调控制

前已提及，电解槽所需总的直流电流等于几台单机组输出电流之和。由于单机组稳流可实现单机组输出电流稳定，为了使电解槽所获得的总电流加稳定，将总电流经互感器反馈至PLC输入端，与上位计算机的给定值进行比较计算，输出的作为单机组稳流的分调给定，从而提高整个电流稳定精度。总调PLC输出4个4～20mA的信号，同时用于控制4个整流机组的总调给定。一般饱和电抗器的控制深度为60V左右，当其饱和或截止时，PLC能自动调节变压器有载开关的升降，从而使总电流不论在多大的电压波动情况下，均能达到稳流的目的，扩大了调压范围。

(4) 恒安时控制

每3分钟实测一次电解电流值，并将在1小时内实测的电解电流值累加，累加结果与设定值进行比较，根据所求差值与小时剩余时间自动调整设定电流，以达到安时偏差自动控制。

3、控制方式稳流系统采用了四种控制方式。

(1) 自动/总调方式

在此方式下，有载开关升降档指令均由计算机控制。有载开关升降操作是通过饱和电抗器控制电流来确认有载开关的升与降，这个动作不影响系统的单个有载开关位置。如果机组的一个有载开关发生升或降的要求，这要求将送入计算机并引起所组有载开关同时升或降。

(2) 手动/总调方式

这种方式允许操作员进行总调，同时动作向上或向下，有载开关升降档通过外部按钮来实现。机组总的调整与自动/总调方式相同。

(3) 自动/分调方式

此方式用于单个机组与其他机组有不同基准的情况下。此时，本机组有载开关升降不起作用。

(4) 手动/分调方式

此方式用于单机组与其他机组有不同基准的情况下，希望由本机组有载开关升降来调整本机组的电流。总之，不管是何种控制方式，都是通过调整饱和电抗器控制绕组的控制电流对整个整流系统进行细调。判断是否需要调控有载开关，是通过检测4台机组的有载开关档位来确定应动作哪台机组的有载开关。当需要升压时，动作级;当需要降压时，动作。通常是4台机组有载开关联动。

四、结束语

原有稳流系统采用了模拟电路控制饱和电抗器来调节电流的方法，致使调试工作量大，控制精度低，在实际运行中时常发生进线闸乱动，动力变莫名其妙跳闸，数据报表与实际不符等现象。我们将原有稳流部分采用PLC控制后，使系统显示出以下几个特点：

(1) 性和稳定性得到了很大的提高，故障率明显下降;

(2) 由于PID调节器由PLC软件实现，使得整个系统的接线简单，易于安装，维护量减小;

(3) 不需同步信号，无相序要求，系统变得易于调试;

(4) 饱和电抗器的控制特性是非线性的，PLC能自动识别其工作范围，从而自动改变控制参数，提高了输出电流的稳流精度(单机组稳流精度达到了0.5%);

(5) 操作简单，可方便地与计算机或其它设备通讯