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产品描述
西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8技术支持
1 引言
西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率，S7—200系列PLC是西门子SIMATIC PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域应用中占有重要地位。S7—200系列PLC体积小,软硬件功能强大，系统配置方便，由它组成的系统可以与强大的Profibus现场总线相连接。它一推向市场就在各行各业得到了广泛应用。但是在实际工程应用中遇到了监控计算机与S7—200系列PLC通信问题。由于西门子公司S7—200系列PLC比监控组态软件WinCC推出晚，因此WinCC中没有集成S7—200系列PLC的通信驱动程序；S7—200系列PLC的通信协议也不公开．应用三方软件编制监控程序也有问题。这些问题给S7—200系列PLC的应用带来了一定的限制，为了解决这个实际工程问题，作者做了一些研究，本文就S7—200系列PLC与监控计算机通信问题研究结果展开讨论。
2 S7—200系列PLC监控的主要方法
在大多数控制系统中，仅仅是实现控制是不够的，在许多情况下也需要组态监控界面对系统进行监控。通过监控可以增机交互的能力，使操作人员实时地监控系统工作情况并使系统操作变得方便。
对S7—200系列PLC组成的控制系统进行监控一般有三种方法：组态软件、三方软件编制的软件、触摸屏监控。
用组态软件WinCC实现监控，功能强大，灵活性好，性高。但软件价格高，并需要解决WinCC与S7—200系列PLC的通信问题。在复杂控制系统中可以采用此方法。
用三方软件编制的软件实现监控，灵活性好，系统投资低，能适用于各种系统。但开发系统工作量大、性难保证，对技术人员的经验和技术水平的要求高，还购买通信协议软件。在系统资金投资有限，技术人员水平较高的情况下可以采用此方法。
触摸屏进行监控，性高，监控实现容易，触摸屏与PLC之间的通信问题生产厂商已处理好．用户不用考虑通信问题，可以大大缩短工程周期。但灵活性一般，功能有限，不能满足复杂控制系统的监控要求．而且价格高。在系统性要求高、工期短的情况下可以采用此方法。
3 WinCC组态软件与S7—200系列PLC的通信
SIMATIC WinCC采用了新的32位技术的过程软件，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是冗余多服务器，多用户系统。WinCC均是较好选择。通过ActiveX，OPC，SQL等标准接口．WinCC可以方便地与其它软件进行通信。WinCC与S7—200系列PLC的通信．可以采用PPI和Profibus两种通信协议之一进行。
1、WinCC与S7—200系列PLC通过Proilbus 协议进行通信的实现
(1)软硬件要求：
*PC机,bbbbbbs 98操作系统：
*S7—200系列PLC；
*CP5412板卡或者其他同类板卡，例如：CP5611，CP5613；
*EM277 Profibus DP模块：
*Profibus电缆及接头；
*安装CP5412板卡的驱动；
*安装WinCC 4. 0或以上版本：
*安装COM Profibus软件。
硬件连接如图1。
监控计算机：DP主站，地址为1
图1 WinCC与S7—200系列PLC通信实现硬件连接
(2)组态
打开SIMATIC NET\COM Pmfibus，新加一个组态，主站为SOFTNET—DP,从站是EM277 Profihus—DP。主站的地址选择从1到126。从站的地址选择从3到99，与EM277的地址一致。然后用该软件对从站进行配置：打开从站属性，在Configure选项中，选择8bytes in／8bytes out(可根据实际需要选定)。在bbbbbeterize中可以选择偏移地址．地址对应于S7—200系列PLC的数据区(即V区)，默认为0，即从VBO开始。组态完成后，导出(Export)NCM文件，生成*.txt和*.ldb文件。
(3)设置PG／PC interface。
在AccessPoint of the Application中选择CP-L2_1，在Interface bbbbbeter Assignment选择CP5412A2(Profibus)。在属性里的DP协议，并在DP-Database参数中输入*jdb文件的路径。设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。
(4)WinCC的设置。
在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUS DPCHN。选择CP5412(A2)Board 1．在Syatem bbbbbeters设定参数。CP5412(A2)board参数为1．表示板卡的编号；Config参数为组态时生成的*．1xt文件的路径；Watchdog time参数为0。新建一个连接．从站地址与EM277的地址一致。
(5)建立变量。
WinCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的．即In表示WinCC从S7—200系列PLC读入数据，Out表示WinCC向s7—200系列PLC写出数据。In和Out与数据存储区V区划应。在该例中，Out与PLC中数据存储区的VB0～VB7对应,1n与PLC中的存储区的VB8～VBl5对应。
(6)优缺点。
优点：该方法速度快、易扩展、实时性好。缺点：传送数据区域有限(大“字节)，在PLC中也进行相应的处理．且硬件成本高．需要的CP5412、EM277 Profibus—DP、Profibu9总线等硬件．还需要Com Pmfibus软件。应用场合：适用于在要求高速数据通信和实时性要求高的系统。
2) 在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二管D（直流输入信号）。如图4所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍
(a) 交流输入方式 (b) 直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式
3) 在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二管D，如图6所示。二管也要靠近负载。二管的反向耐压应是负载电压的4倍。
图5 输出端交流感性负载 图6 输出端直流感性负载
2、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的性
为了提高PLC控制系统工作的性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的大时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的性进行一些探讨。1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的性
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的性受到影响。
1.1 工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2 电源的要求
不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
1) PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；禁止采用共通接地方法。如图1所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。
图1 接地方法
2) PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
1.4 冗余设计和降级操作设计
1) 对性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也同时运行，两者输出的一致时，表示系统是正常运行的；一旦不一致，则发出警报信号，同时，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2) 降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
1.5 PLC的I/O电路
1) 由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的性不一样。我们设输出断开为状态，那么图3的性要比图2的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为状态，保了系统的和
3.2 PLC 控制系统的软件设计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。
（三）模拟量I/O
模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。
（四）特殊功能I/O
在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。
（五）智能式I/O
当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。
综上，表3归纳了选择I/O模块的一般规则。
表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则
三、存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。
表4 控制目的估算存储器容量的方法
四、编程器和外部设备的选择
在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。
五、实例
（一）利用三菱PLC实现对印刷机的控制
印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，因此采用双机通讯。上位机采用三菱的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485, 通讯，通讯方便，。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次。
（二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用
在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到性、性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，了显著的效果。
六、结束语
随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统。
（3） 设置屏蔽
屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层；另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。
（4） 采用模块式结构
PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能确定故障的位置。
（5） 设有联锁功能
PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故。
（6） 设置环境检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境（例如电网电压、工作温度、环境的湿度等）进行检测，同时也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报。
（7）设置Watchdog电路
PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序（预定时间间隔）工作而报警。
（8） PLC的输入、输出控制简单
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，而且也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响；同时PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误；另外，PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。
由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作性，因此，采用PLC实现电机控制，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。
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