西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0产品规格

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一、概述

要提高PLC控制系统性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

二、电磁干扰源及对系统的干扰

1、干扰源及干扰一般分类

影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。

干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

2、PLC控制系统中电磁干扰的主要来源

（1）来自空间的辐射干干扰

空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

（2）来自系统外引线的干扰

主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

来自电源的干扰
实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后换隔离性能高的PLC电源，问题才得到解决。

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。

来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

（3）来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

三、PLC控制系统工程应用的抗干扰设计

为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。

1、设备选型

在选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。

2、综合抗干扰设计

主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还利用软件手段，进一步提高系统的性。

四、主要抗干扰措施

1、采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰

在PLC控制系统中，电源占有重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。

此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

2、电缆选择的敖设

为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后了满意的效果。

不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠行敖设，以减少电磁干扰。

3、硬件滤波及软件抗干扰措施

信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两间加装滤波器可减少差模干扰。

由于电磁干扰的复杂性，要根本迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构性。

4、正确选择接地点，完善接地系统

接地的目的通常有两个，其一为了，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体接地点以

一、嵌入式PLC概念

嵌入式PLC是指在特定的控制装置中实现PLC（Programable Logic Controller）编程语言的解释、执行，使特定装置在自身功能基础上具有PLC的基本功能。

PLC编程语言（又称梯形图语言）是一种面向工厂自动化工人师傅的语言，具有简洁、直观，面向工艺流程等许多优点。PLC编程语言的出现使控制装置中的硬件管和面向控制流程分离，PLC制造商专注于硬件及硬件管理，工厂自动化人员借助梯形图语言作二次开发，使同一种PLC适用于不同的控制系统中，形成了可编程逻辑控制器（PLC）这种概念级产品。

但控制产品的设计已发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段。常规PLC无法进入的市场，面临多的是个性化、差异化的压力，如成本控制、特殊功能等。出现了工控机（IPC）、单片机嵌入板与贴近个性化需求的控制产品。IPC在互连、表达、算法等方面优势明显，单片机系统在成本控制上加灵活。IPC由于加载了操作系统（如NT）其实时性、稳定性难以满足连续控制的苛刻要求。适合于监控，低层通常用PLC；单片机系统将硬件管理和用户工艺流程控制混在一起，制约了它的标准化，并终失去成本竞争优势。

嵌入式PLC正是面向IPC和单片机系统开发的，它保留了PLC（借助梯形图语言）硬件管理和工艺控制分离的优势，结合IPC和单片机提供的个性化、差异化的设计方法，形成一种新的控制器设计理念。当我们在IPC中嵌入PLC的功能时，我们称之为基于PC　Base的嵌入式PLC，当我们在单片机中嵌入PLC功能时，我们称它为基于All ON One的嵌入式PLC（片级嵌入PLC）。来特别说明时，嵌入式PLC指片级嵌入式PLC，以下描述以科威公司EASY　V1.00嵌入式PLC为例。

二、嵌入式PLC软件架构

1、总体结构

EASY　V1.00嵌入式PLC是一种实时性很强的操作系统软件，总体结构包括三个层面。

①嵌入式PLC内核　它完成实时任务调度，梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；

②二次开发程序　通过内核提供的外挂，使用内核开发各种面向具体对象个性化差异化的驱动程序；

③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言编程；

EASY　V1.00总体结构

对于二次开发人员开发面向个性化对象的驱动程序，了解嵌入式PLC内核结构，尤其是驱动接口设计方法，下面分块介绍内核的各块功能。
2、实时OS
面向小型单片机，一般的实时操作系统无法加载，OS/Ⅱ 占用了过多的资源，EASY　V1.00内核根据任务的类别、实时要求、定制了一款实时OS，它无文件系统和内存管理两部分。
①硬实时状态下的抢占式并发任务管理
EASY　V1.00内核提供2.5ms基准时基，它作为一种不可的任务循环执行用于各类任务的监控管理。
对于工控应用中的异步事件采用并发式任务管理，通过各类中断抢占的挂起、执行，每类异步任务执行前，在2.5ms任务中注册，执行后注销，通过2.5ms时基监控并发任务的流量及阻塞状况并报字到上一级任务调度。
在EASY　V1.00中，存在以下异步任务：
＊通信数据链络层的字节流
＊梯形图语言中的定时器
＊二次开发驱动程序中的实时异步任务
并发任务管理是EASY　V1.00中层的任务管理，达到ms级实时效果，单位时间内（1ms）占用CPU机时峰值为:
R
T并＝∑Niti
I=0
Ni-1ms内任务的大执行次数，ti-i任务的一次执行大时间。


EASY　V1.00并发任务实时数据

T并＝10ms+25ms+25ms+50Hs+40Hs+ΔT+∑Njtj
j=3
R
＝150ms+ΔT+∑Njtj
j=3
其中ΔT为驱动异步任务管理时，在2.5ms时基中占用的时间
R
∑Njtj为驱动异步事件任务占用的时间。
j=3
R
系统阻塞条件为ΔT+∑Njtj>1000H50Hs=750ms
j=3
②软实时状态下的时间片级间任务调度
PLC梯形图语言以“扫描周期”方式逐条指令解释执行的，2.5ms时基监控大扫描时间，在规定扫描时间内完成各项任务。
将执行一条梯形图指令及相关任务定义为一个时间片，所有时间片总和为“扫描周期”。
EASY　V1.00一个时间片调度的任务如下：
＊执行一条梯形图语句
＊查询通信报文状态及报文拆装
＊查询梯形图函数调用及运行调用函数
＊查询用户软实时任务及执行用户任务（用户软中断）
时间片轮间占用CPU机时峰值为
4
T片＝∑MRTK
k＝1
k为4个软实时任务，mk为每个软实时任务的子任务数，Tr为每个软实时任务的执行时间。




T片＝3－45ms+t4
t4为用户软中断任务占用时间和。
“扫描周期”指解释、执行所有梯形图指令并执行扫描结束处理所占用的时间，由于这期间有并发任务产生，“扫描周期”应包括并发任务占用时间。

R
并发任务占用比X＝T并/ 1ms ＝ （150ms+ΔT+∑Njtj）/1000ms ＝15%－**
j=3

设用户梯形图含X条指令

T扫＝（X.T片+ΔTend）/X

ΔTend为扫描结束处理占用时间。（待续）