6ES7223-1BH22-0XA8技据

6ES7223-1BH22-0XA8技据

国内近期建设的水厂所采用的自动化系统大都基于PLC。我们经过多年的探索和实践,向大家一套有较价格比的自动化系统：美国OPTO 22(奥图) 公司基于工业现场总线的 分布式智能I/O系统 的解决方案。

水厂的自动化系统,采用的结构一般都是以车间为单位设立子站,子站一般采用PLC,它们之间通过网络联接,网络设备及厂级监控配置的PC放在水厂的监控室。这种连接方法的一个缺点是现场的I/O信号线还是要集中拉到PLC子站处,信号电缆经长距离并大量集中在一起,不但大大增加了信号电缆布线的工程量,而且使信号受到干扰的可能性加大,以后系统维护的工作量也相应增大。现在有的PLC系统也在子站PLC下再接一层子PLC,但这种缺点还是没有克服。

我们的方案是采用三层的结构方式。在水厂厂区范围内布置一套以太网,用于车间子站与监控站及其它子站的通讯。当今世界上网络采用以太网的占了绝大多数,以太网的技术飞速发展,已从前几年的10M发展到100M甚至1000M,而且价格也下降得很快。在水厂采用以太网结构,不仅能紧跟世界科技发展的潮流,而且具有很好的性能价格比,与水司的办公自动化网络能很好结合。以太网可以采用的介质有细缆、粗缆、双绞线或光纤,我们建议使用光纤,因为光纤的抗干扰性、通讯距离长以及升级的方便。 方案以车间为单位设立子站,配置PC连接底层I/O,监控子站范围内的仪表设备的运行及生产过程,并负责与厂级上位机的通讯,还可以通过网络观察其它子站的情况。子站的底层I/O采用基于工业现场总线方式的 分布式智能I/O系统 ,通过工业现场网络(通常是采用RS-485串行通讯协议的一对双绞线)将I/O单元分散到工业现场的设备或仪表附近,这样不但大大地削减了现场到I/O之间一一对应的连接导线,节约了自控系统的安装费用,将信号受干扰的可能性降至,还使用户在以后的维护、扩展都十分方便。

美国OPTO 22公司的OPTOMUX、MISTIC及SNAP I/O系统就是这样典型的 分布式智能I/O系统 ,子站PC通过一条双绞线用串行通讯RS-485方式连接多个OPTO SNAP控制器(连接的方式还可以采用ETHERNET、ARCNET网络通讯方式)；SNAP的控制器再通过一条双绞线RS-485与分布在现场的诸多分布式智能I/O单元相连(连接的方式同样还可以采用ETHERNET、ARCNET网络通讯方式)；分布式智能I/O单元是由一个带处理器的I/O接口板加一个模块安装底板构成,底板上可根据需要插上各式各样的I/O模块。相对于PLC而言,OPTO 22解决方案的主要特点是分布式智能I/O。通过一条双绞线以RS-485的串行通讯,就可以将I/O单元分散到工业现场的设备或仪表附近。I/O单元的I/O模块是单点单通道的,任何一点的失效,都不影响系统及其它I/O,而且I/O模块可进行带电拔插,I/O接口板也可带电拔插,因此在换它们时断电停机,进一步提高了系统的可维护性。在I/O单元的模块安装底板上,开关量(DI、DO)和模拟量(AI、AO)模块可以混装,使得可根据不同现场的不同信号需求进行灵活而贴切的配置,进一步降。

控制系统软件采用OPTO22公司所提供的FactoryFloor软件套件,该软件包括OptoControl、OptoDisplay、OptoServer、OptoConnect、OptoRuntimePC多个部分,一并完成了控制、人机界面、数据库连接等多方面的任务,我们不但得到了优异的控制性能、丰富的人机界面,还很容易的将现场的控制信号数据有效而及时的传送给了水司的管理网,让水司的MIS系统时间了解了现场设备的运行情况。由于我们采用了同一家公司的软硬件产品,在调试过程中,非常方便、容易,从没遇到以前经常碰到的软件通讯方面的问题。

应用实例

★ 深圳市大涌水厂建成的计算机自控系统就是使用了OPTO 22早期的OPTOMUX系统,已经过四年稳定运行。在大涌水厂除了一些进口的加氯机和水质检测仪表外,其余全是国产的制水设备。水厂自控系统的运行,实现了车间无人值守,提高了全厂生产组织和调度指挥水平,促进了设备完好,保了出厂水质,降低了制水消耗,为水厂带来了显著的社会效益和年约200万元的直接经济效益。面向国产制水设备的水厂自控系统达到这一程度是不多见的

★ 深圳市东湖水厂采用了新的OPTO 22的SNAP系列的I/O作为自控系统的基础,在水厂进行工艺设备改造的同时进行自控系统配套。水厂改造过程中选用了一些较的智能仪表和设备,比如送水泵电机、轴承的温度巡检仪----用一个仪表检测十几个温度点,可节省不少费用。这种温度巡检仪带有RS-485串行接口输出,而用SNAP的控制器与它相连,在不多花一分钱的情况下,就能检测水泵的十几个温度值。再如水厂的Siemens高村配电柜上有一个综合保护器,使用SNAP的RS-485串行通讯方式与之相连,得到了各种配电方面的保护信号如：过流保护、短路保护、负相序保护等等。OPTO 22与各种带有串行通讯接口的智能仪表、设备能很方便地集成,使我们在选用的仪表、设备时的选择范围广泛,这样在建设水厂时,就可以选用各种性能价格比优者,提高水厂的性并降低造价

注：24VDC供电的传感器,在输入回路上需要串联限流电阻，R1为10Ω，R2为2KΩ，不串联限流电阻，将烧毁接口回路，限流电阻取值2.7KΩ。

三、外部输入元件

1、无源干接点（按钮开关、行程开关、舌簧磁性开关、继电器触点等）

无源干接点比较简单，接线容易。不存在电源的性，压降等因素，上图3-6中的输入元件这是此类型。这里不重复介绍。

2、有源两线制传感器（接近开关、有源舌簧磁性开关）

有源两线接近开关分直流与交流，此传感器的特点就是两根线，传器输出端导通后，为了保证电路正常工作需要一个保持电压来维持电路工作，通常在3.5-5V的压降，静态泄露电流要小于1mA，这个指标很重要；如果过大，在接近开关没检测信号时，就使PLC的输入端的光电耦合器导通。我公司的LJK系列两线制接近开关静态泄露电流控制在0.35-0.5mA之间适应各类型PLC。

直流两线制接近开关分二管性保护与桥整流性保护，前者在接PLC时需要注意性，后者就不需要注意性。有源舌簧磁性开关主要用在汽缸上做位置检测，由于需要信号指示，内部有双向二管回路，因此也不需要注意性；交流两线制接近开关就不需要注意性。如图10：

2.1 单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。如图11

2.2 单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。如图12:

2.3 S/S端子接法参考图5-图6以及图11-图12。3、有源三线传感器（电感接近开关、电容接近开关、霍尔接近开关、光电开关等）

直流有源三制线接近开关与光电开关输出管使用三管输出，因此传感器分NPN和PNP输出，有的产品是四线制，有双NPN或双PNP，只是状态刚好相反，也有NPN和PNP结合的四线输出。

NPN型当传感器有检测信号VT导通，输出端OUT的电流流向负，输出端OUT电位接近负，通常说的高电平翻转成低电平。

PNP型当传感器有检测信号VT导通，正的电流流向输出端OUT,输出端OUT电位接近正，通常说的低电平翻转成高电平。

电路中三管的发射上的电阻为短路保护采样电阻2-3Ω不影响输出电流。三管的集电的电阻为上拉与下拉电阻，提供输出电位，方便电平接口的电路，另一种输出的三管集电开路输出不接上拉与下拉电阻，多问题可以参考《接近开关、光电开关的输出与负载接口问题》的文章。

简单说当三管VT导通,相当与一个接点导通，如图13：

3.1 单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM→24V+，外部共线→24V-）。如图14:

3.2 单端共点SRCE输入接线（内部共点端子COM→24V-，外部共线→24V+）。如图15:

3.3 S/S端子接法参考图5-图6、图11-图12以及图14-图15。

四、小结

PLC输入接口电路形式和外接元件（传感器）输出信号形式的多样性，因此在PLC输入模块接线前必要了解PLC输入电路形式和传感器输出信号的形式，才能确保PLC输入模块接线正确无误，在实际应用中才能游刃有余，后期的编程工作和系统稳定奠定基础。

一、输出方式选择

(1)继电器输出：优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达 2A/点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的 (2)晶闸管输出：带负载能力为0.2A/ 点，只能带交流负载，可适应动作，响应时间为 1ms。(3)晶体管输出：大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带DC5-30V的负载，大输出负载电流为0./点，但每4点不得大于0.8A。

当你的系统输出频率为每分钟 6 次以下时，应继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次/min 以下时，既可采用继电器输出方式，也可采用PLC输出驱动达林顿三管（5-10A），再驱动负载。

二、抗干扰与外部互锁

当PLC输出带感性负载，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。当两个物理量的输出在PLC内部已进行软件互锁后，在 PLC的外部也应进行互锁，以加强系统的性。

三、COM 点的选择

不同的 PLC 产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带 8 个输出点，有的带 4 个输出点，也有带 2 个或1个输出点的。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1-2个输出点的 PLC 产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点。

1．PLC的体系结构

 当你构建一个系统时，可以有很多方式来安排系统部件。有些安排考虑的是对成功操作的有效性大化。（性或可用性）。有些安排考虑的是防止特殊失效的发生（失效，失效危险）。

 控制系统部件的不同安排可以从它们的体系结构中看出来。这节内容将介绍市场上几款常见的可编程电子系统（PES）的体系结构，了解它们的特性，以及在和关键控制中的应用。它们是在实践中已经存在的多种结构的代表，真正现场使用的系统就是这些结构的不同组合。

下面的内容将用N选X(比如2选1)的方式：XooN来介绍系统。在每个类型中，X代表需要执行功能的通道数，而N代表整个可用的通道数。

1.1．1oo1单通道系统

单控制器带有单个逻辑解算器和单个I/O，代表了一个小化的系统，见下图（图1）。这个系统没有提供冗余，也没有失效模式保护。电子电路可以失效（输出断电，回路开路）或者失效危险（输出粘连或给电，短路）。这种安排方式是典型的非－常规PLC系统结构。

图1：1oo1结构

PLC的输入和常规PLC的输入接法也有区别，常规PLC的输入通常接传感器的常开接点，而PLC的输入通常接传感器的常闭接点，用于提高输入信号的快速性和性。有些PLC输入还具有“三态”功能，即“常开”、“常闭”和“断线”三个状态，这样可以通过“断线”来诊断输入传感器的回路是否断路，提高了输入信号的性。

 另外，有些PLC的输出和常规的PLC的输出也有区别。常规PLC一旦输出了信号之后，就和PLC本身失去了关联，也就是说输出后，比如说“接通”外部继电器，继电器本身后到底通没通，PLC并不知道，这是因为没有外部设备的反馈所致。PLC具有所谓“线路检测”功能，即周期性的对输出回路发送短脉冲信号（毫秒级，并不让用电器导通）来检测回路是否断线，从而提高了输出信号的性。

 1.2．1oo2双通道系统

两个控制器的并行处理和连线，可以把单个PLC危险失效的影响降到。

 为了断开系统，两个输出电路采用串行连接，以防止任何一个控制器在危险的方式下失效，造成系统失效危险。

 1oo2结构（图2）常用于两个立逻辑解算器、并各自带有自己立的I/O。系统提供了较低的失效可能性，但它增加了失效断路的可能性。失效断开率的增加，有可能增加流程系统的停车和机械系统的停机。

图2：1oo2结构

这种结构的输入方式有两种：一种为一个传感器接到两个输入点上（可以使用同一个模块的两个点，也可以使用两个模块的两个点，厂商用户采用不同机架上的两个不同模块的两个点）；一种为两个传感器或者一个传感器的两个接点接到两个输入点，这样可以进一步提高输入信号的性（传感器冗余）。

 图中的结构为两个彼此立的系统，在输出之前并没有对输入信号和运算结果进行表决，而有些系统对输入信号和逻辑结果要进行表决，然后输出。1oo2系统的表决机制也非常特别。当两个输入都为“0”或“1”信号时，自然没有问题。但如果出现一个为“0”、而一个为“1”，系统如何表决呢？答案是：取的值做为表决的结果！那么何谓值？答案是：要根据具体的应用进行设置。如果“0”为值，那么出现一个“0”和一个“1”时，择“0”，相当进行了一次3选2的表决。

 下面再谈谈输出的接线方式问题。一般来说也有两种接法，被称为：接法和冗余接法。所谓接法指的是：输出的两个通道进行串联后再接执行器，逻辑关系为“与”，也就是说：一个通道为“0”，负载就不得电，这样可以确保系统的性。所谓冗余接法指的是：输出的两个通道进行并联后再接执行器，逻辑关系为“或”，也就是说：一个通道为“1”，负载就可以获电，这样可以提高系统的可用性。至于采用哪种接线要根据应用的要求来决定。如果是性系统，建议采用接法。如果是高可用性系统，建议采用冗余接法。

1.3．1oo1D双通道系统

这种结构使用一个带有诊断能力的单一控制器通道，和二个诊断通道利用串行连接构成输出回路。典型的1oo1D结构见图3。1oo1D的“D”意思是诊断的含义，所以被称为一选一诊断系统，功能相当于一种二选一系统。因为这种系统的造价相对低廉，所以这种系统在应用中扮演了重要的角色。这种1oo1D结构由一个单一逻辑解算器和一个外部的监视时钟而构成，定时器的输出与逻辑解算器的输出进行串联接线。

 在的系统中，内置诊断控制一个立串联输出，当系统出失效时，它会强制系统处于断开状态。诊断功能把检测到的一个危险失效转变成一个失效。

图3：1oo1D结构

出开关。比如固态开关提供了常规的控制器输出，而另一个继电器由内部诊断控制，提供了二个常开接点开关。如果在输出通道到一个潜在的危险失效，继电器触点就会断开，使输出回路断电，确保执行器处于状态。

双重电路通道可以使用不同类型的触点实现1oo1D结构，比如两个常开点，或者一个常开点加一个常闭点等。后缀“D”反映了系统在每个通道中，具有广泛和细致的自诊断能力。二个停机路径，就是由这个自诊断系统，运用的“依据参考”的方法进行系统诊断。下面是标准的1oo1D结构的特性：

•单一控制器；

•单一I/O子系统，带有保护输出和“失效接通”和“失效断开”的诊断输出选择；

•冗余电源；

•冗余通信总线；

•诊断率>99.5%。

1.4．2oo3三通道系统

如果在一些控制系统的应用中，根本不允许失效模式的出现，那么三选二系统是一种牢靠的办法。当要防止两种失效模式的出现时，系统的结构变得非常复杂。一种既可以容忍“”失效，又可以容忍“危险”失效的结构设计，就是三选二结构（三个单元中选择两个相同的结果用于功能，见图4）。这种带有三个控制器单元的结构，提供了即有性又有高可用性的系统。这种系统被称为TMR（三重模块冗余）系统。

每个控制器单元的输出通道都带有两个输出点。把三个控制器各自的两个输出点连接成“表决”电路，用表决的结果来决定真正的输出信号。输出的取决于“多数”的意见。当一条电路中有两个输出点接通时，输出负载将被。当一条电路中有两个输出点断开时，输出负载将被断电。

图4：2oo3结构

 在上图的输出接线中，没有直接把三个输出的接点简单地串联后，接到执行器。如果这样接的话，那就是纯粹的接法，而不考虑容错问题了。图中采用的是：两两输出接点行串联－接法，然后把三种可能的串联组合再并联起来－冗余接法。所以把这种系统称为：兼顾了性和高可用性的系统。

一个TMR系统通常由三个同样的CPU组成，通常运行同一个应用程序（特殊情况下，有些系统故意要运行不同的应用程序，这里暂且不讨论）。每个CPU连接到同样的输入和输出子系统。每个CPU接受所有的输入并执行表决，决定开关量输入和选择中间量的模拟量输入。

 每个输入可以是一个传感器、两个传感器或者三个传感器，这取决于应用的要求。每个扫描周期，每个输入设备往CPU传送一次数据，因为传感器是广播方式传送输入数据，所以同样的输入传给所有的CPU。每个CPU接收了表决输入数据以后，再执行应用程序。

 每个CPU是各自立地、非同步地运行，并且不共享它们的输入/输出数据，从而避免了一个CPU的错误数据影响其他CPU的数据存储器。每个CPU执行相同的应用程序，处理输入数据，然后建立新的输出数据。通过输出模块和现场表决接线，把输出数据传送至输出设备。

保证一个TMR系统可以正常运行的另一个重要内容是TMR软件。TMR软件提供了系统配置工具和系统软件功能。还有专为TMR应用准备的文件夹，TMR系统软件控制输入表决、特殊的TMR存储器映射、诊断信息、周期性自检、和PLC子系统的其他操作。

 1.5．1oo2D带诊断的双通道系统

 1oo2D结构有两重的1oo1D系统，并联接线，并有额外的控制线路，提供了1oo2功能。图5表示了1oo2D的结构。

1oo2D设计成既能容忍失效，又能容忍危险失效的系统。基于诊断和结合2oo2的可用性与1oo2的性的执行，它可以有效地进行自我重新配置。这种结构非常依赖诊断，因此不同厂商在具体实现时，有不同的解决方案。现在，这种结构取代了很多2oo3系统，因为它降低了系统成本，并且在性和可用性的性能相差无几。

图5：1oo2D结构

1oo2D结构提供了的系统容错，与1oo1D系统提供了相同的基本特性，但增加了控制器和I/O系统的全部冗余。1oo2D结构提供了别的性和可用性。

为了实现全部的容错，把基于1oo1D的结构进行并联，1oo2D也被称为“四重化”结构。在检测到个关键失效时，系统会走向（降级）1oo1D模式，但不停机。这时可以对系统进行在线维护，直到系统恢复成1oo2D结构。

 1oo2D结构减少了硬件的数量，特别是相对于标准的TMR系统，同时提供了一个并行的带有保护的输出。系统的一方面在线诊断关键失效（输入/处理器/输出），另一方面维持控制和系统有效状态。这种结构的性能在性和可用性两方面，都要常规的双PLC和TMR系统。

这种结构还有规避外部公共因素影响的优点。不像其他系统，有些1oo2D结构的两边能够安装在不同机柜内的不同机架上，使系统暴露于恶劣现场环境的可能性小化，减少比如机柜温度或者其他物理参数对系统的影响。

1.6．2oo4D四重化系统

为了在系统出现问题后，系统可以降级到1oo2D的系统继续运行，一些厂商在市场上提供了一种称为四重化的系统方案，有时被称为QMR（四重模块冗余）。 

四重化系统，实际的系统结构是基于双重化的输入和输出的结构变化而来的，四重的含义是指系统包括了四个处理器（每条腿上有两个）。这种结构确保了即使系统的一条腿由于错误或替换停机，整个系统还是完整的。比起1oo2D或2oo3系统，感觉2oo4D的系统可能而且，实际上它们在运行时，系统所提供的可用性和完整性等级是一样的。

图6：2oo4D“四重化”结构

与硬件相反，软件永远不会降级。因此，当使用软件检测硬件时，总是在误动作发生之前就可以发现它们。QMR系统使用软件进行自测试和自诊断，从现场至处理器。这使得QMR系统比任何其他没有使用自测试和自诊断的系统加，这其中包括2oo3或者2oo4系统。

除了具有系统内部自测试和自诊断能力外，QMR系统还有测试和诊断现场回路的能力。对于输入和输出，系统都具有回路监视功能。一旦发现回路中出现短路和开路，就会生成报警。这种自动检测和诊断方法减少了整个系统的维护和测试的费用。

QMR带诊断系统具有处理多失效的能力，因为它能够发现和隔离系统中任何地方出现失效的能力。只要失效不是来自系统的同一个部分，它可以具有在多个失效产生时，不丢失任何功能的能力。结合2oo4D的诊断技术，使得系统具有发现和隔离甚至不发生误动作的能力。

QMR系统是个、并且目前是仅有的一个使用真正的双容错结构。它是仅有的、具有当两个处理器都失效而能保持系统执行功能到SIL3等级的系统。

QMR系统在替换失效模块时，是非常容易的，可以在线进行，不需要热备或者中间模块，不会影响装置的流程。因为两个通道立运行，可以工作于一个通道而不减少整个系统的功能。另外，在线可以下载完整程序，而不会影响流程和减少系统的完整性。在改变到新的应用程序前，系统会执行一个检查，并且把值进行拷贝，确保和正确地连续运行。

2．系统体系结构小结

总之，从不同系统结构角度来看性和可用性，会使多数用户感到困惑。下表描述了系统结构对一个处理单元或控制器一旦失效发生所带来的影响。在每种情况中，达到的完整性和容错性仅代表冗余对性和可用性的影响。做为冗余，仅有一个测量值来考虑性和可用性是不够的，还要考虑很多其他的因素。