西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8使用选型

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本文分析了PLC控制系统的干扰源和抗干扰措施，指出在工程应用时综合考虑控制系统的抗干扰性能，并提出抗干扰措施。
尽管PLC（可编程序控制器）自身已具备较好的抗干扰能力，但在PLC控制系统的工程设计、应用和维护过程中，系统抗干扰能力仍然是系统运行的关键。笔者在多年教学、科研和生产实践中常遇到PLC因干扰而不能正常工作的情形。因自动化系统中所使用的各种类型PLC大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，要提高PLC控制系统性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求在工程设计、安装施工和使用维护中高度重视，多方配合才能解决问题，有效地增强系统的抗干扰能力。
1　干扰源分析
1．1　干扰源及其一般分类
对PLC系统而言，常采用共模干扰和差模干扰的分类方法。共模干扰主要由电网串入、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时，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，这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。此外，按噪声产生的原因，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，分为持续噪声、偶发噪声等。
2．2　PLC控制系统干扰的主要来源
（1）来自空间的辐射干扰。空间的辐射电磁场（EMI），主要由电力网络、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，通常称为辐射干扰。其分布为复杂。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；二是对PLC通信网络的辐射，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。
（2）来自电源的干扰。因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，换隔离性能好的PLC电源，才能解决问题。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，如开关操作浪涌、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，但因其结构及制造工艺使其隔离性并不理想。
（3）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，大大降低测量精度，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模件损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
（4）来自接地系统混乱的干扰。PLC控制系统正确的接地，是为了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。这样会引起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，当发生异常情况时，地线电流将大。
屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，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，引起信号测控失真和误动作。
（5）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。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
2　抗干扰设计和措施
2．1　选择抗干扰性能好的设备
选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，包括电磁兼容性（EMC），尤其是选择抗外部干扰能力强的产品，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；另外还要调查其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品时要注意电网制式。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。因此在采用国外产品时，需按我国的标准（GB／T13926）合理选择。
2．2　综合抗干扰设计
主要考虑来自系统外部的几种干扰源并采取相应抑制措施。主要包括：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，特别是动力电缆，要分层布置，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。
2．3　电源的选择
在PLC控制系统中，电源占有重要的地位。主要是变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源引起的干扰，并没有受到足够的重视，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。
2．4　电缆的选择和布置
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，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布置，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布置，以减少电磁干扰。
2．5　滤波及软件抗干扰措施
信号在接入PLC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。此外，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，以提高软件结构性。
2．6　完善接地系统
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单的接地线引向接地。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体接地点，然后将接地母线直接连接接地。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地的接地电阻小于2Ω，接地埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
综上可见，PLC控制系统中的干扰是个十分复杂的问题，在设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对某些干扰还需作具体分析，采取对症的方法，才能使PLC控制系统正常工作。

本文分析了PLC控制系统的干扰源和抗干扰措施，指出在工程应用时综合考虑控制系统的抗干扰性能，并提出抗干扰措施。
尽管PLC（可编程序控制器）自身已具备较好的抗干扰能力，但在PLC控制系统的工程设计、应用和维护过程中，系统抗干扰能力仍然是系统运行的关键。笔者在多年教学、科研和生产实践中常遇到PLC因干扰而不能正常工作的情形。因自动化系统中所使用的各种类型PLC大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，要提高PLC控制系统性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求在工程设计、安装施工和使用维护中高度重视，多方配合才能解决问题，有效地增强系统的抗干扰能力。
1　干扰源分析
1．1　干扰源及其一般分类
对PLC系统而言，常采用共模干扰和差模干扰的分类方法。共模干扰主要由电网串入、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时，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，这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。此外，按噪声产生的原因，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，分为持续噪声、偶发噪声等。
2．2　PLC控制系统干扰的主要来源
（1）来自空间的辐射干扰。空间的辐射电磁场（EMI），主要由电力网络、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，通常称为辐射干扰。其分布为复杂。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；二是对PLC通信网络的辐射，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。
（2）来自电源的干扰。因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，换隔离性能好的PLC电源，才能解决问题。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，如开关操作浪涌、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，但因其结构及制造工艺使其隔离性并不理想。
（3）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，大大降低测量精度，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模件损坏相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
（4）来自接地系统混乱的干扰。PLC控制系统正确的接地，是为了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。这样会引起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，当发生异常情况时，地线电流将大。
屏蔽层、接地线和大地也有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，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，引起信号测控失真和误动作。
（5）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。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
2　抗干扰设计和措施
2．1　选择抗干扰性能好的设备
选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，包括电磁兼容性（EMC），尤其是选择抗外部干扰能力强的产品，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；另外还要调查其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品时要注意电网制式。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。因此在采用国外产品时，需按我国的标准（GB／T13926）合理选择。
2．2　综合抗干扰设计
主要考虑来自系统外部的几种干扰源并采取相应抑制措施。主要包括：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，特别是动力电缆，要分层布置，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。
2．3　电源的选择
在PLC控制系统中，电源占有重要的地位。主要是变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源引起的干扰，并没有受到足够的重视，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。
2．4　电缆的选择和布置
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，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布置，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布置，以减少电磁干扰。
2．5　滤波及软件抗干扰措施
信号在接入PLC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。此外，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，以提高软件结构性。
2．6　完善接地系统
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单的接地线引向接地。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体接地点，然后将接地母线直接连接接地。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地的接地电阻小于2Ω，接地埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
综上可见，PLC控制系统中的干扰是个十分复杂的问题，在设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对某些干扰还需作具体分析，采取对症的方法，才能使PLC控制系统正常工作。

  西门子与AB主要的差别在于AB所使用的网络类型都是开放的网络，可以与其他公司的产品做到很好的兼容，AB控制层网络采用ControlNet网络，该网络是一种的工业局域网，具有开放性、率、多功能、确定性和可重复性、灵活性等特点，扩展性强，可共享I/O，并具有强大方便的网络组态，诊断功能及性。
一、开放性
ControlNet 已成为工业自动化领域的标准网络。在现场总线协会所确定的8种网络标准中排名三位，仅仅次于以太网和Devicenet。网络标准为 IEC61158。这种标准化带来的好处就是使得用户可以选择不同的设备供应商来提供他们的设备，而这些设备可以通过标准化的网络联系在一起，协调有序地工作。随着芯片技术、网络技术和软件技术的发展，用户对自动化的要求越来越高，现代的自控系统已经不再是传统的单机应用，在一个现代化的自控系统中，已经不再可能由某一家公司提供全部的设备，即便某家公司有这个能力，他所提供的产品也未必都是合适的，这就不可避免的要使用到不同厂家的产品，用户在设计之初，选择一个具有广泛支持的标准化网络，只有这样，所有的设备才能很好地集成为系统，而ControlNet是用户的选择。
二、率
控制网络要实现高速确定的传输要求，网络波特率已经不再是主要因素，网络模式成为决定网络效率的关键。ControlNet采用了全新的网络模式，即生产者 /消费者(PRODUCER/CONSUMER)模式，传统的网络模式采用的是源/目的模式，每发送一个信息就需要一个确定的源/目的地址数据包，这种模式的大弊病在于不确定性，同样的信息如果要传输到网络上多个节点，重复传输多次，这大地浪费了网络带宽，降低了网络效率，而采用生产者/消费者模式，网络不需要单的源/目的地址，代之以数据标识，因此不同的消费者（信息接收者）可以根据数据标识同时接收来自生产者（信息产生者）的信息，如果某些信息是它所不需要的，它可以忽略，而只处理那些它所需要的信息，这种全新的网络模式是对传统的网络模式的，它大地提高了网络的效率。该模式同时也被 DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代表了下一代网络的趋势。
三、多功能
由于ControlNet采用了全新的生产者/消费者(PRODUCER/CONSUMER)模式，使得它具有了传统网络所无法想象的高功能，具体说来，这包括：用同一个网络实现对实时性要求不同的信息的传递。传统上，在PLC处理器之间所使用的网络不能用于扩展I/O机架或从站，反之亦然，但是 ControlNet可以同时满足这两方面要求，因此在现场只需要构成一个完整的控制层网络，该功能同时也为在ControlNet上实现I/O的共享提供了可能。
在ControlNet上，用户可以根据需要，构成主从、多主和对等通讯网络，甚至可以在同一个网络上混合构成主从、多主和对等通讯网络，这为网络的应用提供了大的灵活性。
ControlNet上的节点，可以根据每个节点的特性选择采用巡检、定时和逢变则报等多种工作方式，这大地降低了网络上无用信息的传输，有效地利用了网络带宽，提高了网络效率。
四、确定性和可重复性
ControlNet 区别于传统网络的一个显著特点就是其确定性，由于ControlNet采用了生产者/消费者的网络模式，使得其网络速度和效率不随网络上节点数目和网络距离而变化，并且用户可以预先组态网络上节点的信息传输时间(毫秒级)，使用者编写通讯程序便可确保全部信息在预先设定的时间间隔内得到传输。 ControlNet采用的时间片技术从原理上杜绝了网络发生阻塞的可能。确定性和可重复性在现代控制系统中得到了越来越多的应用。
五、灵活性
ControlNet具有灵活的拓扑结构，它可以方便地构成星型、树型、总线型和环形的拓扑结构；距离可长达成30公里。ControlNet可以采用多家厂商提供的通讯介质，包括适用于各种环境的同轴，光纤电缆。
ControlNet是一个本质的网络，它可以应用于各种环境场合。
六、强大方便的网络组态，诊断功能及性
ControlNet 具有强的网络组态及诊断功能用户可以从网上任何一个PLC节点的网络编程口进入网络，对网络进行编程和组态。网络组态软件为图形化WINNT软件，用户界当友好。一旦某一节点发生故障可及时发现。大大提高网络诊断功能。ControlNet具有可选的冗余配置，采用不同路径的冗余网络配置， ControlLogix同时侦听两条网络上的信息，而选择其中信息质量好的网络信息，大地提高了网络的性。
七、I/O共享
传统的控制网络无法实现I/O共享，但在ControlNet上，每个PLC处理器可以拥有它自己的I/O，也可以拥有共同的I/O，这也就是说，一个I/O机架可以同时属于多个PLC处理器。
八、扩展性能
由于ControlNet是一个标准的开放的网络，故而具有良好的可扩展性，选择ControlNet为今后集中扩展系统的构成创立了良好的基础。
九、基本指标
控制层系统使系统的重要部分，为了确保系统的性，本方案采用ControlNet的网络结构为冗余网络，传输介质可选同轴电缆或者光纤。

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。

用户存储器包括用户程序存储器(程序区)和功能存储器(数据区)两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序，以及用户的系统配置。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM(有掉电保护)、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放(记忆)用户程序中使用器件的ON/OFF状态／数值数据等。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。