西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8详细

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2.3.3现场控制设备

在整个过程控制系统中容易发生故障地点在现场，表2列出了现场中容易出故障的几个方面。

1)类故障点(也是故障多的地点)在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。在该生产线上所有现场的控制箱都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内元器件的使用寿命明显要长。所以减少此类故障应尽量选用继电器，改善元器件使用环境，减少换的频率，以减少其对系统运行的影响。
2)二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我厂对此类设备建立了严格的点检制度，经常检查阀门是否变形，执行机构是否灵活可用，控制器是否有效等，很好地**了整个控制系统的有效性。

3)三类故障点可能发生在开关、限位置、保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该生产线窑尾料球储库上的布料行走车来回移动频繁，而且现场粉尘较大，所以接近开关触点出现变形、氧化、粉尘堵塞等从而导致触点接触不好或机构动作不灵敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。

4)四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。

5)五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PIC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。

6)六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声(干扰)，问题的解决或改善主要在于工程设计时的经验和日常维护中的观察分析。

要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和操作规程，在日常的工作中要遵守工艺和操作规程，严格执行—些相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的霄理。


结束语

     过程控制系统本身是一个完整的系统，所以在分析故障或处理故障时也要注意系统性，单的对某一部分的优化有时并不能提高系统的整体性能。如过分追求元器件的精度而不考虑实际的需要以及和相关设备精度的匹配，将徒然增加系统成本。在日常维护中也有过把系统越改越复杂的现象，如采用复杂的控制方式和设备来实现本可以用简单装置来实现的控制，违背了经济、简单、实用的原则，并可能会增加故障率，这也是要注意的地方。

在往返式传动控制系统中，很多时候都会涉及到多点定位问题。即要求在不同的定位点启动不同的机械动作。但由于机械惯性的作用，常常会给系统带来误差。本系统以龙门刨床的机械传动为例，采用PLC作为控制器，通过变频器调节速度，利用光电编码器和PLC高速计数器进行定位控制，从而实现定位。

 1 龙门刨床的机械传动控制要求

图1 往返式机械传动示意图

 

图1所示的龙门刨床的机械传动示意图。传动系统从原点启动，中速行驶到1000mm，开始高速行驶，高速行驶到3000mm，开始低速爬行，低速爬行到终点（3200mm）停车。停顿2s。反向高速行驶，高速行驶到距原点200mm处开始低速爬行。到达原点停车，停顿2s后重新开始往返。在原点和终点低速爬行的目的是为了避免系统惯性带来的误差，做到原点和终点的定位停车。

2 龙门刨床机械传动的PLC控制系统硬件设计

2.1 系统对变频器的控制要求

变频器的正反转由继电器K1、K2控制，速度的切换由继电器K3、K4完成。变频器故障报警输出触点（30A、30C触点）用于立即停止高速计数器运行，并由指示灯HR指示。

变频器具有多段速度设定功能，当K3、K4两个继电器触点都断开时，高速行驶（速度）;K3闭合，K4断开时，中速行驶（二速度）;K3断开，K4闭合时，低速行驶（三速度）;K3、K4都闭合时，手动调节行驶（四速度）。

旋钮SF用于手动/自动切换，并用指示灯HG1表示自动状态。手动时，能够通过按钮SA1（电机正转）和SA2（电机反转）手动调节传动系统的位置。

按钮SA用于传动系统在自动状态下的启动/停止控制。采用“一键开关机”方式实现启动/停止控制，用指示灯HG2表示启动状态。

行程开关SQ用于自动启动时，确定传动系统在原点位置，自动停止时，传动系统返回原点。行程开关SQ1、SQ2用于传动系统的两端限位，确保传动系统不能脱离设备。

2.2 PLC系统硬件系统的构成及连接

为了实现对龙门刨床机械传动的定位，本系统采用PLC作为控制器，通过变频器进行速度调节，采用光电编码器和PLC高速计数器进行定位控制。根据龙门刨床的机械传动控制要求，系统中有开关量输入点8个，开关量输出点7个，光电编码器A相输入一个，因此选用SIEMENS的CPU224作为控制器，

3 PLC梯形图程序的设计

PLC的梯形图程序设计包含主程序（用于实时调用手动子程序SBR_0和自动子程序SBR_1）、子程序SBR_0（用于实现对系统的手动控制）和 SBR_1（用于实现对系统的自动控制）和中断处理程序INT_0程序（用于处理高速计数器计数当前值到达不同预置值的处理）。由于篇幅所限，以下将以中断处理程序INT_0程序为例，说明变频器对速度的控制和调节。其梯形图如下。

4 梯形图设计过程中要注意的几个关键问题

4.1通过多次改高速计数器的中断和预置值实现多点定位

实现多点定位控制的关键包括两点，点是设置高速计数器中断事件12（计数器当前值=计数器预置值），另一点就是在中断处理程序中改高速计数器预置值。

定位控制需要测量定位点与原点的距离，然后将单位距离（mm）转换成脉冲量，通过光电编码器和PLC高速计数器记录脉冲量的变化。本系统中，光电编码器的机械轴和电动机同轴。传动比=10，用于驱动设备的传动辊直径=100mm，光电编码器每转脉冲数=600个/转。可以计算出每毫米距离的脉冲数为：

每毫米距离的脉冲数=600÷（10×100×3.14）≈0.19108脉冲/mm

位和预置值比较，采用高速计数器中断方式，而不能采用一般的比较指令。因为一般的比较指令无法捕捉高速变化的事件。

所以，通过ATCH和ENI指令将高速计数器中断事件号12（（计数器当前值=计数器预置值）与中断处理程序INT_0连接。在中断处理程序INT_0中，到达预置值时，重新装载下一次的预置值，并执行工艺要求的继电器输出，处理变频器的运行速度。

在自动子程序SBR_1中，将高速计数器HC0设置为单相计数输入，没有外部控制功能。在原点和终点通过改计数方向，便于中断处理程序INT_0判断变频器的运行方向。

4.2 在中断处理程序INT_0中不能使用等于比较指令

由于在一个中断处理程序INT_0中判断处理多个预置值。需要比较指令和计数方向来判断目前高速计数器计数当前值在哪个阶段，根据判断来决定执行那一段指令。但是，判断不能使用等于比较指令，应该使用大于或小于指令判断。

尽管中断事件（计数器当前值=计数器预置值）发生时，PLC立即中断当前主程序、子程序，执行中断处理程序INT_0中的指令。但是，在中断处理程序 INT_0中，PLC仍然是按照逐条逐行的扫描机制执行。而高速变化的计数值不可能和中断处理程序执行同步，如果采用等于比较指令，PLC在执行中断处理程序时，可能会等于值，使PLC在中断处理程序中无法判断设备运行到哪个阶段

  PLC控制系统在使用过程中，经常要修改一些参数，常见的就是修改定时器的设定值。为了操作员方便修改定时器的设定值，可用下列方法来实现： 
    1、使用人机界面 
        PLC可以用触摸屏、文本显示器或工控机作人机界面，方便修改定时器参数，但成本较高。 
    2、使用PLC内置的模拟电位器 
       小型PLC一般都有内置的设置参数用的模拟电位器。如三菱PLCFX1N、FX1S的外部调节寄存器D8030和D8031的值与模拟电位器的位置相对应。S7-200的两个模拟电位器对应的寄存器是SMB28和SMB29。CP1H的模拟电位器对应的寄存器A642。
    3、用模拟量设定功能扩展板修改定时器的设定值 
        FX系列的模拟量设定功能扩展板FX2N-8AV-BD上有8个电位器，可以用应用指令VRRD读出各电位器设定的8位二进制数，用定作定时器、计数器的设定值。 
    4、用PLC外部触点在程序内作加减计数器实现设定定时器的设定值 
        用按钮的上升沿与加减计数器实现。当按下按钮，加减计数器的寄存器加1或减1。而定时器的设定值就是寄存器中的数值。根据需要与定时器的基时要确定按下的次数。加计数与减计数的外部接点要分开。 
    5、增加LCD选件板改变PLC内部定时器的设定值 
       可以方便的监控、变PLC内数据值，并可以实现错误状态的可视化。CP1H、CP1L的PLC可以增加LCD选件板CP1W-DAM01。

4 通信实现的方法
4.1 初始化
     就串行通信而言，交换数据的双方利用传输在线的电压改变来达到数据交换的目的。如何从不断改变的电压状态中解析出其中的信息，双方有一套共同的译码方式，遵守一定的通信规则。这就是通信端口初始化。
通信端口初始化有以下几个项目设置或确认:
（1） 通信模式
串行通信分同步和异步两种模式。同步传输在通信的两端使用同步信号作为通信的依据，异步传输则使用起始位和停止位作为通信的判断。模拟屏通信模式:异步传输;西门子plc通信模式:异步传输;二者通信模式相同。
（2） 数据的传输速率
异步通信双方并没有一个可参考的同步时钟作为基准。这样双方传送的高低电位代表几个位就不得而知了。要使双方的数据读取正常，就要考虑到传输速率。收发双方通过传输在线的电压改变来交换数据，但发送端发送的电压改变的速率和接收端的接受速率保持一致。模拟屏的通信速率:9600bps;西门子plc通信速率:600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps，57600bps，76800bps。初始化，将plc波特率设为:9600bps
（3） 起始位及停止位
当发送端准备发送数据时，会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位及低电位的停止位。接收端会因起始位的触发而开始接收数据，并因停止位的通知而确定数据的字符信号已经结束。起始位固定为1位，而停止位则有1，1.5，2等多种选择。模拟屏的停止位: 1位;西门子plc的停止位:1位或2位。初始化，将plc数据停止位设为:1位。
（4） 数据的发送单位
不同的协议会用到不同的发送单位（欧美一般用8位、日本一般用7位组成一字节），使用几位合成一字节，双方一致。模拟屏的数据发送单位: 8位为一字节;西门子plc的数据发送单位:7位或8位为一字节。初始化，将plc数据发送单位设为:8位。
（5） 校验位的检查
为了预防错误的产生，使用校验位作为检查的机制。校验位是用来检查所发送数据正确性的一种校对码，它分奇偶校验，也可无校验。模拟屏校验位:none;西门子plc校验位:none，odd，even;初始化，将plc校验位设为:none。
（6） 工作模式
交换数据是通过一定的通信线路来实现的。微机在进行数据的发送和接收时通信线路上的数据流动方式有三种:单工、半双工、全双工。rs232和rs422使用全双工模式，rs485使用半双工模式。模拟屏工作模式:rs232全双工/rs485半双工;西门子plc工作模式:rk512 全双工四线制（rs422）;3964r全双工四线制（rs422）;ascii全双工四线制（rs422）;ascii半双工两线制（rs 485）;初始化，将plc工作模式设为:ascii半双工两线制（rs485）。
（7） 数据流控制—握手
传输工作，发送速度若大于接收速度，而接收端的cpu处理速度不够快时，接收缓冲区就会在一定时间后溢满，造成后来发送过来的数据无法进入缓冲区而漏失。采用数据流控制，就是为了**传输双方能正确地发送和接收数据，而不会漏失。数据流控制一般称为握手，握手分为硬件握手和软件握手。模拟屏数据流控制:none;西门子plc数据流控制:none。要通过用户程序询问和控制。
（8） 错误预防—校验码
在传输的过程中，数据有可能受到干扰而使原来的数据信号发生扭曲。为了监测数据在发送过程中的错误，对数据作进一步的确认工作，简单的方式就是使用校验码。模拟屏校验码:异或校验和。要在plc上编校验码程序。

1 引言
     模拟屏能简单、明了地反映现场的实时数据和状态信息，应用十分广泛。为了使现场信息及时、准确、动态地显示在模拟屏上，要求数据采集设备和模拟屏之间进行通信。
     现场信息量比较大，如果每个信号都立连接到模拟屏，信号线数量多、耗线多，不经济，走线不便，故障，采用串行通信可克服以上缺点。
     现在通信方式多种多样、速度越来越快，但串行通信在控制范畴一直占据着其重要的地位。它不仅没有因时代的进步而淘汰，反而在规格上越来越完善、应用越来越广，长久。与并行通信相比，它传输速度慢（并行一次传8位，串行传1位），但并行通信数据电压传输过程中，因线路因素使标准电位发生变化（常见的电压衰减、信号间互相串音干扰）。传输距离越远，问题越严重、数据错误越容易发生。相比之下，串行通信处理的数据电压只有一个标准电位，数据不易漏失。
     常用的串行通信有两种，一种为rs232，另一种为rs422/485。工业环境常会有噪声干扰传输线路，在用rs232，经常会受到外界电气干扰而使信号发生错误。rs232串行通信的信号标准电位是参考接地端而来的，干扰信号在原始信号和地线上均会产生影响，原始信号加上干扰信号后，依然传送到接收端，而地线部分的信号则不能传送到接收端。因此，信号便发生了扭曲。rs422/485传输的是差分信号，在发送端分成正负两部分，到达接收端通过相减，还原成原来信号，两条信号线受到的干扰的程度相同，这就防止了噪声干扰。本文以plc和模拟屏通信为例介绍通过rs485实现点对点串行通信。

2 模拟屏的通信规约及设备
（1） 通信规约
rs232c/485串行口:速率9600bps，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位;传输报文内容以字节为单位，在信道中的传送顺序是:低字节先送，高字节后送;字节内低位先送，高位后送;数据格式为16进制数;异步通信。
（2） 设备
开关量处理器;开关量指示灯;模拟量处理器;模拟量显示器;时钟;通信处理器;控制器。

 （4）结构化文本
这是一种类似用于计算机的编程语言，它适用于对复杂算法及数据处理；
（5）指令表
它为优化编码性能提供了一个环境，与汇编语言非常相似。
厂家提供的编程软件中一般包括一种或几种编程语言，如TE公司的Xbbb编程软件可以使用梯形图（Ladder）、顺序功能图（Grafcet）、结构化文本（Literal）3 种编程语言；Siemens公司的Step7编程软件可以使用梯形图（Ladder）、指令表（STL）两种编程语言；Modicon公司的Modsoft编程软件只使用梯形图（984 梯形）一种编程语言，而另一个Concept编程软件可以使用5种编程语言，依次为梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL）。同一编程软件下的编程语言大多数可以互换，一般选择自己比较熟悉的编程语言。
3、存储器
PLC存储器是保存程序和数据的地方，分内制式和外插式两种，存储器容量在512～128M字节之间，一定要根据实际情况选取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。
PLC存储器按照类型可分随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除只读存储器（EPROM）等。RAM可以任意读写，在掉电后程序只能保持一段时间，适合于在自控系统调试时使用。ROM只能读不能写，程序是由厂家或开发商事先固化的，不能改，即使失电也不丢失。EPROM与ROM只是EPROM通过特殊的方式（如紫外线）可以擦除再写，适合于应用在长时间工作而改动不大的系统中。
4、易于改
PLC较继电器控制的另一个优势在于它可以根据实际需要任意改控制结构（或控制过程），这就要求改程序方便快捷。
5、是否有模块
部分生产厂家的PLC产品提供一些模块，如通信模块、PID控制模块、计数器模块、模拟输入/输出模块等。在软件上也提供了与此相对应的程序块，往往只是简单的输入一些参数就能实现，便于用户编程。
五、与监控系统的通信
1、人机对话操作台。这是监控系统的早期产品类型，是生产厂家专为自己的PLC产品设计的，适合于点对点控制。结构简单，功能少，面板控制，操作较易，现仍然广泛地应用于现场控制系统中。其优点是在远端控制失效的时候，
仍能很好地控制现场。
2、随着计算机的不断发展，依靠PC（包括工控机）的监控系统越来越多地应用在自控系统中，这种监控系统一种是PLC开发商专为自己的（或特定的）产品量身定做的；另一种是软件开发公司开发的适合大多数PLC产品的监控系统。种与PLC产品的相容性强，能够根据PLC产品的特点相应的控制方案，应该说仍以PLC为；后一种则抛开了PLC产品，注重计算机在图像、动画、声音、网络、数据等方面的优势，给二次开发人员了较宽松的开发条件，往往可以制作出的监控系统，只要有相应的通信协议（目前已拥有了绝大多数生产厂家的通信协议），就可以与各种类型PLC相连，是当今自控系统。所以，在这方面应考虑所选的PLC与监控系统的通信方式是否可行。
六、可延性
这里包括三个方面含义：
1、产品寿命。大致可以**所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品；
2、产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。
3、产品的新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够**有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。
七、售后服务与技术支持
1、选择好的公司产品；
2、选择信誉好的代理商；
3、是否有较强的售后服务与技术支持。
八、性价比
相对于自控系统性能的好坏于价格的选择。只是在几项比较接近，又不易选择时，才考虑价格因数，选择性价比比较高的产品。
在实际选型过程中，往往受到多方面的制约，不一定要考虑以上全部方面，但其中有些项是考虑的，而存在的问题也通过其它替代方式加以解决。
一般来说通过前5项的比较，已可确定2～3种产品，再考虑到后几项，便可选中较满意的PLC。随着科学技术的不断发展，PLC产品也一定会有一个统一的标准。那时，挑选PLC将不再是困难的事情

可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。
面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，可以在挑选PLC时作为参考。
可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。
一、工作量
这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的要条件，一般选择比控制点数多10%～30%的PLC。这有几方面的考虑：
1、可以设计过程中遗漏的点；
2、能够**在运行过程中个别点有故障时，可以有替代点；
3、将来增加点数的需要。
二、工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够
适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。
三、通信网络
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统解决的问题，但各厂家的通信协议千差万别，兼容性差。在这一点上主要考虑以下方面：
1、同一厂家产品间的通信。各厂家都有自己的通信协议，并且不止一种。这在大、中型机上表现明显，而在小、微型机上不尽相同，一些厂家出于容量、价格、功能等方面考虑，往往没有或者有与其它协议不同，而且比较简单的通信。所以，在这方面主要考虑的是同一厂家不同类型PLC之间的通信；
2、不同厂家产品间的通信。若所进行的自动控制系统设计属于对已有的自控系统进行部分改造，而所选择的是与原系统不同的PLC，或者设计中需要2个或2个以上的PLC，而选用了不同厂家的产品，这就需考虑不同厂家产品之间的通信问题；
3、是否有利于将来。由于各厂家的通信协议各不相同，上也无统一标准，所以在PLC选型上受到很大限制。就要考虑影响面大、有发展的、功能完备、接近通用的通信协议。
四、编程
程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内。
1、编程方法
一种是使用厂家提供的编程器。也分各种规格型号，大型编程器功能完备，适合各型号PLC，价格高；小型编程器结构小巧，便于携带，价格低，但功能简单，适用性差；另一种是使用依托个人电脑应用平台的编程软件，现已被大多数生产厂家采用。各生产厂家由于各自的产品不同，往往只研制出适合于自己产品的编程软件，而编程软件的风格、界面、应用平台、灵活性、适应性、易于编程等都只有在用户亲自操作之后才能给予评价。
2、编程语言
编程语言为复杂，多种多样，看似相同，但不通用。常用的可以划分为以下5类编程语言：
（1）梯形图
这是PLC厂家采用多的编程语言，初是由继电器控制图演变过来的，比较简单，对离散控制和互锁逻辑为有用；
（2）顺序功能图
它提供了总的结构，并与状态定位处理或机器控制应用相互协调；
（3）功能块图
它提供了一个有效的开发环境，并且特别适用于过程控制应用；