西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8一级代理

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概　述
PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置，因为其本身的高性、允许在较为恶劣的环境下工作而在自动控制领域中得到广泛应用。在PLC控制系统中，就PLC本身来说，其薄弱环节在I／O端口，虽然它有与现场相当的隔离和端口之间的隔离以及端口输入、输出信号与总线信号之间的隔离，但由于PLC的应用场合越来越广，应用环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。因此，研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力和性具有重要作用。
2　影响PLC控制系统稳定的干扰因素
   影响PLC控制系统稳定的干扰因素很多，主要 的有下面几种：
（1）电源波形畸变干扰：由于PLC控制系统本身或者电网其它设备采用SCR、GTO、IGBT等电力半导体器件，在工作时产生的高次谐波、噪声、寄生振荡等，引起电网电源波形畸变，通过电源线路对PLC产生的干扰。
（2）电路耦合干扰：由于PLC接地点选择不当或接地不良，通过回路公共阻抗发生耦合而产生的电流干扰。
（3）输入元器件触点的抖动干扰：由于现场强烈振动使PLC输入元器件触点发生抖动（尤其是常闭触点）产生的误信号所形成的干扰
（4）电容性干扰：在干扰源与干扰对象（PLC）之间存在分布电容耦合所产生的干扰。
（5）电感性干扰：干扰源中的交变磁场通过干扰对象（PLC）中的电感性元件耦合所产生的干扰。
（6）波干扰：由空间电磁波（主要是雷达、电台、移动电话等）的电磁场、传导波的传导电流和传导电压所产生的干扰。过合理配置供电电源、正确选择接地点、接地方式和输入输出配线等措施，可有效提高系统的抗干扰能力。
3．1　供电电源
由于PLC本身抗干扰的能力很强，通常只要将PLC电源与系统动力设备分开配线，对于从电源来的干扰，具有足够强的抑制能力。但是，如果遇到特殊情况，电源干扰特别严重，可采用带屏蔽层的隔离变压器供电，甚至加接线路滤波器，以抑制从交直流电源侵入的常模和共模瞬变干扰，还可抑制PLC内部开关电源向外辐射噪声。在有较强干扰源的环境中使用PLC，或对PLC工作性要求特别高时，应将屏蔽层和PLC浮动地端子接地。
3．2　接地
在PLC控制系统中，具有多种形式的“地”，主要有：
（1）信号地：是输入端信号元件———传感器的地。
（2）交流地：交流供电电源的N线，通常它是产生噪声的主要地方。
（3）屏蔽地：一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其与地壳连接。
（4）保护地：一般将机器设备外壳或设备内立器件的外壳接地，用以保护人身和防护设备漏电。
为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下，接地方式与信号频率有关，当频率1 MHz时，可用一点接地；10 MHz时，采用多点接地；在1～10 MHz间采用哪种接地视实际情况而定。因此，PLC组成的控制系统常用一点接地，接地线截面积不能小于2 mm2，接地电阻不能大于100Ω，接地线是地线。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，禁止采用与其它设备串联接地的方式。
交流电源在传输时，在相当一段间隔的电源导线上，会有几mV、甚至几V的电压，而低电平信号传输要求延路电平为零。为防止交流电对低电平信号的干扰，在直流信号的导线上要加隔离屏蔽；不允许信号源与交流电共用一根地线；各个接地点通过接地铜牌连接到一起。
屏蔽地、保护地不能与电源地、信号地和其它地扭在一起，只能各自立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合噪声，可采用多种屏蔽措施。对于电场屏蔽的分布电容问题，通过将屏蔽地接入大地可解决。对于纯防磁的部位，例如强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合，可采用高导磁材料作外罩，将外罩接入大地来屏蔽。
3．3　输入、输出配线
（1）PLC电源线、I／O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，且后者应采用屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传输线也要用屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。由于双绞线中电流方向相反，大小相等，可将感应电流引起的噪声互相抵消，故信号线多采用双绞线或屏蔽线。
    （2）输入、输出信号的防错
当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，在关断时仍有较大的漏电流。而PLC的输入继电器灵敏度较高，如漏电流干扰过一定值，就形成了误信号。同样，当输出元件为VTH（双向晶闸管）或是晶体管输出，而外部负载又很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，引起微小电流负载的误动，导致输入与输出信号的错误，给设备和人身造成不良后果。
解决办法是在这类输入、输出端并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流，电路接线如图3—1所示。图中，旁路电阻按下式求出：

式中，Il———输入信号源或输出晶闸管大漏电流；
      Um———输入信号电压或外部负载电压大值；
      IN———输入点或外部负载的额定电流。
还有一种方法是在PLC输入端加RC滤波环节，利用RC的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的干扰。在晶闸管输出的负载两端并联RC浪涌电流抑制器，减小漏电流的干扰。

4　从软件设计方面提高系统抗干扰能力
PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作，提高　　系统的抗干扰能力。
4．1　利用PLC内部定时器，屏蔽输入端可能出现的误信号
在PLC组成的自动控制系统中，每一次循环，各工步的动作时间通常是固定不变的，行程开关（或其它敏感元件，如光电开关）总是在该工步的同一时刻发出信号。根据这一特点，用两个内部定时器，限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样，就可屏蔽掉其它时间可能发出的误信号———干扰信号。　　图4—1所示是以FX2N—48MR型PLC控制为例（文中举例均为此机型），某自动生产线上对输入X000采样的梯形图程序及时序图。根据计算和实测，正常情况下，输入X000总是在输出Y000启动后0．7 s左右发出信号。但在实际运行时，由于现场环境恶劣，有可能使X000发出误信号，引起控制系统的错误动作。现在，将定时器T0的延迟时间设为0．5 s，T1的延迟时间设为0．9 s，从图可知，只有在Y000＝1后0．5～0．9 s的时间内采样的X000信号，才被认为是有效信号M0，其它时间内，即使X000误发信号，也会被屏蔽掉。

4．2　利用PLC内部计数器，输入元件触点“抖动”干扰
在PLC控制系统中，由于外界干扰的影响，有些输入元件在接通时，会发生触点时断时续的“抖动”现象而发出错误信号。在图4—2a中，当输入X001发生抖动时，输出Y001也会跟着抖动。 这种干扰的方法是利用计数器经适当编程来实现。图4—2b是用计数器组成的消“抖动”程序和波形图。当“抖动”干扰使X001断开的间隔Δt＜x×0．1s（注：M8012为特殊辅助继电器，产生0．1 s的时钟脉冲）时，计数器输出为“0”，输出继电器Y001保持接通，干扰对PLC正常工作不构成影响；当X001断开时间Δt≥x×0．1 s，计数器C1计满x次时，C1为“1”，输出继电器Y001输出为“0”。计数器的计数次数x可在调试时根据干扰情况修改。

5　结束语
随着PLC的应用越来越广泛，它所要克服的干扰越来越多，越来越复杂。如何进一步提高PLC控制系统的抗干扰能力，多种方法和措施正在研究探索之中。通过正确设计硬件线路，选用高质量的元器件，充分利用PLC本身软元件，灵活巧妙地编程等措施，可以有效地提高系统的抗干扰能力。

前言
电压的稳定对于保证国民经济的生产、延产设备的使用寿命有着重要的意义，而尽量减少无功在线路上的流动，降低网损、经济供电又是每一供电部门的目标。老式变电站通常是人为调节电压无功，这一方面增加了值班员的负担，另一方面人为去判断、操作，很难保证调节的合理性。迄今为止，国内用于变电站的电压无功综合控制装置有很多，从控制原理来讲大体可以分为以下几种：时间顺序控制法，测量电压控制法，测量无功控制法，测量功率因数及电压控制法，测量电压和无功控制法。目前在国内运行的电压无功综合控制装置大多是按五种控制原理设计的。随着近几年我国电力系统自动化水平的提高，尤其是变电站自动化的发展已突破传统使用大量电缆组成复杂的二次控制回路，取而代之的是通讯网，将变电间隔层与变电站层连接起来，使各间隔层的控制终端能够资源共享。而作为变电站自动化重要组成部分的电压无功综合控制也随之出现多种实现方式。本研究采用PLC作为控制元件，实现了对变压器分接头开关及电容器组开关的控制、减轻运行人员的负担、达到经济供电的目标。
2系统简介
根据变电站电压无功综合控制要求，综合控制点数，本装置选择了三菱公司的FX2N－128MR型PLC，它包括输入、输出、程序存储器和处理器4部分，具有指令速度快、性高、中断灵活、内置计数器、抗干扰能力强等特点。
触摸屏采用三菱公司F940－SWD型，它是基于PLC的软硬一体人机界面，能以图
形界面方式实现各种工作状态的显示，并具有使用方便、人机对话界面友好、组态技术易掌握、与PLC可进行良好的通讯。通过触摸屏可以实现控制装置的定值浏览和修改、运行时的主要参数和重要的开关信号显示等。
模拟量采样单元是本公司自己研制的，主要对变压器三侧电压和电流采样计算，并由采样的数据计算出相关的测量值，如有功功率、无功功率、功率因数等。它还具有两个通讯接口，把计算出的数据或变电站监控系统的遥控指令通过RS－485通讯接口传给PLC，同时接受PLC传过来的数据。另外的一个RS－485／RS－232通讯接口和变电站监控系统通讯。
档位显示单元是本公司自己研制的，主要用来对有载调压变压器分接头开关位置显示，并把分接头开关位置信号转换为BCD码给PLC。
系统的总体结构如图1所示：

3系统功能设计
3．1控制原理
3．2主要功能
（1）采用微电脑和数字信号处理技术，根据电网的实时参数，自动综合控制变压器的有载分接开关和电容器组的投切，使变压器工作在状态，可以显著降低变压器的损耗，提高电网的运行水平，具有较大的经济效益；
（2）多可以同时控制3台主变和12组电容器，能自动识别并适应主变运行方式的变化，保证电压合格率在95％以上；
（3）有完善的保护和闭锁措施，可以防止主变分接开关的连续调节故障，运行；
（4）具有打印、通信接口，可以与RTU或变电站综合自动化系统通讯，远方修行参数；
    （5）参数整定方便，密码保护。

1引言
    在工业生产中，电流、电压、温度、压力、、流速都是常用的主要的被控参数。例如，在冶金工业，化工生产，电力工程，机械制造，食品加工等许多领域人们都需要对各类加热炉，热处理炉，反应炉和锅炉温度进行监测和控制。一般用闭环控制的方式。PID调节是经典控制理论中典型的控制规律，在以往的模拟控制系统中得到了广泛得应用，对相应的控制对象进行控制时获得了比较满意得结果。
    通常，在控制系统中有一定容量的储能元件，因此系统中常会有一定的惯性和时间上的滞后，负载的变化以及电源系统的干扰都会给控制带来影响，造成系统参数的变化，从而使控制性能改变。采用PID调节，可对系统偏差进行比例调节，引入积分环节，对偏差进行积分，提高了系统控制精度和抗外界干扰能力。引入微分环节，用于克服系统的惯性滞后，从而提高系统的稳定性。这就大大提高了控制系统的性能和品质。
    PCL控制模拟量，可采用PID过程控制模块，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但这种模块价格较贵，一般用于大型复杂的控制系统。
    本文介绍一种用软件方法模拟PID调节器去控制模拟量，在硬件上只需配模拟输入/输出模块(A/D,D/A)模块，这种方法适用中小型系统，投资较小。
2PID调节器的数字化
    我们以位置式PID控制法控制炉温为例加以说明，这是工业过程控制中应用广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的结果。控制论告诉我们，PID控制的理想微分方程为：

    e(t)=r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中r(t)为给定值，y(t)为被测变量值，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td微分时间常数，P(t)为调节器的输出控电压信号。
    一个典型的ＰＬＣ模拟量闭环控制系统方框图为

    但计算机只能处理数字信号，故上述加以变换。若设温度采样周期为Ｔ，N次采样得到的输入偏差为e(n)，调节器输出为p(n)则有：

    上式中p(n)为n次采样后计算调节器的输出，e(n)，e(n-1)分别是n次和n-1次采样时的误差值，T为采样周期，n为采样序号。
    上述算式计算出的是n次采样后，控制器输出的数字量，从式中可以看出要想计算P(n)，不仅需要本次与上次偏差信号e(n)和e(n-1)，而且还要在积分项中把历次偏差信号e(k)进行相加，这样不仅计算繁杂，而且保留e(k)要占用很大的内存空间，使用非常不便。写成递推形式为：

3PID控制程序的编制
    数字PID调节器有四个参数需要选择，这四个参数分别是采样周期Ｔ、调节器的比例系数kp、调节器的积分时间常数Ti、调节器的微分时间常数Td。这些参数随不同的控制对象的要求而定。选择合适的参数使整个系统稳定速度快，调量小。图2是PID控制程序流程图，采样时间是用PLC定时器来控制，须选用运算速度较快且具有算术运算等功能的PLC。为提高其抗干扰性能，还可填加数字滤滤处理程序。
4数字滤波程序设计
    在模拟量输入通道中，常用一阶低通RC模拟滤波器来削弱干扰，但要设计大时间常数及的RC滤波器，困难相当大，采用惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。他能很好地克服上述缺点

1  引言
    随着现代科学技术的飞速发展，不仅对生产过程自动化，也对生产管理提出了高的要求。通过计算机网络技术把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和过程控制为一体是当今工业自动控制发展的趋势。复杂的过程控制系统，常采用两级网络拓扑结构，底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近被控生产过程现场，上层采用工业以太网，监控级相对集中于主控室内，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制。这样构成的控制系统具有实时性好、性高、抗干扰能力强等优点，比传统DCS系统经济，。为了适应这一形式的发展要求，提高实验教学质量，使工科学生在校期间就能受到良好的工程实践锻炼，因此开发了基于工业以太网及现场总线的过程控制系统实验装置。

2  系统配置及网络结构
    实验装置控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统两部分构成。整个网络采用两层网络拓扑结构，上层为工业以太网，用于上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间的通讯，底层为PROFIBUS-DP现场总线，用于下位机PLC主站(DPM1)和四个从站(DPS1-DPS4)之间的通讯，其中，PLC主站和从站控制液位、压力和温度流量等过程控制实验装置。系统用 SIMATIC STEP 7软件进行网络组态、硬件组态以及PLC控制程序的编写，并用组态软件SIMATIC  WinCC实现了上位机与PLC的动态连结。整个系统组成如图1所示:

图1    过程控制系统实验装置结构图

2.1  现场部分
    现场部分是所需控制的液位、温度流量和压力实验装置，变送器将采样数据转换成 4～20mA的电流信号，直接接入SM334模块(模拟量输入/输出模块)，经模/数转换变成0～27648的数字量。开关量的输入输出接入SM323模块(数字量输入／输出模块)。
 

2.2  控制单元
    控制单元采用西门子PLC,S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有处理单元(CPU)、各种信号模块(SM)、通信模块(CP)、功能模块(FM)、电源模块(PS)、接口模块(IM)等，有多种规格的CPU可供选择。通过CPU上集成有PROFIBUS-DP接口、 MPI接口或通信模块可以连接 AS-I接口、PROFIBUS总线和工业以太网系统。
本系统主站采用西门子S7-300系列PLC，其CPU为315-2DP。它执行指令时间短，扫描1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。主站还带2个信号处理模块(DI 16/DO 16、AI 4/AO 2)和一个通讯模块CP343-1(用于上位机和PLC之间通过工业以太网进行通讯)。从站选用PROFIBUS-DP分布式I/O  ET 200M，带2个信号处理模块(DI 16/DO 16和AI 4/AO 2)，从站没有处理器单元，各从站之间经IM153接口模块通过DP总线进行连接。组态之后，添加的分布式I/O与PLC站中的本地I/O具有统一的编址。
 

2.3  上位机
    上位机为四台工控机，主机界面设计采用西门子的WinCC组态软件，保证了与工控机的兼容。软件集成了组态、脚本语言、OPC等技术，提供了bbbbbbs操作系统环境下使用各种通用软件的功能。该软件具有适用于工业生产过程的图形显示、控制和报警画面、实时和历史趋势曲线、归档以及报表打印等功能模块。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。
系统应用程序的开发和运行软件为STEP7 V5.2，它是适用于S7-300/400 PLC系列的编程、组态标准软件包。通过STEP 7 V5.2用户可以完成以下任务:
(1) 网络组态，设置连接和接口;
(2) 组态硬件;
(3) 编写和调试用户程序。

3  网络系统原理
    PROFIBUS-DP是一种性、开放式的现场总线标准，主要用在工业过程控制领域。参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS-DP中没有3层到7层，直接数据链路映像(DDLM)提供易于进入2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。它是专为工业控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，用于分布式控制系统的高速,其模块可取代价格昂贵的24V或4～20mA并行信号线。控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯，多数数据交换过程是周期的, 主站周期地读取从站的输入信息并向从站发送输出信息。除周期性用户数据外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处。
    SIMATIC工业以太网是基于标准的网络，专为工业应用而优化设计，支持ISO和TCP/IP协议，通过它可快速地建立PLC与PC/PG之间的通讯。产品的开发遵循分布式的“开放式控制结构”，使其具有网络组态简便(即插即用)、通信、网络故障恢复时间短(小于0.3秒)等优点。由于采取全双工共担负荷方式工作，适用于对性能要求高的工业网络，通过切换技术能够可以实现非常庞大的网络结构。
 
4  网络系统组态
    组态之前先要建立一个项目(如Project1)，在项目中插入SIMATIC 300站。
 

4.1  硬件组态
    在HW Config中为 SIMATIC 300站组态硬件，包括机架、电源(槽1)、CPU(槽2)、通信模块(槽4)和输入输出模块。设置集成在CPU上的DP主站接口的参数，并建立要连接到DP主站接口的PROFIBUS网络。
 

4.2  DP从站组态
     以ET 200M站连入DP主站为例。先从硬件中选择接口模块IM153-l，连入DP主站接口的PROFIBUS网络，如图2所示，并设置此DP从站的PROFIBUS地址。地址要和IM153模块上的地址选择开关设定的地址相一致。
ET 200M从站配置有2个信号模块，从ET 200M的DI/DO中找到相应型号模块并加入从站的相应槽中，如图3所示。在使用硬件目录时要确认你是在正确的文件夹中,例如，为ET 200M选择模块应在ET 200M文件夹中查找。添加的分布式I/O与PLC主站中的本地I/O具有统一的编址，因此在程序中可以像访问本地I/O一样方便地访问分布式I/O，在编程时不必考虑一个I/O地址在物理上是通过何种方式连接的。

图2    ET200M从站与DP主站的组态

图3    ET20M从站的信号模块组态

4.3  端口设置
(1) PG/PC接口是PG/PC和PLC之间进行通讯的接口，要实现PG/PC和PLC设备之间的通讯连接，正确的设置该接口。在控制面板中打开“ Set PG/PC Interface”，选中“S7 OnLine( STEP7)”，再选择网卡类型。然后进入 STEP 7的硬件组态 HWConfig中设置通讯模块的地址，地址为CP343-1标签上给出的物理，其格式是一个12位的16进制数 (如:08-00-06-00-44-AE)。另外还需给 PLC分配的IP地址(如:192.168.0. 130 ) 及子网掩码(如:255.255.255.0 )。
(2) 设置PROFIBUS网络:利用图形组态工具NetPro设置括PROFIBUS总线的传输速率、站地址、总线行规、总线参数等。
系统组态完成后，应下载到PLC，并调试使硬件之间连通。
 

4.4  程序的编写和调试
    STEP 7是用于S7-300/400创建控制程序的标准软件，编程语言主要有:梯形图、语句表和功能块图。
    通常用户程序由组织块(OB)、功能块(FB)。
    功能(FC)和数据块(DB)构成。OB1为主程序循环块，是必需的。根据控制程序的复杂程度，对简单程序可将所有的程序放入OB1中进行线性编程，如果程序比较复杂应进行结构化编程，将程序用不
    同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块。
对一个实际的过程控制，按照所采用的控制策略编写用户程序，模拟调试后下载到PLC，与实际系统联调，完成相应的控制功能。

5  WinCC监控通讯组态
    WinCC提供SIMATIC S7 Protocol suite. CHN驱动程序，此驱动程序支持多种类型的网络协议，通过它的通道单元可以与各种SIMATIC S7-300/400 PLC进行通讯，具体选择通道单元的类型要看WinCC与自动化系统的连接类型。本系统选择工业以太网通道单元，工业以太网是工业环境中有效的一种子网，它适用与管理层和现场层通讯。
    添加SIMATIC S7 Protocol suite．CHN 驱动程序，然后在“SIMATIC S7 Protocol Sute”下选择“Industrial Ethemet” 通道单元，打开“连接属性”输入连接名称，在连接参数中输入所要连接的PLC的通讯模块CP343-1的地址， PLC中CPU所在的机架号和插槽号。此处的插槽号应是CPU所在的插槽号，不是通讯模块所在的插槽号。
然后，用户根据具体的过程控制任务，在新建的连接下建立变量，把变量和PLC中所要连接的地址对应起来，与PLC建立连接。后利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。

6  结束语
    本文所建立的现场总线控制网络，通过接入标准以太网，还可以实现远程监控。
该实验装置是根据自动化及相关教学的特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术为一体的的实验装置，采用了多种常用控制算法和理论，除包含常见的PID算法外，还增加了模糊控制、人工神经网络控制等的控制策略。