西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8质保

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引言 
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的有效、便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。 

2 PLC系统设备选型 

PLC主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。 

目前市场上的PLC产品众多，国外有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。 

2.1 确定PLC 控制系统的规模 

依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。 

小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。 

中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。 

大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。 

2.2 确定PLC I/O 点的类型 

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。 

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。 

电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。 

2.3 确定PLC编程工具 

（1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。 

（2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。 

（3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中PLC系统的硬件组态和软件编程。 

一、输入回路的设计

1、电源回路 PLC供电电源一般为 AC85—240V（也有DC24V），适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）。

2、PLC上DC24V电源的使用各公司 PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。

3、外部DC24V电源 若输入回路有 DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“—”端不要与 PLC的 DC24V的“—”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。

4、输入的灵敏度各厂家对PLC的输人端电压和电流都有规定，如日本三菱公司F7n系列PLC的输入值为：DC24V、7mA，启动电流为4．5mA，关 断电流小于1．5mA，因此，当输入回路串有二管或电阻（不能启动），或者有并联电阻或有漏电流时（不能切断），就会有误动作，灵敏度下降，对 此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输人为共漏型输入的 PLC，Bp输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出 PLC的输入端。

二、输出回路的设计

1、各种输出方式之间的比较

（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。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至Jl百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。

（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 DC 5—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，可大大减小。

2、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。

3、“GOM“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”点带4—8个输出点的PLC产品。这样会对电路设计带来很多方便，每个“COM”点处加一熔丝， 1—2个输出时加2A的熔丝，4—8点输出的加5—10A的熔丝，因 PLC内部一般没有熔丝。

4、PLC外部驱动电路对于 PLC输出不能直接带动负载的情况下，在外部采用驱动电路：可以用三管驱，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电 路，且每路有显示二管（LED）指示。印制板应做成插拔式，易于维修。

PLC的输入输出布线也有一定的要求，请看各公司的使用说明书。

三、扩展模块的选用

对于小的系统，如80点以内的系统．一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足 要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请 关的技术手册。

各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。

四、PLC的网络设计

当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和 用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。

后，还要向 PLC的商家寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依你的系统大小而定。

五、软件编制

在编制软件前，应熟悉所选用的 PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速 度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调

 目前生产PLC的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有： 

德国西门子公司：它有SS系列的产品。有SS－95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。近还推出S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。性能比S5大有提高。 

日本OMRON公司：它有CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。 

美国GE公司、日本FA合资的GE－FA的90－70机也是很吸引人的。据介绍。它具有25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781／782、771／772、731／732等多种型号。另外，还有中型机90－30系列，其型号有344、331、323、321多种；还有90－20系列小型机，型号为211。 

美国公司()的984机也是很的。其中E984－785可安31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型的，如984-120，控制点数为256点，在大与小之间，共20多个型号。 

美国AB（Alien－Bradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC－5系列是很的，其下有PLC－5/10，PLC－5/11，……PLC－5/250多种型号。另外，它也有微型PLC，SLC－500即为其中一种。有三种配置，20、30及40I/O配置选择，I/O点数分别为12/8、18/12及24/16三种。 

日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为A系列。AIS、AZC、A3A等。 

日本日立公司也生产PLC，其E系列为箱体式的。基本箱体有E-20、E-28、E－40、E－64。其I/O点数分别为12/8、16/12、24/16及40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其EM系列为模块式的，可在16～160之间组合。 

日本公司也生产PLC，其EX小型机及EX－PLUS小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其的编程器用梯形图语言编程。另外，还有EX100系列模块式PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。 

日本松下公司也生产PLC。FPI系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅0•l微秒。 

日本富士公司也有PLC。其NB系列为箱体式的，小型机。NS系列为模块式。 

美国IPM公司的IP1612系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅16入，12出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的lP3416机，I/O点数扩大到34入、12出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。 

国内PLC厂家规模多不大。有影响的算是无锡的华光。、它也生产多种型号与规格的PLC，如SU、SG等，发展也很快，在价格上很有优势。相信会在世界PLC之林中一定有其位置的

 用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：PLC控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。编程序比接线，改程序比改接线，当然要方便得多！ 

其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。 

正因如此，用可编程序控制器才有这个"可"字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。 

具体地讲，PLC有五个方面的方便： 

（1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。 

（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。 

（3）编程方便：PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。……总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。 

PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。这些也为PLC编程提供了方便。 

PLC的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。 

（4）维修方便：这是因为： 

①PLC工作，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。这在讲述PLC的三个特点时，还将进一步介绍。 

②即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且，PLC本身还可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的换就可以。至于软件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善就是了。 

（5）改用方便：PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。

PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则可以依NC的原理实现种种控制。

    高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若PLC配置了这种单元，则可以用NC的办法，进行数字量的控制。

    新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为好地用PLC进行数字控制提供了方便。

     4用于数据采集

    随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。

    数据采集可以用计数器，累计记录到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。

    数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。

    PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。

    PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。

    电业部门曾这么使用PLC，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。

     5用于进行监控

    PLC自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。

    其实，可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。

    这里介绍一种用PLC定时器作，对控制对象工作情况进行监控的思路。

    如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用办法实现监控。具体作法是在施加控制的同时，令定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，报警。

    若时，说明不正常，可作相应处理。

    如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些"看"着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。

    还有其它一些监控工作可做。对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的性。

     6用于联网、通讯

    PLC联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。

    PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来方便。

    为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。也可一台PLC与两台或多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。

    PLC与PLC也可通讯。可一对一PLC通讯。可几个PLC通讯。可多到几十、几百。

    PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。

    可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或大。

    可组成局部网，不仅PLC，而且计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。

    网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。

    联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Point）、到线（（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造高的效益。这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。

    以上几点应用是着重从质上讲的。从量上讲，PLC有大、有小。所以，它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说，工业控制的大小场合，都离不开PLC。

    一般讲，工业生产过程可分为两种类型；连续型生产过程（如化学工业）及非连续型，即离散型生产过程（如机械制造业）。前者生产对象是连续的，分不出件的；后者为离散的，一件件的。由于PLC有上述几个方面的应用，而且，控制的规模又可大、可小，所以，这两种类型的生产过程都有其用武之