西门子6ES7315-2EH14-0AB0支持验货

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1 引言
      PLC因为体积小、功耗低、、抗干扰能力强、编程使用方便等优点被广泛地应用于工业控制领域。但在实际应用过程中，往往是被控对象的输出点少于输入点，实现控制任务需要检测的点较多，或者操作按钮比较多，这样在选型时PLC的输出点数目可以很容易的满足要求，而对于输入点来说有可能不易满足，针对这样情况通常可以采取如下措施:(1)选取输入点数目比较多的PLC，这样在满足了控制系统对输入点数目的要求同时，增加了输出点数目，使输出点产生冗余而闲置，造成了资源浪费。(2)选择输出点数目满足要求的PLC，通过配置的输入模块来增加输入点数目，使输入点数目满足控制系统的要求，这种方法增加了控制系统的成本，降低了系统的性价比。(3)仍然是选择输出点数目满足要求的PLC，但在扩展时增加部分外围电路，这部分电路主要由译码器构成，这样可以大大降低系统的初期投资。(4)采用PLC的软件编程实现，其优点是在PLC输出点数目满足系统要求的前提下，选择输入点数目较少的PLC，不增加额外的硬件，利用这PLC自身固有的资源，通过编码方法实现输入点数目的扩展。本文通过对PLC输入、输出点的组合，介绍了两种基于软件编程方法的输入点扩充方法。
2 基于软件编程方法的输入点扩充方法
      PLC的一个重要的特点就是各组输入、输出点的立性较强，这一点主要表现在输入、输出点的公共端上。一方面，单的输入、输出点可以有自己的公共端另一方面，多个输入、输出点可以共用一个公共端，这样输入、输出点相互间的组合就比较。通过这些组合，我们可以借用矩阵键盘扫描原理和输入节点组合矩阵的原理来增加输入点数目。
2.1 利用矩阵键盘扫描原理扩展PLC输入点数目
      取PLC的m个输入点作为输入节点矩阵的行回扫线输入端，取PLC的n个输出点作为输入节点矩阵的列选择线输出端，同时将所用输入端的公共端COM和输出端的公共端COM相连，通过内部程序控制n条列选择线的状态，从而实现输入节点矩阵列扫描;通过检测m个输入点的状态，完成输入节点矩阵的行扫描;这样就可以确定输入节点矩阵中某一接点的闭合状态。利用节点矩阵，可以很方便地由m个输入点和n个输出点扩展成m×n个输入点。

图1为采用矩阵键盘扫描原理扩展4×2个输入点的原理图。当PLC的输入、输出动作时构成一个闭合回路。下面以输入节点S0和S1说明系统的工作过程:
(1) 当PLC输出点Y0、Y1断开时，输入点I0的回路不通，此时即使输入节点S1、S2闭合，PLC也无法检测到节点的闭合。
(2) 当PLC输出点Y0闭合，Y1断开时，若输入节点S0闭合，可使PLC输入点I0有效;同时，因为Y1断开，S1闭合无效。
(3) 当PLC的输出点Y1闭合，Y0断开时，若输入节点S1闭合，可使PLC输入点I0有效;同时，因为Y0断开，S2闭合无效。
      通过上述分析，可以知道分时控制输出点Y0、Y1的状态，就可以确定输入节点S1、S2的闭合状态，同理也可以将推广到输入节点S2、S3、S4、S5、S6、S7。在使用这种方法时确定键盘的扫描时间，而扫描时间的长短取决于PLC的输出点形式。对于晶体管、晶闸管以及固态继电器输出的PLC，在满足控制要求的前提下，可将扫描时间取的短一些;对于继电器输出的PLC，考虑到触点的寿命，扫描时间应适当延长。

2.2 利用输入点组合矩阵方法扩展PLC输入点数目
      利用矩阵键盘扫描原理扩展PLC输入点数目的前提是PLC有剩余的输出点。如果没有，这种方案必然不可行，这时借助于输入点，下面介绍一种基于输入点组合矩阵的输入点扩展方法。
      取PLC的m个输入点构成m个输入节点组，取PLC的n个输入点构成n个输入节点状态检测端，即每个输入节点组包含有n个节点，这样就可以实现m×n个输入点的扩展。当某一接点闭合时，对应的输入节点组和输入节点检测端都有信号送入PLC，通过输入节点的判断就可以确定输入节点状态。
      图2是利用输入节点组合矩阵扩展3×4个输入点的原理图。图2中包含有3个输入节点组，4个输入状态端，即每组包含4个输入节点。图2中二管的作用是防止节点闭合时相互间的干扰。下面以输入节点S0说明系统的工作过程。
(1) 当输入节点S0断开时，对应的输入节点组输入端X0和输入状态检测端X6均无输入，表明S0断开。
(2) 当输入节点S0闭合时，对应的输入节点组输入端X0和输入状态检测端X6均有信号进入PLC，表明S0闭合。
     通过上述分析，可以得到如下结论:由输入点X0和输入点X6组合的性就可以确定输入节点S0的状态，从而达到扩展输入点数的目的，这一结论可以从附表的真值表得出。附表1中，“1”表示PLC输入点内部触点闭合，“0”表示断开。
      这种方法可方便的扩展PLC输入点数目，与种方法相比，对PLC的适用性较强，扫描时间的选择取决于应用程序的扫描时间。
3 结束语
      利用PLC自身的输入点和输出点扩展PLC实际的输入点数目增加额外的硬件，提高了系统的性价比。对于上面提到的2种扩展PLC输入点数的方法，在实验室中进行了验证，简便易懂，运行，具有一定的应用

    控制器采用ControlNet PLC-5/40C处理器热备系统。ControlNet PLC-5/40C处理器是PLC5系列中的新技术产品，处理器及I/O系统可以通过Redundant ControlNet总线交换数据。6#罐区监控系统将1号PLC和2号PLC配置为冗余控制器。在正常状态下，只有主处理器的输出数据对I/O系统进行控制，主从处理器通过ControlNet交换数据及状态保持同步，如果主处理器出错，从处理器将接替主处理器对网络及对I/O系统进行控制。
      该PLC系统DI点采用1771-IBD开关量输入模块，DO点采用1771-OW16开关量输出模块，AI点采用1771-IFE模拟量输入模块，16点单边输入。采用1785-CHBM作为处理器热备模块，1771-ACNR15为带冗余网口的ControlNet适配器模块。
      本系统有3台上位机，其中2台为操作站，1台为工程师站。每一台上位机都能通过ControlNet单对PLC进行数据采集和控制。上位机还通过以太网实现文件和其他数据的共享。
ControlNet的组态使用软件RSNetWorx，PLC系统组态及控制逻辑组态使用软件RSLogix5。在ControlNet 网络中，可以组态预定的数据传送操作。这样要实现在处理器和外部设备之间的数据交换，如在1771-IFE卡和处理器之间，主备处理器之间的数据交换，并不需要在逻辑梯形图中使用块传送指令。

图1 6#罐区监控系统结构图概貌

3 FIQ101的累积实
3.1 流量FIQ101概述
      广州石化6#罐区需要对进出罐的液化气流量FI101进行计量。就地仪表采用Micro Motion质量流量计。该流量计准确度±0.12%，除了可以就地显示外，同时可以将瞬时流量值输出为4-20mA信号。该信号接入PLC系统的1771-IFE模拟量输入模块，经过12bit 的模数转换后转换为0-4095的值。在1771-IFE中，还可以将0-4095的值定标为-9999到+9999的工程单位值。工艺要求在操作室除了可以监视瞬时流量值外，还要求有准确的流量累积值显示。我们在PLC中用梯形逻辑来实现流量累积的运算。
3.2 流量累积的原理
如何把瞬时流量(又称流率)经过累加运算为总流量，一般有如下一个公式:
瞬时流量×时间＝总流量
我们知道，设一个流量值为5m3/s在1min内不变化，则在这1min内的的总流量为:
(5m3/s) * 60s = 300m3
现在设流量变化如下:
4m3/s有 30 s
5m3/s有 10 s
6m3/s有 20 s
则在这1min内的的总流量为:
(4m3/s)*30s＋(5m3/s)*10 s＋(6m3/s)*20s=290m3
设随时都可能变化，那么就不能用上面的公式来计算总流量了。我们可以按一定的时间间隔采样流量值，然后计算这些值的总和。流量的采样时间越短，计算的结果就越准确。请看图2和图3。
在上面2个例子中，曲线下面的区域就是总流量。采样间隔时间越短，计算误差就越小。
      在实际应用中，由于PLC计时器的限制，短的时间间隔只有0.01s。然而采样间隔时间越短，计算次数就越多，这样就增加了PLC的程序扫描时间。

图3 短的采样间隔时间

3.3 在PLC 5/40C中流量累积运算的方法
      我们用梯形逻辑来实现流量累积的运算时可以采用“可选定时中断子程序”来处理，这样采样间隔时间就是固定的了。但是在PLC 5/40C中只有一个可选定时中断子程序，其定时中断时间一般较难同时满足几种逻辑功能的需要。
      我们也可以计时器指令来来作为采样间隔时间，每次计时器到了设定值就采样一次。计时器的精度不可能它的时基，因此每次计时器时和再次开始计时的时候，都要产生一个时基的正或负的误差。例如，10ms为一个时基的计时器预定计10次，其时间计算将是100ms正或负10ms。
      我们也可以采用一种技巧来减少因计时器精度带来的误差。我们采用长的时间计时来作。例如，10ms为一个时基的计时器预定计30000次(PLC 5/40C的计时器的预置值范围为0-32767)，其时间计算将是300s正或负10ms。在这其中，我们可以预定一个采样间隔时间为10个时基(100ms)以上。每次程序扫描，处理器判断如果自从上次累积运算起，时间间隔过预定时间(例如:100ms)，就将这段时间乘以当前的瞬时流量值作为累加量。在这种算法中，采样间隔时间就不是固定的了。
      另外要考虑的是运算所用到的数据格式。PLC 5/40C数据表按不同的格式和范围来存储不同类型的数据。有两种文件格式可以选择，一是N文件(整数型文件)，值的范围为-32768到+32767，占1个16位字;因为在累积运算过程中，数的乘积和多次累加值一般都会出+32767，所以我们尽量不用N文件。
另外是F文件(浮点数文件)，值的范围为±1.175494e-38到 3.402823e+38，占1个32位字。浮点数在寄存器中32位的空间表示为:
S xxxxxxxx mmmmm
上面: s=符号 x=指数 m=尾数
      可见用浮点数表示的值的十进制有效位数只有7位。因此，考虑有效位数问题。举例如下:
设A代表计算的总流量，F代表计算上一次累加的流量，把F加到A上就会计算出一个新的总流量。在控制器的存储器中，A和F使用浮点数文件格式，有效数字是7位。一旦A比F大很多时，那么A和F的加数将会产生误差。
请看计算过程:
A＝3.632523E+9
F=4.978E+3
3,632,523,000
+ 4,978
3,632,527,978
因为这个结果只能保留7个有效位，所以舍去后几位数，写成3.632527E+9或3,632,527,000，数值978被丢失。为了避免出现这个问题，我们可以想办法使A和F在整个运算过程中不出现小数，数值不过7个有效位。
4 结束语
      流量累积的运算，要尽量避免计算过程中的误差，一是要选择正确的文件存储格式，二是要避免运算值出数值范围和有效位数范围，三是尽可能减少采样时间的定时器带来的误差。在上面PLC5/40C的梯形逻辑中，我们按照以上几个原则，经过细致的考虑和计算，使用长预置值的参考定时器，并使所有被用到的浮点数文件的值的有效位数不出范围，不出现小数，避免了丢失小的数值，从而实现的累积运算，满足了工艺要求。

      可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。
    1. 可编程序控制器简介
    PLC组成：处理单元（CPU）、存储器、输入/输出单元（I/O单元）、电源、编程器等；
    PLC分类：按照结构形成分为整体式和模块式；按照输入/输出（I/O）点数分为小、中和大型；
    PLC特点：性高，通用性强，编程简单（常用编程语言有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图和语言等），体积小，安装维护简便等；
    PLC工作方式：PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分；
    PLC发展趋势：向高速度、大容量、多种类发展；丰富编程语言，开发用户友好界面；开发智能模块；加强联网通讯能力；予留现场总线接口（现已有产品应用，如：SIEMENS　SIMATIC　S7-400）；拥有智能诊断等功能；保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复制、修改；对现场环境的适应能力强。

    2. 可编程序控制器选型
    在PLC实际应用中，是以其为控制组成电气控制系，实现对生产、工业过程的控制。
    方案设计步骤
    要了解被控制对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系；
    根据系统功能要求（包括输入、输出信号数量的多少、性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等）选择PLC型号及各种附加配置，并有规则、有目的的分配输入、输出点；
    根据控制及流程要求，对应输入、输出开发相应应用程序；同时连接PLC与外部设备连线；
    将编制完成的程序写入PLC中，模拟工况运行，进行调试及修改；在模拟调试成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至通过为止。
    3. 应用体会
    3.1选型
      在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。
      PLC输入/输出点确定：I/O点数选择时要留出适当余量；
      PLC存储容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些；
      存储维持时间：一般存储约保持1~3年（与使用次数有关）。若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需备用电源），也可选外用存储卡盒；
      PLC的扩展：可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。扩展部分出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；
      PLC的联网：PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种。与计算机联网可通过RS232C接口直接连接、RS422+RS232C/422转换适配器连接、调制解调通讯连接等方式；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过通讯电缆直接连接、通讯板卡或模块+数据线连接等方式。

    3.2充分合理利用软、硬件资源
      不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入PLC；
      多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点；
      尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也减少硬件投入，降低了成本；
      条件允许的情况下立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控；
      输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并且要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作；

    PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保。

在PLC系统设计时，应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，后选择有较价格比的PLC和设计相应的控制系统。
一、输入输出（I/O）点数的估算
    I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
二、存储器容量的估算
      存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
    存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
三、控制功能的选择
    该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
(一)运算功能
    简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
(二)控制功能
    控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
(三)通信功能
    大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
    PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合标准，通信距离应满足装置实际要求。
    PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）PLC网络（各厂商的PLC通信网络）
    为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。
(四)编程功能
    离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
    五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应
遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
(五)诊断功能
    PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
(六)处理速度
    PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
    处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
四、机型的选择
(一)PLC的类型
    PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
(二)输入输出模块的选择
    输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
    可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
    考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
(三)电源的选择
    PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
    如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二管或熔丝管隔离。
(四)存储器的选择
    由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量大，档次高的存储器。
(五)冗余功能的选择
1．控制单元的冗余
    (1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
    (2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。
2．I/O接口单元的冗余
    (1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
    (2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
(六)经济性的考虑
    选择PLC时，应考虑性
能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，终选出较满意的产品。
    输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。