大连西门子授权一级代理商电源供应商

大连西门子授权一级代理商电源供应商

开关量逻辑控制

这是PLC广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制，按照逻辑条件进行顺序动作，按照逻辑关系进行互锁保护动作的控制。PLC应用于单机控制、多机制、自动生产线控制等。

运动控制

主要指对工作对象的位置、速度及加速度所做的控制。可以是单坐标，即控制对象做直线运动；也可是多坐标的，控制对象做平面、立体，以及角度变换等运动。有时，还可控制多个对象，而这些对象间的运动可能还要有协调。这对于提高控制精度、响应速度和能源利用率有着重要意义。

过程控制

PLC已广泛地应用于连续过程控制领域。过程控制是对电流、电压、温度、压力等模拟量的闭环控制。过程控制的目的就是根据有关模拟量的当前与历史的输入状况，产生所要求的开关量或模拟量输出，使系统工作参数能按一定要求工作。这是连续生产过程常用的控制。

数据处理

信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。随着技术的发展，PLC不仅可用于系统的工作控制，还可用于系统的信息控制。

通信与联网

依靠的工业网络技术可以有效地收集、传送生产和管理数据。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体。工厂自动化网络发展很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。有的企业将不同厂商的PLC设备连接到单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理，从而实现全车间甚至全厂的综合自动化。

1 引言

近年来，计算机控制已被地推广和普及，工业控制计算机、plc、变频器、触摸屏、机器人、柔制造系统广泛地应用于工业生产中。将不同的生产设备连在一个网络中，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理，是计算机控制系统发展的大趋势，所以，工厂自动化网络和plc的通信是工业控制中的重要研究课题。通信的方式包括并行通信和串行通信。并行数据通信方式是以字节为单位的方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要通信双方联络用的控制线。并行通信的传输速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的传输，例如计算机于打印机之间的通信。串行数据通信方式是以二进制的位（bit）为单位的方式，每次只传送一位，除了公共线外，在一个方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作通信联络的控制线，数据信号和联络信号在这个线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，少的只需要两根线（双绞线），适用于距离较远的场合。计算机和plc都有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。

2 西门子s7-200plc的rs-485通信

2.1串行通信的接口标准

串行通信有三种接口标准：rs-232c、rs-442a和rs-485。rs-485是rs-442a的变形，rs-442a是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。rs-485只有一对平衡差分信号线，不能同时发送接收。

使用rs-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统，系统中多可以有32个站，新的接口器件已允许链接128个站。

2.2s7-200的网络通信协议

s7-200的网络通信协议包括：点对点接口协议（ppi）；多点接口协议（mpi）；profibus协议；tcp/ip协议；用户定义的协议（自由端口模式）等多达5种类型。

2.3 西门子s7-200plc的rs-485通信

串行通信是西门子工业网络通信中一种经济、有效的通信方式，rs-485是其重要的组成部分。r1、r2是阻值为10欧的普通电阻，其作用是防止rs-485信号d+和d-短路时产生过电流烧坏芯片，z1、z2是钳制电压为6v，大电流为10a的齐纳二管，24v电源和5v电源共地未经隔离，当d+或d-线上有共模干扰电压灌入时，由桥式整流电路和z1、z2可将共模电压钳制在±6.7v，从而保护rs-485芯片sn75176（rs-485芯片的允许共模输入电压范围为：-7v～+12v）。该保护电路能承受共模干扰电压功率为60w，保护电路和芯片内部没有防静电措施。

2.4rs-232与rs-485的转换

由于pc机的串口是rs-232接口，plc的串口是rs-485接口，所以二者的通信要用到pc/ppi电缆，

3 常发生的故障解析

3.1常见的故障现象

当plc的rs-485口经非隔离的pc/ppi电缆与电脑连接、plc与plc之间连接或plc与变频器、触摸屏等通信时时有通信口损坏现象发生，较常见的损坏情况如下：

（1）r1或r2被烧断，z1、z2和sn75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经r1或r2、桥式整流、z1或z1到地，z1、z2能承受大10a电流的冲击，而该电流在r1或r2上产生的瞬态功率为：102×10=1000w，当然会将其烧断。

（2）sn75176损坏，r1、r2和z1、z2完好。这主要可能是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于z1、z2的动作速度造成的，静电无处不在，仅人体模式也会产生±15kv的静电。

（3）z1或z2、sn75176损坏，r1和r2完好。这可能是受到高电压低电流的瞬态干扰电压将z1或z2和sn75176击穿，由于电流较小和发生时间较短因而r1、r2不至于发热烧断。

3.2 故障的原因分析

由3.1中的分析得知plc接口损坏的主要原因是由于瞬态过电压和静电造成，产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂，如由于plc内部24v电源和5v电源共地，24v电源的输出端子l+、m为其它设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压出允许范围。所以eia-485标准要求将各个rs485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起以保证各节点的地电位相等，地线环流。

（1）当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等电路中又存在诸多电感、电容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。基于此考虑，在进行通信接头插拔的时候，尽量使设备处于断电状态。

（2）连接在rs-485总线上的其它设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入到plc，总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。

（3）当通信线路较长或有室外架空线时，雷电是考虑的干扰。雷电是主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形叠加成随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲，这个能量的尖峰脉冲必然会在线路上造成过电压，造成plc等通信网中所连设备的损坏，应该加以避免或降低损坏程度，减少损失。

4 解决方法

4.1 从plc内部考虑

（1）采用隔离的dc/dc将24v电源和5v电源隔离，我们分析了三菱、欧姆龙、施耐德plc以及西门子的profibus接口均是如此

（2）选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高挡次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，这些芯片价格一般在十几元至几十元，而sn75176的价格仅为1.5元。

（3）采用响应速度快、承受瞬态功率大的新型保护器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的钳制电压为6.8v，承受瞬态功率为500w，bl器件则可抗击4000a以上大电流冲击。若使用不带故障保护的芯片，如sn75176，可在软件上作一些处理，从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于+200mv，并保持一段时间，使所有节点的产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

（4）r1和r2采用正温度系数的自恢复保险ptc，如jk60-010，正常情况下的电阻值为5欧，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过ptc和保护器件tvs（或bl），ptc的电阻值将骤然增大，使浪涌电流减小。

4.2 从plc外部考虑

（1）使用隔离的pc/ppi电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的pc/ppi电缆（6es7901-3bf00-0xa0）是不隔离的，现在也改成隔离的电缆了。

（2）plc的rs-485口联网时采用隔离的总线连接器，如pfb-g，速率为0～1.5mbps自动适应，外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。

（3）与plc联网的三方设备，如变频器、触摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔离器bh-485g进行隔离，这样各rs-485节点之间就无“电”的联系，也无地线环生，即使某个节点损坏也不会连带其它节点损坏。

（4）良好的接地是工控系统运行的重要条件，对于工业通信网络是如此。在工业通信网络中，至少有三种分开的地线，通过一点接地。条是低电平电路地线（即信号地线），包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；二条是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；三条是机壳接地点，机械外壳、机身、机架、地盘使用，此地线应该和交流电源的地线相接。交流电源地线应和保护地线相连，以达到避免因公告地线各点点位不均所产生的干扰。rs-485通信线采用profibus总线屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并后接大地。

（5）对于有架空线的系统，总线上设置专门的防雷击设施。

5 结束语

rs-485通信是工业网络通信的重要组成部分，其网络、接口故障是广大工程技术人员经常遇到的问题，也是影响工控系统稳定运行的主要问题之一。处理好这一问题，保证通信系统的稳定、运行，将打打提高工厂自动化的效率。本文的粗浅讨论希望能给工程技术人员在处理实际问题以一定的帮助。

1 引言

随着现代科学技术的发展，plc己广泛地应用于工业控制微型计算机中。

目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、性高、体积小的SIEMENS S-200可编程控制器，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。

2 工业机器人关节直流伺服系统

工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。

2.1 控制系统结构

系统采用SIEMEN S7-200型PLC，外加D/A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。

2.2 系统工作原理

可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。

系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5%左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正，电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和;反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响小。反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

3 系统程序设计

程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性，因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态。

4 结论

基于PLC研制的直流伺服系统，利用PLC扩展能力强的特点，添装手动输放装置，实现工业机器人关节直流伺服系统的可视操作。其优点是：(1)改变电路结构，即可通过程序实现电机正反转的控制;(2)能够使电机不等待停止转动即可立刻反方向转动;(3)可令电机急停，避免电机惯性转动;(4)编程、维护方便。

为解决电机使用过程中发热和烧坏的问题，需要对电机电流进行检测，以实现对电机限流保护。结合工业企业生产的实际情况，在电机过流保护数学模型的基础上，提出了适用于PLC的电机反时限过流保护方案，给出了方案的软硬件设计。本方案的电机保护性能，已经在实际生产申得到验证。

在工业企业生产中会用到大容量的电机，由于这些电机的长时间连续工作，并且长期受企业生产环境中粉尘、电流变化等影响，电机很容易发热。如果电机不过限定发热量，则可以运行，如果发热量过限定值，且长时间持续运转，电机温度就会逐渐升高，导致电机性能降低，甚至会烧坏电机，因此对电机进行热保护就显得非常重要。电机发热的原因通常是电流过额定值引起的，启动时的瞬间电流过高是允许的，但持续的过流在限定时间内降下来，否则就需要启动断电电路来保护电机。也就是说电机热保护的实质是：判定电机的过流性质。

1电机反时限过流保护器的发展趋势

反时限过流保护可以理解为保护动作时间随电机电流变化而变化。其关键点有两个：一是电机电流过额定电流规定时间保护将被启动;二是电机电流越大保护动作时间越短。各国都在研究这种保护方式，早采用常规双金属片热继电器，上世纪七、八十年代采用模拟电路设计的反时限过流保护电路，九十年代后采用功能强大的智能化仪器，现代企业是以PLC为的电机保护系统。常规双金属片热继电器的缺点是不、不稳定，模拟电路设计的反时限过流保护电路是利用电容恒流充电设计的过流保护器，缺点是电路设计繁杂、通用性较差、电子器件多，以单片机为的电机保护器采样精度有了质的飞跃，PLC为的电机保护系统采样精度进一步。

式(3)只适用于1.05≤n≤7时的热效应变化情况。实际使用中还有两种种情况，一是当计算机只能处理离散数据，而式(3)积分形式是连续曲线，

式中启动前热量累加求和的次数为N.采样时间间隔为△t，取循环中断OB38的时长100 ms.因△t很小，设采样电流基本不变。当累积热量小于C时，过载闭锁，电机重新启动。

程序实现：根据行业标准，考虑热量积累快慢不同，散热速度不同，结合实际及现场的通风散热，经反复计算和测试，调整数学模型中参数C，终为提高电机的反时限过流保护精度，

本方案的主控制器选PLC，原因是其具有易扩展、故障率低、稳定性高、性强等优点。

电机保护系统包括硬件和软件两部分。

硬件主要包括主控计算机、模数转换模块、控制接触器和模拟信号提取等部分。主控计算机由主控制器PLC(西门子公司的可编程逻辑控制器PLC)、键盘、鼠标、显示器构成，控制接触器由中间继电器和主接触器构成，模拟信号提取由电流互感和变送器构成，模数转换模块由外部扩展数字量输出模块DO、数字量输入模块DI和模拟量输入模块AI等构成。

4 实验结果

电流恒定实验：设为实际恒定电流值，当n=4.87倍时，保护时间14 s。

可见，由计算公式得出的保护时间与程序运行时的保护时间吻合。

电流波动实验：电流由额定值以下电流从小到大逐渐变化为7倍的额定值，持续2 s后，回落为2.72倍，保护时间28s。

可见，电流动态变化时的保护时间小于计算公式算出的保护时间，电流波动时能较好的保护，体现了电机反时限过流保护程序的积分效应。

抗干扰实验：2倍额定值时，50 s不保护，突然加以干扰时，额定电流6倍时，电机停2 s后回到额定电流值正常工作，按时间累加立即跳闸，抗干扰实验成功。

5 结束语

根据设计经验，结合工业企业生产实际情况，从软硬件角度提出了基于PLC的电机反时限过流保护方案，部分是反时限过流数学模型的建立。该电机保护系统具有广阔的应用前景，已应用于实际生产，保护电机效果很好。