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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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昆明西门子PLC模块电源供应商
1 前言
目前在工业控制中大量使用的DCS系统在实际应用中逐渐显示出许多不足，工业生产过程中采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为"信息孤岛"，而且这些不足对DCS来讲是无法从根本上得到解决。所以有必要考虑一个全新的控制系统，以解决目前DCS系统存在的问题，而现场总线控制系统，即FCS（Field Bus Control System）,将是的选择。
2 现场总线的优点
现场总线是将智能化现场设备、自动化系统通过"总线"连在一起，实现互操作。它的出现，促进了现场设备的数字化和网络化，并且大的加强了现场控制的功能，使过程控制系统具有开放性，并成为兼具测量、控制和过程诊断等综合能力的控制系统。
现场总线控制系统是基于底层控制网络、开放式、数字化、多点通信的控制系统。与传统的DCS系统相比，现场总线系统主要具有以下6个特点:（1）信号传输数字化;（2）标准统一开放;（3）控制功能分散;（4）系统性高、可维护性好;（5）对现场环境的适应性;（6）降低了系统及工程成本。上现场总线标准群雄并起，说明了这一技术的性及其良好的发展前景。
除此以外，现场总线还有如下优点:，一条通讯线连接N台控制设备或仪表，减少了安装费用，缩短了工程工期，易于维护，性高，抗干扰能力强，精度高;二，互换性、互操作性好，不同制造厂生产的仪表可以互连;三，控制分散，现场控制仪表不仅有检测功能还有运算和控制功能，使控制回路分散。
3 PLC与主站
PLC是以微处理器为，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置，它既能改造传统的机械产品成为机电一体化新一代产品，又适用于生产过程控制，凭借其的性、抗干扰性和可编程性，目前已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。本文主要介绍如何通过PROFIBUS-DP适配卡CP5611完成作为一类主站PLC与二类主站PC间的通信及PLC与从站间的连接问题。
PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成。主站能控制总线，当主站得到总线控制权时可以主动发送信息。主站又可分为一类主站和二类主站。一类主站是可决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息。二类主站是操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。从站为简单的外围设备，典型的从站为传感器、执行器及变送器，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予回答，或者主站发出请求时回送给该主站相应的信息。典型的从站包括:输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。主站之间使用令牌环方式通信，主站与从站之间采用主－从方式通信。本文中的一类主站是指PLC，二类主站是通用PC机。其通信原理如图1所示。
PROFIBUS协议基础为OSI/ISO网络参考模型，它仅使用了层物理层、二层数据链路层和用户层，三到七层没有使用。
若选用PLC作为一类主站存在两种情况:其一是处理器CPU带内置PROFIBUS接口（这种CPU通常具有一个PROFIBUS-DP和一个MPI接口）;其二是PROFIBUS通信处理器（CPU不带PROFIBUS接口，需要配置PROFIBUS通信处理器模块）。
PC机加PROFIBUS网卡可作为主站，这类网卡具有PROFIBUS/DP/PA/FMS接口。选择与网卡配合使用的软件包，软件功能决定PC机作一类主站还是二类主站。本文选择CP5611网卡，软件选择Step7软件包，因此PC机仅作为编程监控的二类主站。
CP5611自身不带微处理器，是短PCI卡，可运行多种软件包，9针D型插头可成为PROFIBUS－DP和MPI接口。它具有以下功能:
（1） DP功能
PG/PC机成为一个PROFIBUS-DP一类主站，可连接DP分散型I/O设备。主站具有DP协议诸如初始化、数据库管理、故障诊断、及控制等功能。
（2） S7 FUNCTION
实现SIMATIC S7设备之间的通信。用户可使用PG/PC对SIMATIC S7/S5编程。
（3） 支持SEND/RECEIVE功能。
（4） PG FUNCTION
使用STEP7 PG/PC支持MPI接口。
4 PLC与从站
4.1 信息内容
PLC与从站之间的数据传送由一个串行通信请求启动，发出请求的从站叫做源，接受请求的从站叫做目标，该串行通信请求设置在用户程序中，包含下列信息:
（1） 接收通信请求的目标或从站的标识号;
（2） 数据传送的方向（数据可以双向传送）;
（3） 数据传送的目标地址;
（4） 数据传送的源地址;
（5） 传送的数据数量。
4.2 格式要求
当源从站的用户程序启动通信请求后，上述通信请求信息被传送给通信控制，通信控制将这些信息转换成适用于串行线接口发送的适当格式，该格式有如下要求:
（1） 根据标准信息码，对需要的信息是进行编码还是解码;
（2） 根据通信协议，对通信请求信息和发送的数据文本是进行汇编还是反汇编;
（3） 对传送过程中出现的错误的检查方法。
一旦启动了通信请求，且数据已进行了正确的格式转换，串行接口将通过串行通信线把数据发送出去。在图2中，主计算机通过启动以一个查询序列开始的通信请求来和远方从站建立通信，为保持该通信，被请求的从站在适当的时间确认该查询。
通信建立以后，主计算机向PLC发送一个传送数据文件块所的标题语言，一旦PLC接收了这个标题信息，则数据文件就可以在主计算机和PLC之间进行传送。
当PLC接收到数据信息以后，就按照数据传送的相反顺序对这些数据信
息进行处理。将它们从串行方式转换为并行方式，然后从协议中抽取字符以一定的方式对它们进行处理，后，这些数据信息通过用户程序从PLC的一个存储器送到另一个存储器。
5 结束语
PLC与现场仪器的通信，完成了DP网络的功能，使控制分散化，降低了系统的工作风险，将在现场应用中起到不可忽视的作用。PLC在DP网络中与二类主站的通信，不仅可以满足调试和监视程序运行的功能，而且可以在二类主站上编写一段人机界面，方便工作人员直观方便的监视现场仪器的工作状态。
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的连续调速控制、实现速度的控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
PLC特点：，性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。三，设计安装容易，维护工作量少。四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。
（1）大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）系统结构力求简单；
（3）系统工作要稳定、；
（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；
（5）人机界面友好。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABB ACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200 PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
1 本设计的控制要求：
1）系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；
2）要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；
3）用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；
4）变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；
5）具有水位过高、过低报警和提示用户功能；
2 本设计控制结构：
由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用的PLC,能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。
3 设备的选型
（1）PLC及其扩展模块的选型：
目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。另外，新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？
本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点，能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。26K字节程序和数据存储空间。6个立的30kHz高速计数器，2路立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有多的输入/输出点，强的模块扩展能力，快的运行速度和功能强的内部集成特殊功能。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
（2）变频器模块的选型：
目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABB ACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能。
4 系统的控制流程：
（1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。
（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。
（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的部分。
（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的是进一步诊断和正软件中的错误。
（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。
下面是系统设计流程图：
5 程序结构：
本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
6 PLC编程软件
本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。
上牌坊可整体翻转，以便擦洗和换辊子，并可调节倾斜度。下牌坊通过蜗轮蜗杆升降机带动可在导轨上上下移动，入口和出口分别有一个，对入口和出口的开口度进行调节，也就是调节下矫直辊相对上矫直辊辊缝的大小，从而改变铜带的弯曲程度，调节量由伺服定位完成。下辊中还安装有契型调节块，对局部板形进行微量调节，通过位移传感器反馈其实际调节位置。
2、控制系统的硬件构成示意如下：
采用西门子S7-200的CN产品，并利用定位模块去控制交流伺服驱动器，实现交流伺服电机的定位。EM235模块采集位移传感器的反馈信号，实现契型调节量的控制。三个契型调节使用三台交流电机进行驱动，并用一台交流变频器同时控制这三台电机的转动速度。
3、系统的设计思想：
以CPU224XP CN作为控制系统的处理，充分运用其提供的一些特殊功能模块，实现伺服和位移数据的采集，并利用带双排功能键的文本显示器TD400C进行操作和监视数据、设定参数、故障报警等。
A）定位模块EM253提供了多种形式脉冲输出驱动功能，可方便地驳接多种驱动装置，实现定位和步进控制；其大脉冲输出频率可达200KHZ，可实现的定位，由于此项目中需控制2个伺服驱动器，因此采用两块定位模块进行控制。利用编程软件中位置控制向导可方便地配置位控参数和变量，复杂的编程，它提供了手动控制的速度模式、的或相对的位置模式、当前数据的重置、运动轨迹的预置、机械间隙的补偿等功能。
B）模拟量模块EM235具有四点输入和一点物理输出通道，都可接电流或电压两种输入/输出信号,三个位移传感器输出4～20mA的模拟信号，只需一块模拟量模块就可以了。
C）文本显示器TD400C提供了双排8个按键和四行显示，按键的排列可方便地实现设备的启停、升降、进退等操作，此文本显示器可显示80个不同的画面，在不同的画面中又可定义不同的按键功能，使按键个数得到大的扩展。编程软件中也提供了文本显示向导，可对显示画面和按键变量进行定义，在编程时可方便地实现所需功能。
4、系统的控制思想：
1）本系统采用无按钮操作和无指示灯显示的形式，而利用TD400C文本显示器进行操作和显示。共设有3个操作及状态画面、1个参数设定画面、3个数据校正画面（工程师画面）和7个故障画面（根据故障情况自动弹出）等。其面板提供的上下方向键进行翻屏，切换画面。在不同的操作画面中F1、F2、F3、F5、F6、F7按键执行不同的操作控制，并有相应的状态数据显示，操作非常方便透明。
2）两块定位模块EM253发出脉冲信号分别控制两个伺服驱动器，并可实现正反控制。通过已知的机械传动比、伺服电机每转的脉冲数、电子齿轮比等数据可计算出脉冲数与实际位置数据间的当量关系。旋转脉冲编码器通过高速计数器HC0功能计数，可对倾斜位置进行检测。编码器安装在倾斜调节电机的端轴上，经过换算可得到实际倾斜量（毫米）。
3）在辊系调节画面中，按键F1、F5和F2、F6分别控制入口和出口辊系的手动升降；F3、F7控制辊系倾斜的调节；F4、F8分别命令辊系位置进到零点和穿带位置。
4）在板型调节画面中，按键F1、F2、F3和F5、F6、F7分别控制三个契型块的升降调节，并通过模拟的位置传感器检测位移量，换算后进行显示。
5、系统的控制特点
●CPU224XP CN具有很强大的处理功能，可实现各种中小型化的控制，CN为国产化的设备，其在功能没有任何变化的情况下，只有价格比进口的，大大提高了产品的性价比；
●EM253提供的脉冲信号，大速率为200KHZ，可以满足几乎所有的伺服系统控制；
●TD400C所提供的按键和文本显示功能，既方便了操作，又使操作界面变得非常透明，同时节约了大量的操作按钮、仪表和PLC输入输出模块
●编程软件提供了特殊模块的指令向导，可以非常方便地使用，复杂的编程过程；
●系统硬件体积小，只需一个小小的控制箱就能实现如此复杂、的控制。
发电站的空间存在强的电磁场，发电机的电压高达数千，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十干伏或数百千伏。由于现场条件的限制（例如老设备的改造），有时上百米长的强电电缆和FLc的信号电缆不能有效的分隔开，甚至只能敷设在同一电缆沟内。高电压、大电流接通和断开时产生的强电干扰可能会在PLC输入线上产生很强的感应电压和感应电流，足以使PLC输入端的光电锅台器中的发光二管发光，使光电耦台器的抗干扰作用失效，导致PLC产生误动作。如某水电站中的PLC在站内无发电机运行时工作正常，发电机起动运行后经常出现误动作，可以观察到在没有输入信号时PLC输入点的发光二管有时也会闪动。
干扰信号除了经PLC的输入端侵入PLC外，也可能经PLC的电源侵入PLC。
与一般的工业环境不同，发电站的继电器控制系统中的继电器和执行机构（如断路器、接触器和电磁阀等）使用的是直流220V电源，在设计PLC的输出电路时，应充分考虑这一特点。
2. 抗干扰的隔离措施
PLc内部用光电锅台器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLc的模拟量I／0模块一般也采取了光电锅台的隔离措施。这些器件除了能减少或外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没有必要在PLc外部再设置干扰隔离器件。
如果PLc输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰，可以用小型继电器来隔离发电站中用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二管的工作电流仅数毫安，而小型继电器的线圈吸合电压为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。有的系统需要使用外部信号的多对触点，例如一对触点用来给PLC提供输入信号，一对触点用来给上位计算机提供开关量信号，一对触点用于指示灯，使用继电器转接输入信号既能提供多对触点，又实现了对强电干扰信号的隔离。PLC来自开关柜内的输入信号和距开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。
为了提高抗干扰能力，PLc的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信线路也可以用光纤或带光电耦合器的通信接口来隔离，在要求防火、防爆的环境适于采用这种方法。
3. 对电源的处理
电源是干扰进PLc的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对性要求很高的场合，可以在PLc的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器（见图1），隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应地接地。
低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的Ll和12用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的Cl和C2用来滤除共模干扰电压，c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压略电源正常工作时的电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
也可以直接选用电源滤波器产品，如北京中石公司的电源滤波器具有良好的共模滤波、差模滤波性能和高频干扰抑制性能，能有效抑制线与线之间和线与地之间的干扰，其产品可用于交流单相，三相电源和直流电源。
在电力系统中，如果使用220v的直流电源（蓄电池）给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证FLC的正常工作。某些PLC（如三菱公司的FX系列PLC）的电源输入端内有一个直接对220v交流电源整流的二管整流桥，整流滤波后的直流电压送给PLc内的开关电源。开关电源的输入电压范围很宽，这种PLc也可以使用220v直流电源。使用交流电源时，整流桥的每只二管只承受一半的负载电流，使用直流电源时，有2只二管承受全部负载电流。考虑到PLc的电源输入电流很小，在设计时整流二管一般都留有较大的裕量，这种PLc如使用直流220v电源电压不会有什么问题。经过长期的工业运行，证明上述方案是可行的。
4 PLC输出端的性措施
继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。PLc输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC220v电路中，用PLc驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。
断开直流电路要求较大的继电器触点，接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时，应仔细分析是用PLc来控制接通还是断开外部回路。例如水电站中用得较多的DC220v电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，可以选用触点较小的小型继电器来转接PLc的输出信号。
5安装与布线的注意事项
开关量信号（如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号）一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般的电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线（如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号）应选择屏蔽电缆。通信电缆要求性高，有的通信电缆的信号频率很高（如上兆赫），一般应选用PLc生产厂家提供的电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。
PLc应远离强干扰源。如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLc不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLc应远离动力线（二者之间的距离应大于200mm）。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联Rc消弧电路。
PLC的I／0线与大功率线应分开走线，如要在同槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I／0线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
如果模拟量输人／输出信号距离PLC较远，应采用4—20mA或0.10mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式。
传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的1／10，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。不同的信号线不用同一个插接件转接，如用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开。以减少相互干扰。
6. 结束语
我们在水电站微机综合自动化控制系统中广泛使用了PLc，由于采用了上述的性措施。在常年连续运行的情况下，PLC都能长期工作。