威海西门子中国授权代理商DP电缆供应商

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随着国家节能减排政策的提出和工业自动化水平的提高，以及越来越多的厂家要求尽量降低设备的损耗，进而适当减少设备维护费用，如何合理的使用、维护设备已成为关键，而单纯的采用人工方式记录设备故障、设备使用时间，以及人工切换设备已经不能满足上述要求。本文以某煤矿空气压缩机远程监控系统项目为例，采用西门子s7-300系列plc作为数据采集和控制单元，上位机用西门子wincc进行画面及参数显示，从plc到中控室工控机采用ethernet协议进行通讯，现场使用触摸屏显示控制画面及参数，操作人员可在中控室或者现场触摸屏上发出控制命令。 

2原理分析 

该项目利用空气压缩机给煤矿井下提供气体压力，推动气动设备的运行，要求管道内的压力维持在一定的范围内，不好过压或者欠压，以免造成能源的浪费或者现场设备无法使用。由plc采集空气压缩机的参数，比如温度、压力、运行时间、故障等，上传到中控室上位机和现场触摸屏，并接受操作员发出的控制命令，再将相应的命令传给空压机，以实现控制功能，并做出相应的报警指示。 

3系统设计及实现 

该系统主要由空气压缩机、plc、i/o模块、现场触摸屏、上位机人机界面、网络通讯等部分组成，系统整体架构如图1所示。 

3.1空气压缩机 

采用上海申行健有限公司的螺杆式空压机,它具有结构简单、体积小、没有易损件、工作、寿命长、维修简单等优点。由于其针对维护专门的设计，使得停机时间和维修费用大大减少。并且此空压机上装有智能控制系统，控制菜单简便易用，并配有支持网络通信的485接口，供外部控制系统与其通信，采集空压机的温度、管道压力、故障信息等，还可以接受外部控制系统的控制命令，设置相应参数以及启停空压机。 

3.2i/o模块 

本系统中需要控制空压机电源的接通与关断等，故需用到数字量输入模块，数字量输出模块，由于本系统采用西门子s7 300系列plc，所以也需订购相应的300系列的di，do模块，型号分别有di模块sm321（订货号为6es7 321-1bh02-0aa0，di16ⅹdc24v），do模块sm322（订货号为6es7 322-1bh01-0aa0，do16ⅹdc24v/0.5a）。另外控制柜上安装有转换开关，可以选择在本地或者远程控制该电源的接通与否，该转换开关作为输入信号，接入plc的di模块。 

3.3plc单元与网络通讯单元 

本文利用中小型的西门子s7-300系列plc即可完成空压机参数的实时扫描和运算，并传送信息到中控室上位机以及现场触摸屏，另外结合操作人员在上位机和触摸屏发出的控制命令，对空压机的启停等进行控制。s7-300系列plc采用模块化设计，具有模块扩展和功能配置简单等特点，可以根据不同的需要灵活组合和扩展。此处选用315-2dp型号的cpu，此cpu集成有mpi和dp通信接口，有很强的通讯功能。 

从现场plc到中控室工控机距离很远，此处采用ethernet协议进行网络通信，所以还订购了以太网通讯模块（cp 343-1），其具有rj-45接口，通过光纤链路模块经过光纤连接到中控室所在的以太网，将plc到的信息上传到上位机，并将上位机发出的控制命令传送到plc。 

通过plc cpu上的profibus dp接口，连接到profibus转modbus协议转换模块（pb-b-mm），再连接到两台空气压缩机以及控制柜上多功能电力监测仪表的modbus接口，来读取空气压缩机的运行参数和多功能电表的电流电压功率等电力状态数据，以及向空压机发送启停命令等。 

触摸屏采用纵横科技的tpc070td触摸屏，它两个com口，其中一个是rs232口，另一个即可当做rs232，又可以用作 rs485来通讯。同时还带有两个usb口，一个10m/100m自适应rj 45以太网接口。此纵横科技的触摸屏是一套以嵌入式低功耗cpu为的嵌入式人机界面，采用7英寸高亮度tft液晶显示屏，四线电阻式触摸屏，同时还预装微软嵌入式实时多任务操作系统wince和捆绑hmibuilder嵌入版组态软件无线点。 

从plc到触摸屏的通讯采用mpi网络，使用西门子的pc adapter连接电缆，连接cpu的mpi端口和触摸屏的rs232口（笔者认为此处也可以选用以太网通讯方式，通过300系列的以太网模块连接触摸屏的rj 45接口，但实际使用情况未采用，可行性有待试验确定）。

 未来一段时间PLC光无源器件或将在以下四类市场需求之下再次恢复增长模式： 

    需求一：骨干网通信压力 

    宽带接入用户每年按20-30%的增长率增长，其中平均增长每用户每年高达20-30%。据预测，2014年平均宽带接入带宽将从目前的2M增长到20M以上，业务量的增长速度五年达10倍，预计2014年各省出口总带宽是2008年的10-18倍。 

    数据显示，未来5年骨干IP带宽年增长率处于40%~50%，骨干传输网总带宽将从64Tbps增加到至少120~155Tbps，甚至200Tbps。通信网络的压力已经由接入层传至骨干层，并将掀起骨干网的升级换代。 

    随着骨干网通信压力的增大，光网络业务承载和传送平台需要广泛的使用WDM/DWDM。目前，韩国大的移动运营商SK电讯（SKbbbecom）正使用诺基亚西门子的DWDM设备，采用hiT7300DWDM平台，同时传输80个信道光波长，单个波长可以承载100G的数据流量，使光纤总容量高达8Tbps。 

    在新型宽带业务持续增长的驱动和N×40Gb/sWDM网络规模部署的背景下，新型支持大传输容量的N×100Gb/sWDM逐渐成为未来高速带宽焦点技术。 

    对于国内来说，2013年是100G商用元年，中国移动从10G直接跳到100G，中国电信和中国联通从40G升级到100G。从范围看，2013年是大量运营商100G集采的爆发年，Verizon等国外主流运营商都在积部署100G。 

    未来五年100GWDM市场增长稳定。2013年1月Dell’Oro的光传输市场预测报告显示，未来五年WDM市场将以10%的年复合增长率增长，到2017年将达130亿美元。Dell’Oro表示，40G/100G将是未来的增长点；且受益于40G/100GWDM需求的增长，未来五年光网络市场都将呈现出增长的势头。由于运营商对网络设备容量需求的不断提升，100G市场需求将显得尤为强劲。 

    信息交换量的增加要求功耗降低，骨干网通信的压力，100G市场强劲的市场需求，对PLC光无源器件需求增加。 

    需求二：云数据的发展 

    据思科报告预测，2011-2016年间，数据将会增长四倍，云将会增长六倍。到2016年将有三分之二的数据流量来自于云服务的流量。云计算将导致数据倍增。 

    相比较传统数据，云计算数据的单台物理主机数据流量可能是传统的数据服务器的4倍、8倍甚至10倍以上。为了减少网络的延时，提高数据网络响应速度，云计算数据网络采用40G/100G网络端口。 

    据分析，数据流量中76%流量来自于数据内部（包括存储、数据开发、认证等），17%流量属于数据到用户，7%流量属于数据到数据。 

    数据急需大量高速互联模块，采用串行40G方式，成本大约是WDM的6倍，同时功耗也大大WDM，而且部分新元器件需要重新开发，这会大影响到标准的按时发布和市场的推广，所以目前基于单模光纤的40G/100G采用WDM的波分复用方式实现，4×10G或者4×25G。 

    需求三：接入网—三网融合PON技术 

    三网融合是电信网、广播电视网和互联网融合发展，实现三网互联互通，资源共享，为用户提供话音、数据和广播电视等多种服务。PON技术产品应用到光纤到户、三网融合。其中WDM-PON结合了WDM技术和PON拓扑结构的优点，日益成为一种的接入方式。这中间也会广泛使用PLC分路器产品。 

    需求四：硅基芯片光互连 

    微电子领域面临的挑战就是RC瓶颈、发热问题。芯片－芯片铜互连速度为6-8Gbps，铜互连32nm、22nm、15nm、11nm、7nm，当10nm时出现效应，20Gbps以上需光互连。比如InbbbSi推出了光子芯片计划，芯片内采用WDM互连，因电互连价格昂贵，电互连逐步向光互连演进成为必然趋势。 

    总而言之，采用光传输代替电传输、且是多波长光传输，相干100GWDM主干网、40G/100G数据、光纤到户接入网、芯片光互连的需求都促进了PLC光无源器件的发展。其中单元芯片将用到波分复用器、PLC光分路器，集成芯片则多考虑到体积和功耗要求，采用PLC混合集成、SOI硅光子学、InP单片集成（PIC）等技术。这些需求都将推动PLC技术的不断发展和演进。

 经过PLC编程及一系列技术加工后，PLC投入运行。PLC的工作过程主要有三个阶段，分别是输入采样、用户程序执行和输出刷新。三个阶段完成了，就是一个扫描周期。

，输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 

二， 用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 

三， 输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

三个阶段完成后就是一个扫描周期，从上文看起来程序很复杂，但进入PLC领域，从PLC编程等角度看就简单很多。PLC在我们的生活中，起着很重要的角色，同时需求多懂PLC编程等知识方面的人才，不断的技术，好的推动工业的发展。

根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。

1.整体式PLC

整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

2.模块式PLC

大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。

用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时换模块也很方便。

3.CPU模块中的存储器

存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。

（1）.随机存取存储器（RAM）

用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。RAM的工作速度高、价格、改写方便。

（2）.只读存储器（ROM）

ROM的内容只能读出，不能写入。

（3）.可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM）

S7-200用EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。

4.I/O模块

各I/O点的通/断状态用发光二管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以的换模块。

输入模块：PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报置等。输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。

输出模块：输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。

PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；

它们的不同之处主要表现在：

（1）控制逻辑——继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式——继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以属于串行工作方式。

（3）性和可维护性——继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，PLC还配有自检和监督功能，性和可维护性好。

（4）控制速度——继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，且机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度快，且不会出现抖动。

（5）定时控制——继电器控制逻辑利用时间继电器间控制。时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围广，调整时间方便。

（6）设计和施工——使用继电器控制逻辑完成一项工程，其设计、施工、调试依次进行，周期长、而且修改困难。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，，且调试和修改都很方便。