西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0介绍说明
1 故障现象
我公司1000t/d水泥熟料生产线，采用集散控制，其生料制备系统由1台PLC控制。由于生料磨房距离中央控制室较远，为了降低成本，在生料磨房就地设立远程I/O站，与中央控制室PLC主机进行通讯。通讯电缆采用屏蔽双绞线。1993年4月投入使用。从2002年5月13日到6月6日，PLC数十次显示与远程I/O站通讯故障跳停，复位重开正常，跳停时间无规律，短15min，长超过10h，一班跳停四五次。由于采用中央控制室集中开机，造成无法正常生产，从6月6日到13日，生料制备系统全部设备采用现场开机，PLC进行监视维持生产，但PLC故障依旧。
2 查找原因
为了消除该故障，除了I/O插件未更换外，我厂先后采取了更换通讯插件、中央单元插件、定时插件、机箱、电源、程序等措施，将PLC及远程I/O站通讯插件更换一遍，仍然没有效果。测量PLC及远程I/O站接地电阻0.1Ω，接地良好。从而可以断定通讯故障是由外部电磁干扰引起的。为了找到真正的干扰源，派专人在远程I/O站蹲点观察。听到与远程I/O站控制柜相邻的增湿塔控制柜里有“噼噼啪啪”响声时，PLC显示与远程I/O站通讯故障跳停。经反复确认响声为3个交流220V通用中间继电器频繁动作所致。这3个中间继电器由3个带电接点温度表控制(测量增湿塔入口气体温度、出口气体温度及电除尘器入口气体温度)，当实际温度在电接点温度设定值附近波动时，导致电接点接触时开时闭，中间继电器线圈供电不稳定，使继电器频繁动作，发出响声。将这3个交流220V通用中间继电器拔掉后，故障消失。从电路上看，这3个交流220V通用中间继电器与I/O信号无任何联系。可见，故障是由交流220V通用中间继电器电磁干扰引起的。（www.dqjsw.com.cn）
3 原因分析
电磁继电器是由线圈、铁芯、磁轭、衔铁、触点等构成。线圈的电感和分布电容较大。当继电器得电时，线圈就有电流通过，线圈周围就会产生磁场，当线圈电流通路被切断时，线圈周围磁场突然消失。这种突变磁场就会在线圈中感应出瞬态浪涌电压。当继电器不断得电、失电、再得电，频繁动作时，磁场就会快速瞬变，从而在线圈周围感应出脉冲电压串；另一方面，在触点吸合或断开瞬间，触点间也会产生电弧，造成触点间燃弧、熄灭、再燃弧，从而形成陡峭的瞬间快速脉冲电压串。无论是线圈中突变磁场干扰，还是电弧群干扰，都具有很强的干扰性，都会通过电源线干扰远程I/O站与PLC通讯的正常工作，导致PLC逻辑判断出错。我们模拟电接点接触不好的情况，即通过对交流220V通用中间继电器颤抖供电，用示波器观察远程I/O站220V、24V、12V、5V电源波形，与正常时对比，发现叠加了不少高次谐波，说明产生了干扰电磁波。从上面的分析可知，继电器的电磁干扰主要来自线圈中快速突变磁场感应的脉冲电压串和触点间通断产生的电弧群。
4 解决办法
为了抑制继电器的电磁干扰，我们先后采取对远程I/O站220V、24V、12V、5V电源加电容滤波、π型滤波等措施，均无效。将0.22μF电容与220Ω电阻串联组成RC阻尼电路，在继电器的线圈两端并联后，继电器无论如何频繁动作，都不出现通讯故障。可见，RC阻尼电路对继电器的电磁干扰有很好的扼制作用。
在生产机械的自动控制领域，PLC顺序控制系统的应用量大面广。工艺不同的生产机械要求设计不同的控制系统梯形图。目前，不少电气设计人员仍然采用经验设计法来设计PLC顺序控制系统，不仅设计效率低，容易出差错，设计阶段难以发现错误，需要多次调试、修改才符合设计要。本文提出的4种简易设计方法，能快速地一次设计成功PLC顺序控制系统。
顺序控制系统的特点及设计思路
1．特点顺序控制系统是指按照预定的受控执行机构动作顺序及相应的转步条件，一步一步进行的自动控制系统。其受控设备通常是动作顺序不变或相对固定的生产机械。这种控制系统的转步主令信号大多数是行程开关（包括有触点或无触点行程开关、光电开关、干簧管开关、霍尔元件开关等位置检测开关），有时也采用压力继电器、时间继电器之类的信号转换元件作为某些步的转步主令信号。
为了使顺序控制系统工作可靠，通常采用步进式顺序控制电路结构。所谓步进式顺序控制，是指控制系统的任一程序步（以下简称步）的得电必须以前一步的得电并且本步的转步主令信号已发出为条件。对生产机械而言，受控设备任一步的机械动作是否执行，取决于控制系统前一步是否已有输出信号及其受控机械动作是否已完成。若前一步的动作未完成，则后一步的动作无法执行。这种控制系统的互锁严密，即便转步主令信号元件失灵或出现误操作，亦不会导致动作顺序错乱。
2．设计思路本文提出的4种简易设计方法都是先设计步进阶梯，在步进阶梯实现由转步主令信号控制辅助继电器得失电；根据步进阶梯设计输出阶梯，在输出阶梯实现由辅助继电器控制输出继电器得失电。这4种设计法所设计的梯形图电路结构及相应的指令应适用于大多数PLC机型，具有通用性。
由于各种PLC机型的编程元件代号及其编号不尽相同，为便于阐述，本文约定：所有梯形图中的输入继电器、输出继电器、辅助继电器（又称内部继电器）的代号分别为：X、Y、M。设计中所用到的某些功能指令，如置位指令约定为S×，复位指令为R×；移位指指令为SR×。其中的“×”表示编程元件的编号，用十进制数表示。用这些方法设计实际的控制系统时，应将编程元件代号和编号变换成所选用的PLC机型对应的代号和编号。
图1 顺序控制流程
下面分别介绍各种设计方法。其中，前3种方法的设计依据都是图1所示的顺序控制流程。图中，步1的转步主令信号X0为连接启动按钮的输入继电器（为简明起见，后述的转步主令信号均省去“输入继电器”几个字，只提输入信号），X1为原位开关信号，X2、X3、X4分别为步2、3、4的转步主令开关信号。M1～M5分别为各步的受控辅助继电器。Y1～Y4分别为各步受控的输出继电器。
一、逐步得电同步失电型步进顺序控制系统设计法
如图2所示，这种设计方法是根据“与”、“或”、“非”的基本逻辑关系，设计成串联、并联或串、并联复合的电路结构。
图2 逐步得电同步失电步进顺控梯形图
1．步进阶梯的设计步进阶梯的结构
如图2a所示。步1的M1得电条件是受控机械原位开关X1处于压合状态（若受控机械有多个执行机构，则要求每个执行机构的原位开关均处于压合状态），满足原位条件后按起动按钮X0才能得电。M1得电后自锁，并为步2提供步进条件信号（M1的常开触点）。步1的执行动作完成时触发的行程开关信号X2作为步2的转步条件信号。步2的M2的输入满足其步进条件和转步条件后得电自锁，并为步3提供步进条件信号。按此规律即可实现后续每一工作步辅助继电器的得电和自锁。停止步M5的步进条件信号和转步条件信号分别为：后一个工作步M4发出的步进条件信号（M4的常开触点）和该步动作完成时所触发的转步信号X1。由于M5的得电信号令控制系统失电，M5的回路不自锁，要将其常闭触点串联在步1回路的左端。从步2起后续各个步的回路构成分支回路。一旦M5得电便使整个系统失电。如不用分支回路的结构，也可采用图3所示的回路。即把M5常闭触点分别串联在每步辅助继电器的回路上。应该注意的是：无论工作步还是停止步，如果某步的转步主令信号有多个，则应将多个转步主令信号互相串联。
图3 逐步得电同步失电梯形图
2．输出阶梯的设计输出阶梯
如图2b所示。其设计方法是：（1）在控制流程图中，找出某输出继电器M在哪一步开始得电和在哪一步开始失电，以此确定其得电信号（步进阶梯中使M开始得电的辅助继电器常开触点）和失电信号（步进阶梯中使M开始失电的辅助继电器常闭触点）；（2）将得电信号、失电信号和受控输出继电器线圈串联。如果某个输出继电器在一个工作循环中多次得电失电，则将每次得失电的串联信号互相并联即可。例如，图1中输出继电器Y1要求在步1和步3得电，在其余步失电。在图2b画其控制回路时，将图1所示的次得电信号M1和次失电信号M2串联，第二次得电信号M4和第二次失电信号串联，将二者并联起来，再与Y1的线圈串联便构成Y1的控制回路。其余依此类推。
二、逐步得电逐步失电型步进顺序控制系统设计法
1．步进阶梯设计
按图1所示的控制流程，采用逐步得电逐步失电型顺序控制系统设计法设计的步进阶梯如图4a所示，其电路结构与图3的不同点之一是每步的失电由下一步辅助继电器的常闭接点控制；之二是步1回路必须串联步2至后工作步4的辅助继电器常闭触点。以防电路工作时，因误操作起动而导致控制顺序错乱。其余的电路结与图3相同。
2．输出阶梯设计输出阶梯如图4b所示，输出继电器的控制回路根据控制流程直观确定。例如，输出继电器Y1要求在步1、3得电，则将步1、3的辅助继电器M1、M3的常开触点并联，再与Y1的线圈串联即可。其余输出继电器的控制回路构成方法与此相同。
图4 逐步得电逐步失电型顺控系统梯形图
三、置位/复位指令型顺序控制系统设计法
1．步进阶梯设计图5a为用置位/复位指令设计的顺序控制系统步进阶梯。其设计依据也是图1所示的控制流程。该步进阶梯结构的特点是每步的辅助继电器都有一个置位线圈和一个复位线圈，二者编号相同。步1利用置位指令S使辅助继电器M1置位（即M1线圈得电后内部自锁），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号。当步2的转步主令信号发出（X2闭合），指令S使M2置位，建立步2程序，复位指令R使M1复位，撤销步1程序。同理可画出后续各步继电器置位/复位梯形图。当后一步完成并回到原位（X1闭合）时，指令R使M4复位，系统的工作循环结束。
2．输出阶梯设计图5b为输出阶梯结构，与图4b完全相同，不再赘述。
图5 置位/复位指令型顺序控制电路
四、移位指令型顺序控制系统设计
1．步进阶梯设计设计依据如图6所示。图7a为按图6所示要求采用移位指令设计法设计的顺序控制系统步进阶梯，这种步进阶梯由一个8位移位寄存器（由移位指令定义辅助继电器M20～M27而成）作为控制元件。该移位寄存器中的IN为移位数据输入端，CP为移位脉冲输入端，R为复位端。这三个输入端的输入信号均为脉冲上升沿有效。对顺序控制系统来说，输入IN的信号必须是一个单脉冲信号，即移位数据为“1”。起动步1时，IN和CP输入按钮信号X0的脉冲上升沿后，在IN端生成的移位数据“1”便移入移位寄存器的M20位，此时该位有输出（即输出M20的常开触点闭合信号），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号；M20的常闭触点即时断开IN输入端和CP的步1输入端，完成数据“1”输入和移位脉冲输入。从步2起，本步的转步主令信号一发出（X2接通），便输入一个移位脉冲上升沿，使原来移入M20位的数据“1”移入M21位，建立步2程序，并为步3提供步进条件信号。移位后，M20位的状态变为0，即其相应的步1被撤销，输出为0。依此类推便可实现整个步进阶梯逐步得电和逐步失电。后一步完成并回到原位（X1接通）时，接通移位寄存器的复位端R，使移位寄存器复位清零，整个控制系统失电停止。
图6 移位顺序控制流程图
图7 移位指令型顺序控制电路
设计这种步进阶梯时要注意以下问题：（1）在一个自动工作循环内，移位寄存器的移位数据输入端IN只允许起动时输入一个单脉冲信号。也就是说起动时只能输入移位数据“1”。步进阶梯的工作原理就是根据输入的数据“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位来实现逐步得电和逐步失电。输入端IN要串联每个移位输出位的常闭触点；（2）移位寄存器对移位脉冲输入端开关的抖动非常敏感。若开关抖动一次，相当于多输入了一个移位脉冲，移位数据“1”随之多移了一位。由于接点式开关被触发时难免产生抖动。为消除这种影响，在移位脉冲输入端的步1输入回路，必须串联移位寄存器0位（本例为M20）的常闭触点，一旦移位数据移入M20位，便断开步1的输入回路；而从步2开始，每步的输入回路也要串联上一位的常开触点。例如步2的输入回路要串联上一位M20的常开触点。这样，当移位到步2转步主令信号对应的M21位时，便立即断开步2的输入回路。采用这样的移位脉冲输入回路结构，可确保每步的转步输入信号持续时间只有PLC的一个扫描周期（一般只有几Ms），因开关的抖动时间远大于PLC的一个扫描周期。可有效地消除开关抖动的影响。
2．输出阶梯设计图7b为输出阶梯，其结构与图4b相同，只是辅助继电器编号不同而已。
结束语
上述4种PLC顺序控制系统设计方法的共同特点是：
（1）由输入继电器控制辅助继电器（包括由置位/复位指令和移位指令定义的辅助继电器），按此构成步进阶梯；
（2）由辅助继电器控制输出继电器，以此构成输出阶梯；
（3）无论步进阶梯还是输出阶梯，都是很有规律的回路结构。不管要设计的顺序控制系统有多少步，也不管其输入输出点数有多少，只要弄清各种设计方法所设计的步进阶梯和输出阶梯的回路结构的规律性，根据设计依据，套用其中任一种设计方法的回路结构，就能快速地一次成功设计出较复杂的PLC顺序控制系统。
如果把金字塔结构与NBS模型或ISO模型比较一下，就会发现，PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS模型/ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下的功能。 PLC
PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBC/ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。因为不同层次实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致他们对通信的要求也就不一样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求的通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。而在底层传送的主要是过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 PLC
由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。
PLC网络的分级与生产金字塔的分层不是一一对应的关系，相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，有一级子网去实现。采用多级复合结构不仅使通信具有适应性，具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络，从底层向高层逐步扩展。下面具几个有代表性公司的PLC网络。
一、A-B公司的PLC网络
A-B公司是大的PLC制造商，占据全美市场份额45%。图1表示了A-B公司的PLC网络，采用的是3级总线复合型拓扑结构。底一级为远程I/O系统，负责收集现场信息，驱动执行器，在远程I/O系统中配置周期I/O通信机制。中间一级为高速数据通道DH+（或DH，DHⅡ），负责过程监控，在高速数据通道中配置令牌总线通信协议。高一级可选用Ethernet（以太网）或者MAP网，这一级负责生产管理。在Ethernet网中配置以太网协议，在MAP网中配置MAP规约。
PLC
图1A-B公司的PLC网络
二、SIEMENS公司的PLC网络
西门子公司是欧洲大的PLC制造商，在大中型PLC市场上，西门子与A-B公司的产品齐全。图2表示了西门子公司的S7系列PLC网络，采用3级总线复合型结构，底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O通信机制。中间一级为Profibus现场总线或主从式多点链路。前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级的通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式；后者是一种主从式总线,采用主从轮询使通信。高一层为工业以太网，负责传送生产管理信息。在工业以太网通信协议的下层中配置以802.3为核心的以太网协议，在上层向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。 PLC资料网
图2SIEMENS公司的S7系列PLC网络
三、MODICON公司的PLC网络
20世纪90年代初德国奔驰集团属下的AEG公司全资收购了MODICON公司，现在称之为AEG-MODICON。MODICON的PLC产品在美国市场上所占份额居第二位。图3表示了AEG-MODICON的PLC网络，采用了3级总线复合型的拓扑结构。其高一级为Ethernet或MAP网，分别配置Ethernet（DECent）协议及MAP规约，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O方式通信，负责PLC与现场设备的通信。中间一级为Modbus+或者Modbus网，配置Modbus协议，采用主从方式通信。 PLC资料网
图3AEG-MODICON公司的PLC网络
四、松下电工公司的PLC网络
日本松下电工公司推出的FP系列PLC是世界PLC市场上的一匹黑马，大有后来居上之势.图4表示了松下电工公司的PLC网络,这是一种4级子网的复合型网络，即可采用总线/总线/总线/总线4级复合，也可采用总线/总线/环/总线4级复合。
松下电工的PLC网络高一级为以太网，配置以太网协议，可与商用以太网互联，负责传输生产管理信息。下一级为远程I/O链路，采用周期I/O通信方式与现场设备交换信息。中间两级负责过程监控，无论环形还是总线型，其应用层均采用MEWTOCOL协议。
PLC
图4松下电工公司的PLC网络 PLC
五、GE-FANUC公司的PLC网络
近美国的通用电气公司（GE）与日本的数控FANUC公司合并成立了GE-FANUC公司，其PLC产品在美国市场所占份额居第三位。GE-FANUC的PLC网络产品是在标准化方面进展快的产品，图5表示了GE-FANUC的PLC网络。 PLC资料网
图5GE-FANUC公司的PLC网络由图5可见，GE-FANUC的公司PLC网络有两种结构。一种是右侧的4级总线复合型拓扑结构，一种是左侧的2级总线复合型拓扑结构。
GE-FANUC的公司PLC网络高一级子网为GEnetMAP宽带局域网，采用全MAP3。0协议，通信速度高达10Mb/s，用于传输生产管理信息。 PLC
Genius网是GE 2级结构的底层子网，他相当于系统90-70可编程控制器的远程I/O链路，负责与现场单元交换数据，采用GE-FANUC专用协议。
GE 4级复合结构的第3级子网为GEnetMMS Ethernet网或者GEnetMAP载带网，前者采用Ethernet协议，后者采用MAP3.0协议。第2级为CCM网，采用GE的CCM专用协议及RTU协议，按主从方式通信，第1级子网为SNP望，这是一条多点链路，采用SNP协议，按主从方式工作。
从上述五家有代表性的公司的PLC网络结构分析中可以清楚地看到，PLC网络采用复合型拓扑结构，大多数由3级总线或4级总线复合而成。