6ES7223-1PM22-0XA8详细使用电机分批自启动技术在石油化工等连续生产企业中有着广泛的用途。以PLC为核心控制单元的电机分批自启动系统具有以下功能及特点：(1)能够实时地监控电机的运行状态；(2)记忆电网波动前电机的运行状态，只有在电网波动前处于运行状态在电网波动时停机的电机才具备电机自启动条件；(3)准确及时地捕获电网电压信息。(4)分批自启动的电机按照工艺流程需要，在PLC中预先设置，为避免多台电机在自启动中对电网的影响、电机分批自启动中采用分批延时处理方式；(5)具有多路输入和多路输出功能，实现多台电机自启动集中控制；(6)具备远程通信接口，实现与上位机或DCS系统的通信，在上位机或DCS系统中方便地对该系统进行监控和维护。
洛阳石油化工总厂的2套PLC电机分批自启动设备，采用西门于S7。300系列PLC，它以CPU313为中央处理单元，每执行1000条二进制指令约需0．7ms。S7—300具备128点数字量输入／输出和32路模拟量输入／输出，12KB的RAM，20KB的负载存储器；完全能够满足电机状态和系统电压的实时监控和及时实现电机分批自启动的要求。
l系统组成
2套PLC电机分批自启动系统根据变电所供电方式，每一段低压母线采用l台PIC。系统硬件主要分为外围电路和核心单元2部分。外围电路主要完成母线电压、电机运行状态等信号的采集、处理和转换以及电机启动指令的驱动等。核心单元(即PLC)主要完成信号处理，发出电机驱动指令。
1。1外围电路
外围电路主要包括以下几个部分：(1)母线电压采样监测。它通过1个电流型电压变送器将0—380V交流母线电压转换为4*20mA直流信号。(2)电机运行状态信号监控。电机运行状态信号通过电机控制回路中的1个干接点输入到PLC的输入模块。所有信号的输入都经过光藕隔离，以提高抗干扰能力。(3)电机驱动单元。电机启动信号由PLC发出，输出单元不直接驱动电机，而是通过1个220V、10A AC的中间继电器带动电机操作回路。这样一方面提高了驱动能力，另一方面使得电气操作回路和PLC控制回路分隔，提高了系统的安全可靠性。
1．2核心单元
根据系统的要求，其核心PLC主要有以下几部分：
(1)CPU313及系统软件。它完成电压和电机运行状态监测，实时进行逻辑判断，发出电机分批自启动指令。CPU313有4种操作选择：RUN—P、RUN、STOP和MRES运行方式。(2)模拟量输入模块SM331(8路输入)。它把电压变送器输入的4。20mA的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PI，C的控制单元，以供PLC做出电压判断。(3)数字量输入模块SM321。16路输入2个，32路输入1个，完成62台电机运行状态监测和PLC电机分批自启动系统运行、调试状态监侧，电机运行状态信号通过电机操作回路中的接触器辅助接点接至该模块。(4)数字量输出模块SM322(输出8路)。
接受PLC控制单元的指令，完成电机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电机分批自启动。
2系统软件设计
电机分批自启动系统软件主要任务为：(1)完成系统初始化；(2)正常状态下的数据监测；(3)电网电压出现波动后，即电网电压降至70％，所有电机都会因为电气保护装置而强制退出运行，在此之前，程序已经做出判断并锁存电机状态信号；(4)当电力系统恢复正常(3s内，母线电压恢复至95％)时，程序依据故障前保存的电机状态信号、对具备白启动条件的电机。按照顺序分批发出启动信号，使其恢复运行；(5)无论在正常状态下或是在电机自启动过程中，PLC均实时监侧母线电压；(6)通信接口程序。包括系统监测数据和故障信息，PLC将采集的母线电压信息、电机启动状态信息传输到上位机或DCS系统，便于维护人员实时了解设备运行状况。开关量信号一般对信号电缆没有严格的要求，可以选用普通电缆，信号传输距离较远时，可以选用屏蔽电缆。模拟量信号和高速信号（例如光电编码器等提供的信号）应选择屏蔽电缆。有的通信电缆的信号频率很高，一般应选用专用电缆或光纤电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的多芯电缆或双绞线电缆。
PLC应避免强干扰源，例如大功率晶闸管装置、变频器、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，两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，例如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。
信号线与功率线应分开走线，电力电缆应单独走线，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，信号线应尽量靠近地线或接地的金属导体。
当开关量I/O线不能与动力线分开布线时，可以用继电器来隔离输入／输出线上的干扰。当信号线距离超过300m时，应采用中间继电器来转接信号，或使用PLC的远程I/O模块。
I/O线与电源线应分开走线，并保持一定的距离。（http://www.diangon.com版权所有）如果不得已要在同一线槽中布线，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/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入／输出信号距离PLC较远，应采用DC4～20mA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。
不同的信号线好不用同一个接插转接，如果必须用同一个接插件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰PLC内部用光耦合器、输出模块中的小型继电器和光敏晶闸管等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLC的模拟量I/O模块一般也用光耦合器来实现隔离。这些器件除了能减少或消除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，一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。
在某些工业环境，PLC受到强烈的干扰。由于现场条件的限制，有时很长的强电电缆和PLC的低压控制电缆只能敷设在同一电缆沟内，强电干扰在输入线上产生的感应电压和感应电流相当大，足以使PLC输入端的光耦合器中的发光二极管发光，光耦合器的隔离作用失效，使PLC产生误动作。（http://www.diangon.com版权所有）在这种情况下，对于用长线引入PLC的开关量信号，可以用小型继电器来隔离。开关柜内和距离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和防雷击，PLC和计算机之间的串行通信线路可以考虑使用光纤，或采用带光耦合器的通信接口。
PLC的24VDC电源回路与设备之间，以及120/230VAC电源与危险环境之间，必须提供安全电气隔离。1、分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
2、确定输入／输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
3、选择PLC
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。
4、分配I/O点并设计PLC外围硬件线路
1.分配I/O点
画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第2步中进行。
2.设计PLC外围硬件线路
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入可编程控制器的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
5、程序设计
1.程序设计
根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：
1）初始化程序。
在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。
2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。
3）保护和连锁程序。
保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。
2.程序模拟调试
程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
2）软件模拟法是在PLC中编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。（http://www.diangon.com版权所有）模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。
6、硬件实施
硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：
1)设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。
2)设计系统各部分之间的电气互连图。
3)根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。
由于程序设计与硬件实施可进行，PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
7、联机调试
联机调试是将通过模拟调试的程序进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
8、整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
1．某些国外的小型PLC的程序结构
这些PLC的用户程序由主程序、子程序和中断程序组成。在每一个扫描循环周期，CPU都要调用一次主程序。主程序可以调用子程序，小型控制系统可以只有主程序。中断程序用于快速响应中断事件。在中断事件发生时，CPU将停止执行当时正在处理的程序或任务，去执行用户编写的中断程序。执行完中断程序后，继续执行被暂停执行的程序或任务。它们的子程序和中断程序没有局部变量，子程序没有输入、输出参数。
2．西门子的S7-200的程序结构
过程映像输入/输出（I/Q）、变量存储器V、内部存储器位M、定时器T、计数器C等属于全局变量。S7-200的程序组织单元(ProgramOrganizationalUnit，简称为POU)包括主程序、子程序和中断程序。每个POU均有自己的64字节局部变量，局部变量只能在它所在的POU中使用。全局变量可以在各POU中使用。
下面是子程序可以使用的局部变量：
1)TEMP(临时变量)是暂时保存在局部数据区中的变量。只有在执行该POU时，定义的临时变量才被使用，POU执行完后，不再保存临时变量的数值。
2)IN是由调用它的POU提供的输入参数。
3)OUT是返回给调用它的POU的输出参数(子程序的执行结果)。
4)IN_OUT是输入_输出参数，其初始值由调用它的POU传送给子程序，并用同一变量将子程序的执行结果返回给调用它的POU。
主程序和中断程序的局部变量中只有临时变量TEMP。
具有输入、输出参数和局部变量的子程序易于实现结构化编程，对于长期生产同类设备或生产线的厂家尤为有用。这些厂家的编程人员为设备的各组件或工艺功能编写了大量的通用的子程序。不知道子程序的内部代码，只要知道子程序的功能和输入、输出参数的意义，就可以通过程序之间的调用快速“组装”出满足不同用户要求的控制程序。就好像用数字集成电路芯片组成复杂的数字电路一样。
子程序如果没有输入、输出参数，它和调用它的程序之间没有清晰的接口，很难实现结构化编程。
子程序如果没有局部变量，它和调用它的程序之间只能通过全局变量来交换数据，子程序内部也只能使用全局变量。将子程序和中断程序移植到别的项目时，需要重新统一安排它们使用的全局变量，以保证不会出现地址冲突。当程序很复杂，子程序和中断程序很多时，这种重新分配地址的工作量非常大。
如果子程序和中断程序有局部变量，并且它们内部只使用局部变量，不使用全局变量，因为与其他POU没有地址冲突，不需作任何改动，就可以将子程序移植到别的项目中去。
3．西门子的S7-300/400的程序结构
S7-300/400将子程序分为功能（Function，或称为函数）和功能块（FunctionBlock）。
S7-300/400的功能与S7-200的子程序基本上相同。它们均有输入、输出参数和临时变量，功能的局部数据中的返回值实际上属于输出参数。它们没有专用的存储区，功能执行结束后，不再保存临时变量中的数据。
可以用全局变量来保存那些在功能执行结束后需要保存的数据，会影响到功能的可移植性。
功能块是用户编写的有自己专用的存储区（即背景数据块）的程序块，功能块的输入、输出参数和静态变量存放在指定的背景数据块中，临时变量存储在局部数据堆栈中。每次调用功能块时，都要指定一个背景数据块。功能块执行完后，背景数据块中的数据不会丢失，不会保存局部数据堆栈中的数据。
功能块采用了类似于C++的封装的概念，将程序和数据封装在一起，具有很好的可移植性。
S7-300/400的共享数据块可供所有的逻辑块使用。
4．IEC61131-3的程序结构
IEC61131-3是PLC的编程语言标准。IEC61131-3是世界上个，也是至今为止唯一的工业控制领域的编程语言标准。IEC
61131-3有三种POU：程序、功能块和功能。
功能是有多个输入参数和一个输出参数（返回值）的POU，返回值的名称与功能的名称相同，需要定义返回值的数据类型。调用具
有相同输入值的功能总是返回相同的结果。功能可以调用其他功能，不能调用功能块或程序。功能可定义的局部变量有VAR和VAR_bbbbb。
功能块是有多个输入/输出参数和内部存储单元的POU，功能块的输出参数值与其内部存储单元的值有关。功能块可以调用其他功能
块或功能，不能调用程序。
在调用功能块之前，必须在要调用功能块的POU中为每次调用声明功能块的实例，操作系统将为每次调用分配功能块专用的存储区
（类似于S7-300/400的背景数据块）。
功能因为没有内部存储区，调用时不需要实例化。
程序的行为和用途类似于功能块，程序具有输入和输出参数，可以具有内部存储区。程序通常包含有对功能和功能块的调用。
IEC61131-3定义了若干标准的功能和功能块。
5．S7-300/400与IEC61131-3程序结构的区别
1）S7-300/400的功能可以有多个输出参数，返回值也属于输出参数。IEC61131-3的功能只有一个返回值。
2）IEC61131-3的功能块用于保存局部变量的专用存储区是在声明功能块的实例时分配的，它对用户是不透明的，其他POU不能直接访问该存储区。
S7-300/400的功能块的局部变量（不包括临时变量）保存在它的背景数据块中。其他POU可以访问背景数据块中的变量。如果需要多次调用同一个功能块来控制同一类型的被控对象，每次调用都需要指定一个背景数据块，这些背景数据块中的变量又很少，这样在项目中就出现了大量的背景数据块。可以使用多重背景数据块来减少背景数据块的数量。需要增加一个用来管理多重背景的功能块。
3）S7-300/400的功能块的局部变量有临时变量和静态变量，IEC61131-3的功能块的内部变量Var相当于S7-300/400的静态变量。
4）S7-300/400将数据区划分为数据块来使用，数据块的大小与数据块中定义的变量的数据类型和变量的个数有关。IEC61131-3没有数据块的概念。
干扰的主要来源
电源的干扰。
PLC系统控制的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰，空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达等产生的，通常称为辐射干扰，若PLC系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。
信号线引入的干扰。
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，由此引起系统故障的情况也很多。
接地系统的干扰。
接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。
变频器干扰。
一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。
抗干扰的措施
电源干扰的抑制。
一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要更加合理等等，对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要的+5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量时电源线平行走线，时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路等。
信号线引入的防干扰措施。
动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到低限度。利用信号隔离器解决干扰问题也是很理想的办法，其原理是将PLC接收的信号，通过半导体器件调制变换，通过光感或磁感器件进行隔离转换，再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间独立。只要在有干扰的地方，输入端和输出端中间加上这种隔离器，就可有效解决干扰问题。
正确选择接地点，完善接地系统。
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。在PLC控制系统中，具有多种形式的“接地”，主要有：
(1)信号地。输入端信号元件的地;
(2)交流地。交流供电电源的N线;
(3)屏蔽地。为防止静电和磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其接入地下;
(4)保护地。将机器设备的外壳或设备内独立器件的外壳接地，用于保护人身安全和防止设备漏电。
为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下，接地方式与信号频率有关，当频率低于1MHz时，可用一点接地;高于10MHz时，采用多点接地;在1～10MH之间时，通常情况下，PLC控制系统采用一点接地，将所有地线端子和近接地点相连接，以获得好的抗干扰能力。接地线截面积不能小于2mm2，接地电阻不能大于100Ω，接地线使用专用地线。
变频器干扰的抑制。
(1)加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。
(2)使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。
(3)使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常。
