西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8功能介绍
0 引言
可编程序控制器PLC是电气自动化控制领域的重要组成部分,其性能的优劣对整个控制系统有着重大的影响。PLC是以微处理器为基础,综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置,它随着微电子技术的发展而同步发展,目前已被广泛应用于机器制造、冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通等各个行业。
嵌入式PLC根据编程指令的执行方式不同,可分为解释型和编译型。针对这两种执行机制,本文对它们进行比较分析,并通过性能比较实验,验证了采用编译的执行方式,可以明显提高PLC指令的处理速度并且具有良好的可靠性。
1 解释型PLC的执行机制
解释型PLC下载到下位机的程序,是在上位机编译系统中作了简单的处理而得到的编码(我们称为中间代码)。由于无法直接识别这些中间代码,下位机处理器只能采用取一条指令、解释执行一条指令的方式逐句执行。这种机制方法简单,容易实现,因为每执行一条指令都要调用相应的解释程序,从而花费了大量的时间。
1. 1 解释型PLC的系统结构
解释型PLC的系统结构如图1所示。
解释型PLC系统由在计算机上运行的上位机(编辑环境)部分和PLC处理器上运行的下位机(运行环境)部分组成。其中,上位机负责梯形图和语句表程序的编辑,并进行硬件和通信接口的相关设置、下载上传代码文件等操作;下位机为PLC的运行环境,负责PLC指令的执行,实现逻辑控制、顺序控制等功能。
1. 2 解释型PLC的编辑系统
解释型PLC的编辑环境包括硬件配置模块、网络设置模块、梯形图和语句表的编辑模块等部分,各部分完成的功能如下。
①硬件配置模块完成对下位机硬件条件的配置,用户可根据不同的需要,选择相应的模板和模块;还可以对硬件资源进行管理,定义一些变量和常量,以及对相应的常量进行赋值。
②通信设置模块主要完成串口设置、自定义网络通信设置、串口上传/下载等功能。其中串口设置包括选择串口和设置串口属性;自定义网络通信设置包括对IP地址、网关、子网掩码、MAC地址、端口等的设置;串口上传/下载完成程序文件和配置文件在上位机与下位机之间的相互传送。
③梯形图和语句表的编辑模块通过对梯形图或语句表的编辑,完成应用程序的编制工作。编辑梯形图时,点击工程选项,打开3 .LAD文件,可以插入程序段、添加程序注释,选择插入相应的梯形图,并选择地址;编辑语句表时,点击工程选项,打开3 . STL文件,同样可以添加程序段和注释。编辑完成后保存梯形图/语句表程序段或者选择编译工程文件编译整个工程文件。
在编辑系统中,解释型PLC利用梯形图和语句表编辑模块编制用户应用程序,对语句表(梯形图要转化为语句表处理)进行编码处理(中间代码),并通过串口下载到下位机。
1. 3 解释型PLC的解释程序
由于下载到下位机的程序是在上位机人为处理后得到的中间代码,PLC处理器无法识别这些代码,必须经过解释程序逐句解释执行。解释程序的一般工作流程如图2所示。
1. 4 解释型PLC的运行系统
解释型PLC的运行系统由系统初始化、扫描输入、扫描中间代码程序、解释执行、扫描输出等模块组成。系统运行的执行过程如图3所示。系统初始化用来为程序区和数据区等区域申请空间,如I区、Q区、M区、T区、C区、P区等。系统初始化后,进行输入扫描。解释程序的一般工作流程如图2所示。
PLC有调试、运行和停止这三种工作模式。在调试模式下,系统初始化、扫描输入后,扫描串口和网口,将通过上位机编辑系统通信模块的下载功能下载的程序中间代码文件存储到用户程序区,等待解释执行。在运行模式下,系统初始化、扫描输入后,不再扫描串口和网口,而是直接扫描用户程序,并由PLC虚拟机采用取指令、解释、执行的方式逐句执行,PLC执行其他模块。在停止模式下, PLC初始化后,不进行任何操作。
2 编译型PLC的执行机制
编译型PLC下载到下位机的程序,是在上位机编译系统中编译过的程序。该程序下载到下位机后,可以直接执行,而不再需要解释;并且可以一次编译,多次执行。这种机制在上位机就完成了编译的工作,下位机通过加载程序就可以直接执行,从而节省了很多时间。
2. 1 编译型PLC的系统结构
编译型PLC的系统结构如图4所示。编译型PLC的系统结构与解释型PLC基本一致,不同的是在编辑环境中增加了对中间代码的编译处理模块,以及在运行环境中加载了执行机器码程序的模块。
2. 2 编译型PLC的编辑系统
这种执行机制的编辑环境和解释型PLC的编辑环境基本相同,也包含了硬件配置模块、网络设置模块、梯形图和语句表的编辑模块等,但不同的是其增加了对指令的编译处理部分。经过编译处理,在上位机完成把应用程序转化为嵌入式机器码的工作,通过编译系统的串口下载功能将这些连续的机器码下载到下位机。指令的编译(目标代码生成)过程如下。
①指令的解析:将中间代码指令映射为ARM汇编指令。如果是指令的操作码(二进制编码) ,则根据此指令的功能,按一定顺序用能实现其功能的若干ARM汇编指令表示;如果是指令的操作数,则根据其寻址方式和数据变量类型来确定操作数的物理地址或者操作数本身。
②将步骤①中得到的ARM汇编指令序列封装成ARM汇编文件。
③通过调用ARM公司的汇编编译器armasm和链接器armbbbb进行编译和链接,生成AXF调试文件,再调用ARM公司的代码转换工具fromelf,将AXF调试文件转换为ELF格式的ROM烧写文件。
④至此,得到可执行的目标代码B IN文件。
2. 3 编译型PLC的运行系统
编译型PLC运行系统的执行过程如图5所示。与解释型PLC不同,在系统初始化过程中,编译型PLC下位机要做的一个很重要的工作是采用分散加载的方式来申请程序区和数据区的空间,如I区、Q区、M区、T区、C区、P区等。这些区的首地址都是协定好的,上位机编译系统在编译时可以直接使用各个数据区的首地址。因为上位机生成的机器码文件中的地址必须是下位机存储器的物理地址,程序才能直接访问数据,否则还需要进行内存重定位等步骤,这样就影响程序的执行速度。
这种机制在调试模式下,通过上位机编译系统通信模块的下载功能下载的程序是机器码B IN文件,而不像解释型PLC下载的是中间代码。在运行模式下,加载用户程序时,先保存程序指针,利用汇编的JMP命令跳转到用户程序区,这是一段连续的内存空间,里面存储的是用户程序的机器码。用户程序执行完后,再恢复程序指针,PLC执行其他模块。按照这样的方式,嵌入式机器码可以直接被ARM7系列CPU调用执行,减少了PLC虚拟机的参与过程,提高了程序的执行速度。
3 性能比较
从运行速度的角度分析,由于编译型PLC减少了PLC虚拟机在指令执行时的解释过程,它比解释型PLC运行时生成的有效指令明显少很多,从而较大幅度地提高了运行速度。逻辑指令在编译型PLC运行时生成的平均有效指令仅是解释型PLC的1/10左右。经SK系列PLC测试表明,执行同样的1MB位逻辑指令程序,解释型约需5. 15 s,而编译型仅需0. 55s,执行效率得到明显提高。
4 结束语
本文从系统结构、编辑系统的组成和运行系统的执行过程等方面对嵌入式PLC目前常用的两种执行机制进行比较分析,并通过性能比较实验验证了编译型PLC具有良好的可移植性和高效性。不可否认,这种编译方法尚有不足之处,今后我们将致力于对现有的指令编译技术进行改进和优化的工作,构建出性能更加可靠、效率更加突出的嵌入式PLC系统。只有从效率和可靠性等指标上缩短与****PLC的差距,才能赢得更多的市场,打造我们自己的民族品牌。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。
PLC的输入类型是分漏式和源式的，前者指的是正信号输入（可直接用PNP），后者指的是负信号输入（可直接用NPN），否则必须用继电器转换后输入。
传感器的型式不一而足，一般用得多的是两线跟三线的，两线的跟负载串联。三线的多为开集极输出，三根线分别为正负电源和输出晶体管的集电极。传感器的NPN和PNP是根据输出晶体管的型号来的。NPN的负载是接在正电源与集电极之间，而PNP是接在集电极与负电源之间的。要用万用表来判断传感器的型号，需要先给它一个负载，再根据它的输出电压来判断。
源型、漏型是指直流输入/输出PLC而言，针对的是输入点/输出点的COM端，当公共点接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。或者换种说法源型是高电平有效，漏型是低电平有效。
源型输入是指输入点接入直流正极有效
漏型输入是指输入点接入直流负极有效
源型输出是指输出的是直流正极
漏型输出是指输出的是直流负极。
源型与漏型的选择决定了使用那种传感器，他决定了COM端口的电压为正或是为负
接近开关npn，pnp区别
先要搞清楚PNP、NPN 表示的意思是什么。P表示正、N表示负。PNP表示平时为高电位，信号到来时信号为负。NPN表示平时为低电位，信号到来时信号为高电位输出.接近开关和光电开关只是检测电路不同输出相同。至于PLC接线，一般用NPN的较多。但多数的日本的PLC有日本型、世界型、和通用型。进入中国的多数为世界型和通用型。可直接用NPN型。接近开关和光电开关的电源正端接电源正、负接公共端、输出接PLC的输入端。
1引言
可编程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，以其功能强大、通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单等一系列特点，获得工程技术人员的认可。但由于PLC的应用场合越来越广，应用环境越来越复杂，所受的干扰也就越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备产生的电磁干扰、接地电阻的耦·合、输入元件的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。研究PLC控制系统干扰信号的来源、成因及其抑制措施，对于提高PLC控制系统的抗干扰能力及可靠性具有重要的意义。
2干扰源分类及PLC控制系统干扰的来源
2.1干扰源及一般分类
与一般影响工业控制设备的干扰源一样，影响PLC控制系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。
干扰按照产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质的不同来分类，如图1所示。
2.2 PLC控制系统中干扰的主要来源
(1)来自空间的辐射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、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰;二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。
(2)来自电源的干扰PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，尤其是电网内部的变化，输入开关操作浪涌、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。对于隔离性能不理想的PLC电源而言，极易受到这种干扰的影响。
(3)来自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息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这一点往往被忽视;二是信号线受电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。
(4)来自接地系统混乱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;错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点问存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
3PLC控制系统的抗干扰措施
采取硬件技术与软件技术相结合的方式，实现系统稳定、高效运行，具体实施如下。
3.1硬件抗干扰技术
3.1.1电源部分防干扰
(1)电源变压器的选用，电源变压器是电源部分常用的元件之一，电网中的干扰信号容易由此进入系统。为抑制电网中的干扰，一般选用隔离变压器，并使其容量比实际需要大1.2—1.5倍。且使用中应注意两点：①屏蔽层要良好接地。②二次连接线要使用双绞线，以减少电源线问干扰。
(2)采用滤波器为了更好地抑制电网干扰，通常还可以在隔离变压器前加入滤波器，如图2示，此时隔离变压器的一次和二次连接线都要用双绞线。
(3)分离供电系统在系统要求高、环境较恶劣时，可将控制器I/0通道和其他设备的供电分离开来，以利于抗电网干扰。
3.1.2控制系统接地抗干扰设计
系统接地的好坏将直接关系到系统能否正常工作，良好的接地可有效地防止干扰误动作。接地的好方法如图3a所示，将控制器和其他设备分别接地，要求不高时，也可用图3b所示的共用接地，而不允许图3c所示的共通接地方式，特别是应避免与电机、变压器等动力设备共通接地。接地还应注意以下几点：①接地电阻小于100<2。②接地线要粗，一般应大于2ram2。③接地点尽量靠近控制器，其间的距离不大于50m。④接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，且尽量缩短平行走线长度。
3.1.3 电缆敷设的抗干扰设计
主要是减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。
在PLC柜进行柜内电缆敷设时要求做到以下几点：①模拟量输出线与数字量信号线可装在相同的非屏蔽电缆槽内。②只有屏蔽的模拟量输入信号线，才能与数字量信号线装在同一电缆槽内。③直流电压数字量信号线和模拟量信号线不能与交流电压线装在同一电缆槽内。④信号线不能与电源线装在同一电缆槽。⑤只有屏蔽的220V电源线，才能与信号线装在同一电缆槽内。⑥PLC柜进出口的屏蔽一定要接地。
3.1.4设备选型
在选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性(EMC)，尤其是抗外部干扰能力，如：采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统;还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作;是考查在类似工作中的实际应用。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品，在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在引进国外产品时，按我国的标准(GB/T13926)合理选择。
3.1.5抑制输入、输出电路引入的干扰
为了抑制输入、输出信号传输线引入的干扰，PLC的输入、输出线应单独敷设在封闭的电缆槽架内(线槽外壳良好接地)。不同种类信号的输入、输出线，不能放在同一根多芯屏蔽电缆内(引线部分更不许捆扎在一起)，在槽架内应隔开一定距离安放，屏蔽层应当接地。在PLC的输入线较长(大约30m以上)的情况下，如果使用交流输入模块，由于感应电动势的干扰，没有输入信号也可能会引起误动作。必要时需在输出端子两端并联电阻。当PLC的输入输出端接有感性元件时，还应在感性元件的两端并联续流二极管，以抑制控制电路开断时产生的电弧对PLC的影响。续流二极管的额定电流应大于电源电压的2～5倍。对输入/输出电路的处理如图4所示。
3.2软件抗干扰技术
(1)延时确认对于开关量输入，可采用软件延时20ms对同信号作两次或两次以上读入，结果一致才可确认输入有效。
(2)封锁干扰某些干扰是可以预知的，例如可编程序控制器的输出命令驱动大功率器件动作，常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号，它们产生的干扰信号可能使可编程序控制器接收错误的信息。在容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号，适当延时，在干扰消除后，再取消封锁。
(3)软件滤波对于模拟信号可以采取软件滤波措施，目前的大型PLC编程大都持SFC、结构化文本编程方式，这可以很方便地编制比较复杂的程序，完成相应的滤波功能。
(4)数字滤波[4]现场的模拟量信号经A/D转换后变为数字量信号，存入PLC中，再利用数字滤波程序对其进行处理，滤去噪声信号从而获得所需的有用信号。工程上的数字滤波方法很多，常用的有：平均值滤波法、中间值滤波法、加权滤波、滑动滤波法等。数字滤波的每一种方法可以单独使用，也可根据实际情况结合使用。
(5)软件容错就是在于扰不能避免的情况下，万一其对控制系统造成大的干扰而使系统出现异常时，控制系统能对其及时地进行反应并根据出错时的状态决定系统下一步补救措施。主要有以下容错技术：程序重复执行技术、对死循环作处理、软件延时。
4 结束语
PLC控制系统广泛应用，而PLC干扰问题又是一个普遍存在的问题，抗干扰技术显得尤为重要，应综合多方面的因素找出可能存在的干扰源，有针对的设计抗干扰措施，软硬件结合真正实现PLC控制系统的抗干扰，使其高效、可靠的工作。许多抗干扰措施，在系统总体设计时要一并考虑进去b]，不应等调试时再临时采取措施。