西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0大量供应
引言
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。
1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1.1 工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2 电源的要求
不同的PLC产品，对
在制造工业中存在大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，使PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。近年来，PLC厂家在原来CPU模板上提逐渐增加了各种通讯接口，现场总线技术及以太网技术也同步发展，使PLC的应用范围越来越广泛。PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。
PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，有母板，数字I/O模板，模拟I/O模板，还有特殊的定位模板，条形码识别模板等模块，用户可以根据需要采用在母板上扩展或者利用总线技术配备远程I/O从站的方法来得到想要的I/O数量。
PLC在实现各种数量的I/O控制的还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力，使得它可以控制各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等，加上触摸屏的人机界面支持，施耐德的PLC可以满足您在过程控制中任何层次上的需求
电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
1)PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；禁止采用共通接地方法。如图1所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。
图1 接地方法
2)PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
1.4 冗余设计和降级操作设计
1)对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也运行，两者输出的结果一致时，表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2)降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
1.5 PLC的I/O电路
1)由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图3的可靠性要比图2的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了系统的安全和可靠。
图2起、停控制线路 图3 起、停控制线路
2)在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。如图4所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。
(a)交流输入方式 (b) 直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式
3)在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二极管D，如图6所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。
图5输出端交流感性负载 图6 输出端直流感性负载
2、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性
为了提高PLC控制系统工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的大时间；当启动该对象运行时，也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。
图7 检测程序
3、结语
PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关，有些客观因素也干扰着控制系统的稳定性。通过设计正确的硬件线路，选择质量高的元器件，改善工作环境，编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高
近年来，随着工厂自动化系统的兴起，可编程控制器(PLC)和现场总线在工业控制中得到了广泛的应用。在工厂自动化系统中，一般利用PLC的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，将其作为下位机完成实时采集和控制任务；利用现场总线系统的开放性、互用性以及系统结构的高度分散性来构筑自动化领域的开放互连系统。控制系统中的主从站结构是经常用到的通讯方式，以往的从站只能单纯的靠主站中存储的程序来运行，主站若发生故障，从站就不能继续工作，这样就使整个系统的连续工作能力下降，不利于企业效益的增长。要解决这一问题，可换用带CPU的智能化DP从站，它不仅能实现独立的PID控制，也能接收PROFIBUS的PLC主站或PC主站的控制数据，构成一个数字化、智能双向、多点的通信系统现场总线网络，实现优控制，DP从站具有可靠性高、抗扰能力强、、维护方便的特点，可以很好的解决上述问题。
1 通讯结构
CPU315-2DP是西门子生产的S7系列产品，它的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口。AriCon 211-DP是北京金自天正智能控制股份有限公司(以下简称金自天正公司)的产品，它的CPU上也集成有PROFIBUS-DP通讯接口。整个的连接结构如图1所示。
图1 系统通信结构连接框图
MPI：MPI（Multi Point Interface）数据线用来连接PC机的串口和CPU315-2DP的通讯口。它是通过一个西门子生产的PC适配器把PC机的串口转化为MPI协议的。
RS232C：RS232C(RS表示Recommended Standard，C代表RS232新定义的一个型号)是目前PC机与通信工业中应用广泛的一种串行接口。它被定义为连接数据终端设备（DTE）和数据电路设备（DCE）的电缆中的信号电特性，是一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准，采取不平衡传输方式，即单端通讯。RS232C适用于近距离传输。连接方式如图2所示。
图2 RS232串行接口连接方式
PROFIBUS-DP（Process FieldBus）：采用RS485传输技术通讯，波特率可选9.6Kbps～12Mbps，电缆的大长度就取决于所选用的波特率。线路的两端带有终端传输电阻，介质为带屏蔽的双绞电缆。在这一级，PLC通过高速串行线同分散的现场设备进行通讯。
2 硬件部分
2.1 CPU315-2 DP
其主存储器的大存储量为512KB，CPU能多处理82K语句，并提供大8192个标记，512个定时器和512个计数器。CPU可扩充到1024DI/DO或128AI/AO。它的强大功能也可用一个集成的PROFIBUS-DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置。多可将125个PROFIBUS-DP站连接到主设备。数据传输率为12Mbps。分布式I/O以与中央I/O完全相同的方式(即用STEP 7)进行配置和编程。它的通信协议芯片SPC3集成了DP协议中的FDL层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理。
2.2 AriCon 211-DP
可用符合IEC61131-3标准的AriOCS对其组态编程，具有高灵活性，可以连接32个功能模块（数字I/O、模拟I/O、脉冲计数、通讯等）。具有极快的扫描周期，可连接附加的外部存储器，无需MPI适配器。大传输率为12Mbps。组态好的数据要使用RS232C下装到模块的CPU中。
3 软件部分
由PROFIBUS总线构成的现场总线控制器的软件包括：PROFIBUS总线设备的配置软件、驱动软件、组态软件和应用程序等。它们具有以下功能：主站和远程从站的参数设定，主站对从站的数据读写、图形组态、数据库建立与维护、数据统计、报表打印、故障报警，应用程序的开发、调试、运行等。其中，配置软件和驱动软件由设备厂商提供，组态软件可采用STEP7等通用型软件。
本次实验所有的软件都基于Microsoft bbbbbbs NT系统，有良好的用户界面，其功能也都相当完善和实用，使用非常方便。
3.1 编程组态软件STEP7
STEP7是西门子开发的一套SIMATIC 工业软件。它功能非常强大，不仅对开关量有完善的指令，在处理模拟量时也有丰富的指令系统。可以使用任何一种编程语言，如STL（语句表）、FBD（功能块图）和LAD（梯形图），可随心所欲的从一种语言切换到另一种。硬件配置工具和试验工作方式的切换设备以及指令集（存有丰富的指令），是非常复杂的功能也能简便地编程。地址的分配和安装模块的组态是西门子STEP7管理器的一个功能，在这里，模块作为一个实际的PROFIBUS主站系统出现。完成的工程通过串口MPI传送给CPU。
3.2 组态软件AriOCS
AriOCS是金自天正公司开发的专用于IEC1131-3 AriCon CPU21x编程组态的软件，采用IEC标准规定的五种语言。它支持在线调试修改和离线仿真，调试功能非常丰富，具有在线帮助功能。它还附带了一个参数配置软件WinNCS。
3.3 GSD文件
PROFIBUS设备具有不同的性能特征，主要表现在现有功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或可能的总线参数，例如波特率和时间的监控不同。这些参数对每种设备类型和每家生产厂来说均有差别，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件（即GSD文件）。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备并以设备数据库清单的形式提供给用户，此种文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP设备的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。
4 操作过程
将所有设备按照图1所示顺序连接好。
PROFIBUS通信协议将网络中通讯参与者分为主站和从站：主站要向从站发送通讯请求指令，从站根据请求指令中指定的内容向主站发回数据。一个主站可以向多个从站发送通讯请求，并利用从站地址（SLAVE ADDRESS）或从站识别码（SLAVE ID）来区分。
智能从站与普通从站的大区别就是带有自己的CPU，它除了处理来自主站的数据外，还要处理本身的I/O数据，并且必须确保两种数据不重叠。在给主站组态的也要给从站组态。
主站的CPU必须从FFh到00h记数，并且要先把来自智能从站的数据传送到主站的输出模块，主站再把自己的数据传送给智能从站。从站接收到的数据必须保存在CPU外围模块的输入区域，并且通过背板总线传送给输出模块。另一方面，智能从站要从00h到FFh记数。这些数据也必须被保存到从站CPU的输出区域，通过PROFIBUS传送到主站，主站再传给输出模块。以此做周期性循环。
这里对以下数据进行组态：
①主站：PROFIBUS地址 1
输入区域 从10开始 字节长度：2Byte
输出区域 从20开始 字节长度：4Byte
②智能从站：PROFIBUS地址 2
输入区域 从30开始 字节长度：4Byte
输出区域 从40开始 字节长度：2Byte
参数数据 从50开始 字节长度：24Byte(固定)
诊断数据 从60开始 字节长度：6Byte(固定)
状态数据 从100开始 字节长度：2Byte(固定)
组态好的PROFIBUS地址必须与CPU模块上拨码开关设定的地址一致。
输入输出区域中的数据是映射到对方CPU中的数据：主站的输入对应于从站的输出，它们的字节长度要相等；而主站的输出则对应于从站的输入，它们的字节长度也要相等。
用STEP7给主站CPU315-2 DP组态，组态好的数据通过MPI电缆下装到主站的CPU中。在STEP7中，为主站编程，梯形图如图3所示。
图3 主站编程梯形图
其中：M0.0为中间变量，Q1.0对应于主站所带的I/O模块地址，而Q20.0则为映射到智能从站的数据，它对应着智能从站的Q30.0。
智能从站的组态采用组态软件AriOCS，组态好的数据通过RS232C传送给AriCon 211-DP。在AriOCS中，为智能从站编程，梯形图如图4所示。
图4 从站编程梯形图
其中：I30.0为映射到主站的数据，而Q2.7则对应于智能从站所带的I/O模块地址。
PROFIBUS通信协议保障了通信的高可靠性，这要以硬件和软件设计为基础。在通信接口连接时，必须遵循一定的规范，如信号的隔离、总线接口与收发器间避免线路过长等。这样，主从站就可以实现数据的通讯了。
5 结语
本次实验主要是实现了PLC与智能从站之间的数据通讯。使用智能从站的大好处在于，当主站出现故障停止运行时，智能从站因自身带有CPU，组态的数据都存在自己的CPU中，能够继续运行，而不受主站的影响，极大的提高了系统连续工作的能力，该方法值得推广应用。