6ES7214-2AD23-0XB8详细资料

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1．引言

PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，使用前需加以区别，以免误用而导致产品损坏。本文简要介绍了继电器和晶体管输出的特点及使用中的注意事项。

2． 继电器和晶体管输出工作原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图1所示）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。
 

图1 电磁式继电器结构图

   晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。

3． 继电器与晶体管输出的主要差别

     由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异，下面以艾默生EC系列PLC相关数据为例进行比较说明（输出口主要规格参见表1）

      （1）驱动负载不同

     继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。

     继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。与负载类型有关，具体参见表1。
 

表1 输出端口规格

（2）响应时间不同

      继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10us。

（3）使用寿命不同

        继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，详见表2，从表中可以看出，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。

表2  继电器使用寿命

4．继电器与晶体管输出选型原则

继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。

5． 驱动感性负载的影响

图2  驱动感性负载时产生的瞬间高压

   继电器控制接触器等感性负载的开合瞬间，由于电感具有电流具有不可突变的特点，根据U=L*(dI/dt)，将产生一个瞬间的尖峰电压在继电器的两个触点之间，该电压幅值超过继电器的触点耐压的降额；继电器采用的电磁式继电器，触点间的耐受电压是1000V（1min），若触点间的电压长期的工作在1000V左右的话，容易造成触点金属迁移和氧化，出现接触电阻变大、接触不良和触点粘接的现象。动作频率越快现象越严重。瞬间高压如下图2所示，持续的时间在1ms以内，幅值为1KV以上。晶体管输出为感性负载时也同样存在这个问题，该瞬时高压可能导致晶体管的损坏。

 当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。当驱动直流回路的感性负载（如继电器线圈）时，用户电路需并联续流二极管（需注意二极管极性）；若驱动交流回路的感性负载时，用户电路需并联RC浪涌吸收电路，以保护PLC的输出触点。PLC输出触点的保护电路如图3所示。

图3 PLC输出触点的保护电路

6． 使用中应注意的事项

   目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载没有吸收保护电路。建议在PLC输出类型选择和使用时应注意以下几点：

（1）  一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许大电流限制（如表1所示），以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低（如表2所示），要特别关注。

（2）   一定要关注负载性质。根据第4节的分析，感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，表面上看负载容量可能并不大，实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。
 

    根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格（见表1）说明中的大电流。

（3）  一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到佳配合。 
 

   事实证明，根据负载性质和容量以及工作频率进行正确选型和系统设计，输出口的故障率明显下降，客户十分满意

1：根据工程实际需求，进行功能块规划，编写子程序

   在PLC中子程序是为一些特定的控制目的编制的相对独立的程序。执行子程序调用指令CALL等，如果条件不满足子程序调用时,程序的扫描就仅在主程序中进行，不再去扫描这段子程序,这样就减少不必要的扫描时间。

   2：用字或双字数据传送给DO点方法来控制输出

   在PLC的应用中通常都会有大量的输出控制，用字或双字数据传送给DO点方法来控制输出可以提高速度，只要根据实际应用的要求，合理分配输出地址，变换控制输出控制字，可以大大减少PLC程序执行的步数，从而加快PLC的程序运行速度。

   3：脉冲触发SET、RESET

   PLC中，使用SET指令只执行一次即可，不必每次扫描都执行这个指令，很适合与脉冲输出(PLS/PLF)指令配合使用。有些工程人员忽视了这个问题，使用了常规的方法来驱动SET指令，无意中增加了PLC程序扫描运行时间.

   4：避免了类型转换，方法如下：

   以S7-200为例，它的内存格式与我们常用的PC机正好它是高字在前，低字在后的。我们可以将字变量放在后两个字节，在程序初始化时将前两个字节清零(程序的其它地方不得使用这两个字节)。

   如我们定义符号时将字变量定义在VW2，保持VW0的值为零。则程序中可以用VW2以字型访问该变量，也可以VD0以双字型访问，避免了类型转换。

   为了避免使用时混淆，好以明确的符号定义来区分字类型和双字类型。在此强烈推荐类匈牙利命名法：以前缀指示变量类型，用首字母大写的有意义的英文单词的组合作变量名。本人习惯用以下缀：b----字节型变量(byte)

   w----字型变量(word)

   d----双字变量(double)

   r----实型变量(real)

   f----位变量(flag)

   btn---自复位按钮式输入(button)

   sw----切换开关或自锁按钮输入(switch)

   sig---传感器、编码等电平信号输入(signal)

   rly---输出继电器位(relay)

    ……

   当然，这个根据个人习惯来，没有定则，主要是利于自己区分。

   假如有一个字类型变量名为VarName，为使用前面的转换技巧，我们可以这样定义：

   wVarName----VW2

   dVarName----VD0

   在程序初始化时将VW0清零(如果是不需要记忆的变量，直接将dVarName清零也可)或者在数据块中将VW0设置为零。

则以后需要以字类型访问变量时就用wVarName，需要以双字类型访问变量时就用dVarName。完全不需要类型转换。

   本方法可以极大的减少程序语句数，使程序更简洁、可读性更好，由于不需要做耗时的类型转换，程序运行效率也得到提高。且数学运算量越大，效率提高越明显。

   缺点是要多占用两字节的内存，以后程序中不能使用VW0。但S7-200的RAM空间很大，一般是用不完的，以226为例，有多达10K的RAM，偶从来没有超过1K。这些RAM都是花钱买来的，不用白不用，不用也是浪费了。

   同理，如果有字节型变量经常需要与字类型变量相互转换，让字节变量占用一个字的内存宽度浪费一个字节，避免类型转换。

   关于第3点"使用SET指令只执行一次即可，不必每次扫描都执行这个指令,有些工程人员忽视了这个问题，使用了常规的方法来驱动SET指令，无意中增加了PLC程序扫描运行时间"不是很理解,能不能说得细一点。

   1：如果在ob里编写子程序段，是扫描的，如果您编写为FC调用，那么在FC的调用条件没有满足时，FC中的程序暂时不执行。这也是我所说节省时间的意思。

   2：PLC的执行步数根据程序长短会不同，扫描时间会根据执行步数的不同而不同，如果用一个mov指令完成8个数字量输出的控制，当然比用8个mov指令完成8个数字量输出的控制所需要的程序步数少。

4：避免了类型转换，方法如下：

   w----字型变量(word)

   d----双字变量(double)

   r----实型变量(real)

   f----位变量(flag)

   btn---自复位按钮式输入(button)

   sw----切换开关或自锁按钮输入(switch)

   sig---传感器、编码等电平信号输入(signal)

   rly---输出继电器位(relay)

    ……

当然，这个根据个人习惯来，没有定则，主要是利于自己区分。

   wVarName----VW2

   dVarName----VD0

   在程序初始化时将VW0清零(如果是不需要记忆的变量，直接将dVarName清零也可)或者在数据块中将VW0设置为零。则以后需要以字类型访问变量时就用wVarName，需要以双字类型访问变量时就用dVarName。完全不需要类型转换。

   同理，如果有字节型变量经常需要与字类型变量相互转换，让字节变量占用一个字的内存宽度浪费一个字节，避免类型转换

一、自动化的发展

若干年前自动化应用主要关注的是控制技术，那时候的工程师们主要依靠电力继电器来发展自动化应用。经济的增长要求那些关心控制技术发展的工程师增加对大规模产品和质量的更高程度的关心。作为被关注的这个变化中的一部分，开发出了不可编程的逻辑控制器。自动化工程师们很快发现，这些设备的不可编程特性，给设计真正的自动化系统带来了难处。因为这个，就发明了PLC（可编程逻辑控制器）PLC被设计为独立进行操作，它还提供了一个控制端口，来与计算机进行连接和配置。从PLC这个简短的历史可以看出，自动化的发展更关注的是 控制技术，而不是通讯技术。

在近的十年中，系统的规模越大，建立这个系统的花费也更昂贵。在自动化系统中，应用了不同的通讯技术，比如Fieldbus，Ethernet和Profibus。控制工程师们开始考虑将所有的设备连接到一个平台下的可能性，这样就可以直接从所有的设备收集信息，而不需要协议之间的转换。从这个道理来看，通讯和网络成为未来发展的重要的部分。将设备网络化带来了众多的好处，其中包括：增加了数据分析，性价比，提高了通讯的质量，增长了生产力。Ethernet是目前为流行的网络技术！

二、整合以太网技术的PLC以太网会带来什么好处呢？

很多的工程师对以太网都比较熟悉。这样他们就不需要花费额外的时间来学习新技术。以太网的 协同工作能力可以方便的与商业应用进行连接，如ERP和CIM，可以跨越距离通过广域网来进行远程控制。利用不同的媒介，比如无线，光纤，交换机，可以实现以太网的冗余应用。后，以太网的带宽未来将可以从10M达到10G。

有了上面这些好处，控制工程师将会乐意采用以太网技术来进行他们的自动化应用，通过以太网来连接他们的PLC。在自动化技术中采用以太网技术的趋势被称作“工业以太网”。 

典型应用和以太网的拓扑网络是星形拓扑：

从上图我们可以看到，PLC直接与工业以太网交换机相连接。交换机提供了可靠的控制网络，特别是他们的坚固的设计，无风扇特性和高MTBF来确保连续的操作。如果需要更加可靠的媒介连接，您可以建立双星形网络拓扑来实现媒介的冗余，如下图所示：

系统有了媒介冗余，特别是使用了光纤之后，费用将会更多。为了解决这个两难的局面，环形拓扑就出现了。

三、什么是冗余的以太环网？为什么我们需要恢复的时间少于1秒？

单环拓扑为系统提供了冗余，并且隔离了通讯的错误。在使用工业以太网交换机时，以太冗余环网将自动的修复连接。这种类型的基础构架性价比更高，却与双星形拓扑网络有着同样效果的媒介冗余。它的恢复时间少于1秒，这为网络的稳定性提供了保障。

四、别的冗余系统

我们将如何为PLC应用建立一个别可靠性的冗余系统呢？在工业以太网应用中，重要的是网络的可靠性。控制工程师们可以通过双环网上的RJ45端口来将设备连接到两个独立的环上，从而建立个双环网实现别的冗余，来提供服务器的冗余，媒介的冗余和设备的冗余。