西门子模块6ES7321-1BL00-0AA0性能参数

系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。这其中PLC的选型至关重要，如何根据不同的控制要求选择合适的PLC，设计出运行平稳、动作可靠、安全实用、调试方便、易于维护的控制系统呢？
 
    在PLC系统设计时，首先应确定系统方案，下一步工作就是PLC的设计选型。选择PLC，主要是确定PLC的生产厂家和PLC的具体型号。对于系统方案要求有分布式系统、远程I/O系统，还需要考虑网络化通讯的要求。那么具体应该如何选择PLC呢?笔者认为应该有以下几方面的内容。
 
    一PLC生产厂家的选择
 
    确定PLC的生产厂家，主要应该考虑设备用户的要求、设计者对于不同厂家PLC的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务等方面的因素。从PLC本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司的产品，不应该存在可靠性不好的问题。
 
    笔者个人认为，一般来说，对于控制独立设备或较简单的控制系统的场合，配套日本的PLC产品，相对来说性价比有一定优势。对于系统规模较大网络通讯功能要求高、开放性的分布式控制系统、远程I/O系统，欧美生产的PLC在网络通讯功能上更有优势。
 
    另外对于一些特殊的行业(例如：冶金、烟草等)应选择在相关行业领域有投运业绩、成熟可靠的PLC系统。
 
    二输入输出(I/0)点数的估算
 
    PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。I/O点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。在一般情况下，PLC的I/O点应该有适当的余量。通常根据统计的输入输出点数，再增加10％～20％的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。
 
    三PLC存储器容量的估算
 
    存储器容量是指可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，各种PLC的存储器容量大小可以从该PLC的基本参数表中找到，例如：西门子的S7-314PLC的用户程序存储容量为64KB，S7-315-2DPPLC的用户程序存储容量为128KB。程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，需要对程序容量进行估算。
 
    如何估算程序容量呢?许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25％考虑余量。
 
    四PLC通讯功能的选择
 
    现在PLC的通讯功能越来越强大，很多PLC都支持多种通讯协议(有些需要配备相应的通讯模块)，选择时要根据实际需要选择合适的通讯方式。
 
    PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：
 
    (1)PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；
 
    (2)1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；
 
    (3)PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；
 
    (4)专用PLC网络(各厂商的专用PLC通信网络)。
 
    为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网等)通信处理器。
 
    五PLC机型的选择
 
    PLC的类型：PLC按结构分为整体型和模块型两类；整体型PLC的I/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。这一类PLC的代表有：西门子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、欧姆龙公司的CPM1A系列等。
 
    模块型PLC提供多种I/O模块可以在PLC基板上插接，方便用户根据需要合理地选择和配置控制系统的I/O点数。因此，模块型PLC的配置比较灵活，一般用于大中型控制系统。例如西门子公司的S7-300系列和S7-400系列、三菱公司的Q系列、欧姆龙公司的CVM1系列等。
 
    六I/O模块的选择
 
    （1）数字量输入输出模块的选择
 
    数字量输入输出模块的选择应考虑应用要求。例如对输入模块，应考虑输入信号的电平、传输距离等应用要求。输出模块也有很多的种类，例如继电器触点输出型、AC120V/23V双向晶闸管输出型、DC24V晶体管驱动型、DC48V晶体管驱动型等。
 
    通常继电器输出输出型模块具有价格低廉、使用电压范围广等优点，但是使用寿命较短、响应时间较长、在用于感性负载时需要增加浪涌吸收电路；双向晶闸管输出型模块响应时间较快适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
 
    另外，输入输出模块按照输入输出点数又可以分为：8点、16点、32点等规格，选择时也要根据实际的需要合理配备。
 
    （2）模拟量输入输出模块的选择
 
    模拟量输入模块，按照模拟量的输入信号类型可以分为：电流输入型、电压输入型、热电偶输入型等。电流输入型通常的信号等级为4～20mA或0～20mA；电压型输入模块通常信号等级为0～10V、-5V～+5V等。有些模拟量输入模块可以兼容电压或电流输入信号。
 
    模拟量输出模块同样分电压型输出模块和电流型输出模块，电流输出的信号通常有0～20mA、4～20mA。电压型输出信号通常有0～10V、-10V~+10V等。
 
    模拟量输入输出模块，按照输入输出通道数可以分为2通道、4通道、8通道等规格。
 
    七功能模块
 
    功能模块包括通讯模块、定位模块、脉冲输出模块、高速计数模块、PID控制模块、温度控制模块等。选择PLC时应考率到功能模块配套的可能性，选择功能模块涉及硬件与软件两个方面。
 
    在硬件方面，首先应考虑功能模块可以方便的和PLC相连接，PLC应该有相关的连接、安装位置与接口、连接电缆等附件。在软件上，PLC应具有对应的控制功能，可以方便的对功能模块进行编程。例如三菱的FX系列PLC通过“FROM”和“TO”指令可以方便的对相应的功能模块进行控制。
 
    八一般原则
 
    在PLC型号和规格大体确定后，可以根据控制要求逐一确定PLC各组成部分的基本规格与参数，并选择各组成模块的型号。选择模块型号时，应遵循以下原则。
 
    （1）方便性：一般说来，作为PLC，可以满足控制要求的模块往往有很多种，选择时应以简化线路设计、方便使用、尽可能减少外部控制器件为原则。
 
    例如：对于输入模块，应优先选择可以与外部检测元件直接连接的输入形式，避免使用接口电路。对于输出模块，应优先选择能够直接驱动负载的输出模块，尽量减少中间继电器等元件。
 
    （2）通用性：进行选型时，要考虑到PLC各组成模块的统一与通用，避免模块种类过多。这样不仅有利于采购，减少备品备件，同时还可以增加系统各组成部件的互换性，为设计、调试和维修提供方便。
 
    （3）兼容性：选择PLC系统各组成模块时，应充分的考虑到兼容性。为避免出现兼容性不好的问题，组成PLC系统的各主要部件的生产厂家不宜过多。如果可能的话，尽量选择同一个生产厂家的产品。

PLC大的薄弱环节在I／O端口。PLC的技术优势在于其I／O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I／O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I／O模块的故障就要减少
外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。
在整个过程控制系统中容易发生故障地点在现场，表2列出了现场中容易出故障的几个方面。
1)类故障点(也是故障多的地点)在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。在该生产线上所有现场的控制箱都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内元器件的使用寿命明显要长。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。
2)第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我厂对此类设备建立了严格的点检制度，经常检查阀门是否变形，执行机构是否灵活可用，控制器是否有效等，很好地保证了整个控制系统的有效性。
3)第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该生产线窑尾料球储库上的布料行走车来回移动频繁，而且现场粉尘较大，所以接近开关触点出现变形、氧化、粉尘堵塞等从而导致触点接触不好或机构动作不灵
敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。
4)第四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。
5)第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PIC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。
6)第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声(干扰)，问题的解决或改善主要在于工程设计时的经验和日常维护中的观察分析。
要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺和安全操作规程，严格执行—些相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的霄理。

 一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

（一）开关量I／O模块的选择

1. 开关量输入模块的选择

　　开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

　　1）输入信号的类型及电压等级

　　开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

　　开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

　　2）输入接线方式

　　汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

　　3）注意同时接通的输入点数量

　　对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

　　4）输入门槛电平

　　为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

2. 开关量输出模块的选择

　　开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

　　1）输出方式

　　开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

　　继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。

　　对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

　　2）输出接线方式

　　开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式

　　分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。

　　3）驱动能力

　　开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

　　4）注意同时接通的输出点数量

　　选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

　　5)输出的大电流与负载类型、环境温度等因素有关

　　开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的大电流。另外，晶闸管的大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

（二）模拟量I／O模块的选择

　　模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D／A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。

　　典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

　　一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。

(三)特殊功能模块的选择

　　目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。

一 、概述

PLC是直流屏系统监测、控制、保护、治理、通讯的核一个核心部件。不但可以实现繁琐的逻辑控制、模拟运算，而且对交流过欠压保护、控制母线过欠压保护、合闸母线过欠压保护和接地等保护都起着重要作用。艾默生 PLC有RS-232、485两个通讯口，不但可与HMI直接通讯（利用RS232或者485），还可用另一个485口和远动设备（RTU或通过MODEM与远程PC机）通讯，实现数据交换与资源共享。真正实现了直流屏系统的全自动控制，在无人值守的场所系统都可以安全运转与远程维护。

二 、系统组成与功能

直流屏系统中的监控与控制功能可由一台HMI（触摸屏）与一台EC10-1410BRA组成来实现。

所有的系统参数设定，充电模块和整流模块的电压及电流调整与监控，电池巡检，对地电压的丈量，电池充放电曲线等均通过触摸屏各画面进行。

监控系统以艾默生可编程控制（PLC）作为中心控制系统的核心部分，PLC可完成如下功能：

1. 接受系统的各种开关量状态检测与命令输进信号。

2 . 对直流屏系统的故障状态做指示。主要故障状态有充电器故障、两路交流电自动切换、熔断器熔断等做报警指示。

3 . 对高频开关充电模块输出的直流电压通过高速脉冲计数进行丈量。

4 . 与电流传感器、尽缘检测仪、电池检测仪、蓄电池组逆变放电装置（MODBUS通讯）和HMI进行通讯。检测合闸母线电压、 单体电池电压、 电池组电压、控制母线电流、 充电电流、 放电电流、 控制母线尽缘电压、合闸母线尽缘电压、正负母线尽缘电压等。

5 . 与电力自动化系统局方通讯（CDT协议），可用自由口协议方式来实现。

艾默生 PLC主模块本体集成有COM0和COM1两个通讯口，其中COM0为232接口，COM1为232或者485接线方式可选。C0M0和COM1都支持MODBUS与FREEPORT协议。其通讯口0（也作为编程口）支持MODBUS从站，通讯口1支持MODBUS主站和从站（可由编程软件设置）。 在这里我们重点说明一下PLC与电流传感器、尽缘检测仪和电池检测仪等设备的通讯。

三 、实现原理与方式

3．1 协议简介

Modbus 协议是应用于控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经过网络和其它设备之间可以通讯。它已经成为一通用产业标准。本文主要描述了Modbus协议在此系统中的应用。通讯采用应答方式，由主机发起请求，从机执行请求并且应答。

3．2 接线方式

PLC主模块的COM1口上RS485+、RS485-两端接从站设备的RS485+、RS485-口，接线图如下：

3．3 MODBUS RTU模式

协议格式

从机地址：网络上设备的地址，确定目的站从站。有效范围1-247。

功能代码： 与HMI和MODBUS从站设备通讯时主要用到的功能码： 01读线圈、02读离散量输进、03读保存寄存器、05写单个线圈、06写单个寄存器、15写多个线圈、16写多个寄存器。艾默生 PLC MODBUS全部支持所有的功能码。此次与从站设备的通讯用到的03（读）与16（写）这两个功能码。

数据：要读取或者写进数据的寄存器地址与数目。RTU模式下，多252字节（2×252个字节，ASII模式）。

CRC检验码： 艾默生 PLC编程软件（ContrStar）里的MODBUS指令执行时会自动加校验码（使用CRC校验情况下），用户不需计算校验和。假如用LRC校验时，在发送MODBUS指令时，才用计算检验码。

四、PLC程序

本控制系统程序由四个功能块组成，分别是逻辑控制、高速计数子程序、通讯读子程序、通讯写子程序。

逻辑控制，主要包括：两路交流电自动切换、 对控制模块电压进行调节 、 对充电模块电压、电流进行调节 、 自动控制电池充电过程 、 充电电流温度补偿、自动调压 、电池活化 、充电器故障保护与电池组过放电保护等处理控制。

高速计数子程序，直接利用Contrstar 软件里SPD指令对6个输进端口进行高速脉冲计数（2路高计数频率50KHZ，4路高计数频率10KHZ），来计算整流模块的输出电压。

读取从站数据子程序，读取电流传感器、尽缘检测仪、电池检测仪等设备数据时采用此功能子程序。设备不同，其站地址、参数个数、参数寄存器地址、参数存放PLC里的软元件地址等都不同，却都可以调用此程序，只要填上该设备的相应参数即可完成。

写进从站数据子程序，假如用艾默生 PLC主模块上的COM0口或者COM1口与触摸屏通讯，并且PLC做MODBUS从站时，HMI可以直接读写PLC数据（客户只要设置好通讯参数即可）。但假如PLC做主站，HMI做从站时，就需要在PLC里编写通讯程序给HMI写数据。

无论读取还是写进从站数据，通讯程序都有以下几部分组成：

■通讯参数设置：

PLC部分：通讯端口COM1，MODBUS协议（RTU模式）站地址，波特率9600bps,8数据位，2停止位，无校验。（在PLC编程软件“系统块”目录的“通讯口”界面上设置）。

HMI部分：和PLC设相同通讯参数，站地址除外。

■通讯数据刷新：

通讯时，无论是发送还是接收数据时，都要占用端口COM1。为了能在较短的时间内，刷新所有从站通讯数据。我们可以采用ContrStar软件里的MODBUS发送接收（MODBUS命令发送完后，自动接收）完成标志位SM135（完成时置位）来判别与一台从站通讯完成。从而与下一台从站开始通讯。

注明：也可以用定时器来计时，定时和不同从站设备通讯。但是这样做效率不高，影响通讯速度。在速度要求不高的场合，也可考虑采用这种方式。

读命令功能：把MODBUS读发送帧格式写成固定的一个功能块，设置了几个灵活使用的参数：从站地址、寄存器起始地址、读取个数与接收数据的存放地址。与不同从站设备通讯时，只需填写这几个参数，便可完成。

写命令功能：把MODBUS写发送帧格式写成固定的一个功能块，参数设置与读命令功能相同。

故障处理功能：假如在规定时间内，从站设备没有返回PLC数据，或者PLC把通讯错误SM136置位。我们就以为与此设备通讯有故障，丢弃此帧，但是与他的通讯完成。继续下一台设备的通讯。这样不会由于一台设备通讯故障，影响与其他设备通讯。下一轮再与此设备通讯。

五 、运行效果

EC10自投进运行以来，效果良好，系统工作可靠稳定。PLC与所有MODBUS从站设备的数据交换就用通讯读与写两个功能块就完全可以实现。编程简单，指令丰富，功能强大，操纵界面人性化，非常适合于直流屏行业的应用，深受客户好评