6ES7321-1FH00-0AA0性能参数

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一、前言

    世界上**台可编程序控制器产生于1969年，是由当时美国数字设备公司（DEC）为美国通用汽车公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，被人们称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。在70年代，随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算机，并被应用于PLC中，使其具备了逻辑控制、运算、数据分析、处理以及传输等功能。电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）于1980年正式命名其为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。为与个人计算机（Personal Computer）相区别，同时也使用其早期名称PLC。**电工技术**IEC（International Electrotechnical Commission）分别于1982年11月和1985年1月颁布了PLC的**稿和*二稿标准。以后PLC开始向小型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在80年代工业控制领域中占据着主导地位。

    可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。

二、可编程序控制器简介

    PLC组成：*处理单元（CPU）、存储器、输入/输出单元（I/O单元）、电源、编程器等；
    PLC分类：按照结构形成分为整体式和模块式；按照输入/输出（I/O）点数分为小、中和大型；
    PLC特点：可靠性高，通用性强，编程简单（常用编程语言有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图和**语言等），体积小，安装维护简便等；
    PLC工作方式：PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分；
    PLC发展趋势：向高速度、大容量、多种类发展；丰富编程语言，开发用户友好界面；开发智能模块；加强联网通讯能力；予留现场总线接口（现已有产品应用，如：SIEMENS　SIMATIC　S7-400）；拥有智能诊断等功能；保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复制、修改；对现场环境的适应能力较强。
三、可编程序控制器选型
    在PLC实际应用中，是以其为控制**组成电气控制系，实现对生产、工业过程的控制。方案设计步骤

    首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系；

    根据系统功能要求（包括输入、输出信号数量的多少、性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等）选择PLC型号及各种附加配置，并有规则、有目的的分配输入、输出点；
    根据控制及流程要求，对应输入、输出开发相应应用程序；同时连接PLC与外部设备连线；
    将编制完成的程序写入PLC中，模拟工况运行，进行调试及修改；在模拟调试成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。
四、应用体会
1、选型    在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。
    PLC输入/输出点确定：I/O点数选择时要留出适当余量；
    PLC存储容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些；
    存储维持时间：一般存储约保持1~3年（与使用次数有关）。若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需备用电源），也可选外用存储卡盒；
    PLC的扩展：可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。扩展部分**出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；
    PLC的联网：PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种。与计算机联网可通过RS232C接口直接连接、RS422+RS232C/422转换适配器连接、调制解调通讯连接等方式；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过**通讯电缆直接连接、通讯板卡或模块+数据线连接等方式。
2、充分合理利用软、硬件资源
    不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入PLC；
    多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点；
    尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也减少硬件投入，降低了成本；
    条件允许的情况下较好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控；

    输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并且要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作；
    PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。
3、使用注意事项    不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC；
    接地端子应独立接地，不与其它设备接地端串联，接地线裁面不小于2mm2；
    辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备（光电传感器等）；

    一般PLC均有一定数量的占有点数（即空地址接线端子），不要将线接上；
    输出有继电器型，晶体管型（高速输出时宜选用），输出可直接带轻负载（LED指示灯等）；
    PLC输出电路中没有保护，因此应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成损坏PLC；
    输入、输出信号线尽量分开走线，不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起，以免出现干扰信号，产生误动作；信号传输线采用屏蔽线，并且将屏蔽线接地；为保信号可靠，输入、输出线一般控制在20米以内；扩展电缆易受噪声电干扰，应远离动力线、高压设备等。
    输入/断开的时间要大于PLC扫描时间；
    PLC存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应加以注意。
4、故障检查与排除    （1）故障显示
①设计时可使每一个故障点均有信号表示。优点是直观便于检查，缺点是程序复杂且输出单元占用较多，投资较大；

②设计时也可将所有故障点均由一个信号表示。优点是节约成本，减少了对输出单元　的占有，缺点是具体故障回路不能直接判断出；

③设计时还可将性质类似的一组故障点设成一个输出信号表示。
    以上三种方案各有利弊，在条件允许、并且每个回路均很重要，要求必须快速准确判断出故障点时采用**种方案较好；一般情况下采用*三种方案比较好，由于故障分类报警显示，就可直接判断出故障性质，知道会对设备或工业过程造成何种影响，可立即采取相应措施加以处理，同时再结合其它现象、因素、另一组或几组报警条件将具体故障点从此类中划分出来。整个PLC内部程序、外部输出点及接线增加不多，性能价格比较高。
（2）输入、输出故障的排除
    一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求动作，首先应检查PLC输入开关电接触点是否可靠（一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路（从PLC输出往后检查）。
     在输出回路中，由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞，只需将其接线换至另一予留的空接线点上，同时修改相应程序，将原输出标号改为新号即可。
5、工作环境    PLC虽然适合工业现场，使用中也应注意尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。

由PLC控制的自动定时搅拌机，工作时出料阀门A关闭，进料阀门B打开，开始进料。当罐内的液面上升到一定高度时，液面传感器SL1的触点接通，则进料阀门B关闭，此时启动电动机M，开始搅拌。过5分钟后结束搅拌，打开出料阀门A。当罐内液面下降到一定位置时，使液面传感器SL2触点断开，出料阀门A关闭，又重新打开进料阀门B，开始进料，重复上述过程。试编制该PLC控制的梯形图和指令程序。 

使用常开和常闭触点的串联就可以了 常开为抢答按钮 同时使用自身的常闭切断其他抢答线路 
这里画不上梯形图的 助记符如下 设三人抢答 1号按钮为 00000 输出为01000 2号按钮为 00001 输出为01001 3号按钮为 00002 输出为 01002 
程序为 LD 00000 ANDNOT 01001 ANDNOT 01002 OUT 01000 
LD 00001 ANDNOT 01000 ANDNOT 01002 OUT 01001 
LD 00002 ANDNOT 01000 ANDNOT 01001 OUT 01002 
END 
PLC使用与继电器电路图较为相似的梯形图语言。如果用PLC改造继电器控制系统，根据继电器电路图来设计梯形图是一条捷径。这是因为原有的继电器控制系统经过长时间的使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制功能，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图有很多想似之处，继电器系统的功能。这种设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统原有的外部特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯。 

1、基本方法 

继电器电路图是一个纯粹的硬件电路图。将它改为PLC控制时，需要用PLC的外部接线图和梯形图来等效继电器电路图。可以将PLC想象成是一个控制箱，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线，梯形图是这个控制箱的内部“线路图”，梯形图中的输入位和输出位是这个控制箱与外部世界联系的“接口继电器”，这样就可以用分析继电器电路图的方法来分析PLC控制系统。在分析梯形图时可以将输入位的触点想象成对应的外部输入器件的触点，将输出位的线圈想象成对应的外部负载的线圈。外部负载的线圈除了受梯形图的控制外，还右能受外部触点的控制。 

将继电器电路图转换成为功能相同的PLC的外部接线图和梯形图的步骤如下： 

1) 了解和熟悉被控设备的工作原理、工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。 



2) 确定PLC的输入信号和输出负载。继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用PLC的输出位来控制，它们的线圈在PLC的输出端。按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供PLC的数字量输入信号继电器电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的存储器位和定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位无关。 

3) 选择PLC的型号，根据系统所需要的功能和规模选择CPU模块，电源模块和数字量输入和输出模块，对硬件进行组态，确定输入、输出模块在机架中的安装位置和它们的起始地址。 



4) 确定PLC各数字量输入信号与输出负载对应的输入位和输出位的，画出PLC的外部接线图。各输入和输出在梯形图中的取决于它们的模块的起始地址和模块中的接线端子号。 



5) 确定与继电器电路图中的中间、时间继电器对应的梯形图中的存储器和定时器、计数器的地址。 



6) 根据上述的对应关系画出梯形图。 

1、注意事项 



根据继电器电路图设计PLC的外部接线图和梯形图时应注意以下问题： 



1) 应遵守梯形图语言中的语法规定。由于工作原理不同，梯形图不能照搬继电器电路中的某些处理方法。例如在继电器电路中，触点可以放在线圈的两侧，但是在梯形图中，线圈必须放在电路的较右边。 



2) 适当的分离继电器电路图中的某些电路。设计继电器电路图时的一个基本原则是尽量减少图中使用的触点的个数，因为这意味着成本的节约，但是这往往会使某些线圈的控制电路交织在一起。在设计梯形图时首要的问题是设计的思路要清楚，设计出的梯形图容易阅读和理解，并不是告别在意是否多用几个触点，因为这不会增加硬作的成本，只是在输入程序时需要多花一点时间。 



3) 尽量减少PLC的输入和输出点。 



PLC的价格与I/O点数有关，因此输入、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。 



在PLC的外部输入电路中，各输入端可以接常开点或是常闭点，也可以接触点组成的串并联电路。PLC不能识别外部电路的结构和触点类型，只能识别外部电路的通断。 

4) 时间继电器的处理 




时间继电器除了有延时动作的触点外，还有在线圈通电瞬间接通的瞬动触点。在梯形图中，可以在定时器的线圈两端并联储器位的线圈，它的触点相当于定时器的瞬动触点。 




5) 设置中间单元 




在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制。为了简化电路，在梯形图中可以设置中间单元，即用该电路来控制某存储位，在各线圈的控制电路中使用其常开触点。这种中间元件类似于继电器电路中的中间继电器。 




6) 设立外部互锁电路 




控制异步电动机正以转的交流接触器如果同时动作，将会造成三相电源短路。为了防止出现这样的事故，应在PLC外部设置硬件互锁电路。 




7) 外部负载的额定电压 




PLC双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压AC220V的负载，如果系统原来的交流接触器的线圈电压为380V，应换成220V的线圈，或是设置外部中间继电器。

1、前言
济钢**烧结厂2×90m2烧结机1994年10月投产，电控系统使用4台美国Modicon 984系列PLC，控制器型号984－785E，根据烧结工艺分区域控制生产设备和部分仪表，分别叫做1PC、2PC、3PC和4PC。每台控制器有一个本地站（即主站）和若干远程I/O站（即RIO），本地站与RIO之间使用Modicon的S908，实现主从轮询方式LAN通讯，本地站作为S908的主节点， RIO站使用J89x、P89x等通讯模块，通讯介质为同轴电缆，分双缆冗余总线、单缆总线和分布式等几种结构。由于生产需要，2002年底的“济钢2×90m2烧结机工艺优化和自动化改造工程”中，将其中2台PLC控制器升级为Schneider Quantum系列PLC，保留原有远程I/O站不变。
控制器之间，及其与下位编程工控机、上位监控机之间使用Modbus Plus（简称MB ）通讯。控制器用标准9针RS485串行端口，工控机用AS-SA85-000网络插卡，实现相互间数据读写。网络用屏蔽双绞线构成总线形拓扑结构。控制器之间使用984梯形图指令集的MSTR指令进行数据交换。
PLC组态软件用Modicon公司DOS环境下的Modsoft 2.1，进行电控系统梯形图编程。上位软件用美国USDATA公司的Unicell，基于bbbbbbs 3.1操作系统，实现集中计算机画面显示、控制与报警等功<能，由组态和运行两种硬件KEY进行软件和数据保护。

2、升级动机
“济钢2×90m2烧结机工艺优化和自动化改造工程”的实施，引进芬兰RAUTARUUKKI公司的烧结过程监控系统（即SPSS），通过L1、L2的11个控制模型，对烧结生产的全过程进行实时监控。SPSS系统要求与电控PLC系统进行大量数据交换，984系统完成这种数据交换非常困难，必须对984 PLC进行改造。PLC系统整体改造，不仅投资大，施工周期长，改造过程中还会碰到很多难以预知的情况，因此考虑只对PLC控制器进行升级的可能性，Modicon现已是Schneider的下属公司，经过与Schneider公司的技术交流及多方论，得出984控制器升级到Schneider Quantum控制器是完全可行的。
另外，984系列PLC设备陈旧，运行速度慢，生产商不再生产产品，备品备件——特别是控制器价格昂贵且购置困难，对老系统运行已是一种阻碍。其DOS下的Modsoft组态、bbbbbbs 3.1下的Unicell上位监控都远远落后于计算机技术的发展，给生产操作和控制带来很大不便。

3、可行性研究
3.1、硬件
美国Modicon公司现是法国Schneider公司的一个下属公司，Quantum系列PLC是Schneider公司的高性能PLC，对984系统，特别是其RIO具有兼容性，能直接与984的RIO进行通讯。其140CPU53414A控制器具有下列性能： 5X86/133MHz、1M闪存/4M SRAM、57K寄存器、984梯形逻辑解算时间：0.09～0.45mS/K、每个站64字入/出。
标准通讯端口支持Modbus和Modbus Plus联网通讯，控制器背面的旋转开关用来设定1-64个有效MB 地址，控制器内含一个基于通用984指令集的80多条指令。
提供984梯形逻辑图编程语言和IEC 61131-3的5种标准编程语言：梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本和指令表。

3.2、软件
Quantum系列PLC组态软件Concept 2.5是Schneider公司基于bbbbbbs的编程工具，具有易用的接口、强大的搜索和在线帮助功能、满足大多数苛刻的算法和应用要求、支持984梯形逻辑图，并包括一个Modsoft程序转换器，兼容984梯形图程序，用Concept 984在Concept IEC语言和传统的Modsoft编程技术之间架起桥梁，能很容易地由Modsoft过渡到Concept，使用较有效的Concept工具。
上位软件仍用USDATA公司的产品，版本是较新的Monitor Pro V7.0（MP7）。
操作系统使用基于NT的bbbbbbs2000，采用C/S结构。服务器中用MP7自带的Microsoft公司SQL Server7.0数据库。

3.3、通讯
Quantum支持984  RIO的S908通讯，有三种I/O结构：本地I/O、远程I/O、分布式I/O。
Quantum同样支持MB 通讯方式。Modbus Plus典型应用包括：控制连网与互锁、数据采集、程序上装/下装、远程在线编程、与操作员接口连接和主机数据采集。
另外，Quantum TCP/IP Modbus Ethernet模块兼有Ethernet、TCP/IP和Modbus三种开放的通用的网络标准。Ethernet网络系统包括：控制器之间执行对等通讯，可用标准PC服务器进行简单且集中的程序归档，允许用户自由地在本地计算机市场中采购元器件，通过LAN与控制器进行通讯，对Quantum控制器进行编程，在控制器和主系统之间集成通讯，通过使用标准PC Web浏览器获取系统状态信息和诊断信息。

4、方案实施
利用工艺设备大修改造时间，将2PC、3PC两台PLC的控制器由984升级到Quantum，只对本地站的设备作相应改造，而远程I/O站不作任何改动。采用Quantum的以太网模块，将PLC直接连到10M/100M以太网上。
改动如下本地站硬件：
1、Quantum系列140CPU53414A控制器，由984－785E升级
2、本地站机架（即背板）XBP，配合Quantum控制器
3、电源模块CPS，配合Quantum背板
4、通讯模块CRP，配合Quantum背板
5、I/O模块，配合Quantum背板
6、以太网模块140NOE77110，用于100M以太网通讯
984控制器与RIO的S908、控制器间的MB 通讯可继续在Quantum上使用，仅将本地站的通讯模块S908换成CRP模块。其它如MB 、S908通讯附件等，不用更换即可使用到Quantum上。
优化PLC系统，用UPS对CPU集中供电,重新敷设接地线。
使用可直接插入Quantum背板上的Quantum TCP/IP Modbus Ethernet通讯模板，将控制器直接连到Ethernet网络，与连在Ethernet的工控机及上位机实现100M高速通讯。
组态软件由Modsoft升级到Concept 2.5，上位软件由Unicell升级到C/S结构的Monitor Pro 7.0，操作系统升级到bbbbbbs2000。
升级后，不但PLC控制器的性能得到大大提高，而且可以使用较新的组态软件和软件，与过程控制系统较好地进行数据交互，使控制水平和操作方式提升到一个全新档次。

5、注意的问题
使用过PLC的人都知道，PLC运行中较常碰到、较令人的问题是通讯和接地，通讯或接地故障会造成整个PLC系统停止工作，且具有特征隐蔽性，发生不可预料性，表象不可知性，判断困难性，排除复杂性等特点。
实际PLC升级中需注意以下问题：
5.1、通讯问题
PLC通讯问题一是控制器间通讯故障（MB 故障），一是远程站通讯故障（S908故障）。MB 故障时，控制器之间通讯中断，不能实现数据有效传送，引起不同控制器控制的设备联锁不起作用。S908故障较加隐蔽，查找排除较加困难，通讯网中只要由一个连接头接触不良，就会引起整个网络通讯间断，造成设备全面故障停机。
升级过程中碰到了PLC内部的S908通讯故障，通讯过程瞬间中断，接着马上恢复正常。由于设备之间存在工艺联锁，故表现为从*二台设备开始，后续设备全部停机，延时5秒钟后又自动重新开机的现象。排查过程如下：
1、电查。检查电气设备（开关、接触器等）接点正常，电源电压正常，电气接地正常，初步排除电气问题。
2、通讯检查。开机时各通讯接头不能断开，简单检查晃动每一个接头，没有发现问题。
3、程序强制。专门设计制作一段小程序，让*二台设备接到停机命令后，保持1秒钟后再停，这时发生了从*三台设备开始的自开自停现象。由此类推。
4、原因分析。此时已基本断定是S908通讯故障，其中的某一处接头接触不良，引起通讯瞬间（μS级）中断，造成生产设备全线停机，**台设备因接触器的机械反应速度慢而没有表现出停机。
5、故障排除。要求生产停机，从本地站开始，用排除法检查S908的每一条通讯电缆的每一个通讯接头，较终发现是同轴电缆连接头松动引起的。

5.2、Modsoft梯形图转换问题
Modsoft到Concept的梯形图转换，必须用Conccept的Modsoft Converter程序转换器，按操作说明一步一步地将原有的984 Modsoft梯形图程序转换成Concept程序。

5.3、施工问题
施工主要难题在工期，为不影响生产，一般工期不会**过三天，这就要求本地站硬件更换、软件转换及系统、控制设备的调试必须一次成功，不允许有失败。因此，施工前的准备必须充分，对硬件施工网络详细计划，对软件事先做好实验室调试，确保无误。

6、结论
自2002年11月，济钢**烧结厂2台PLC控制器由984升级到Quantum以来，系统运行一直稳定可靠，没有出现任何因控制器升级引起的问题。实践证明，Modicon 984 PLC控制器升级到Quantum是完全可行的，在不改变远程I/O的情况下，只升级控制器，对本地站作相应改动即可。这种升级方式实施简单，投资少，工期短，效果好，值得推广和借鉴。
PLC控制器升级是建立在改造的基础上，难免存在一些不如人意的地方：
1、完整性不如系统整体升级。
2、梯形图不如功能块图直观简洁。

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