西门子6ES7216-2BD23-0XB8物优**

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一、引言

随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。

在电缆自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。关于整个系统的设计与实现另文介绍，本文主要介绍该系统中用作下位机的可编程控制器的作用、与计算机的通讯及程序设计方法。

二、可编程控制器的性能特点

用于控制系统中的可编程控制器是以循环扫描的方式工作，它不断读取输入点的状态，然后按照既定的控制方式进行逻辑运算，将从输出端送出，从而达到控制的目的。它是由工业**微型计算机、输入/ 输出继电器、保护及抗干扰隔离电路等组成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特性。由于它具有可编程的功能，且其基本输入/输出点全部使用开关量，因而完全可以替代继电器控制系统和由分立元件构成的控制系统。从应用角度来看，可编程控制器具有如下特点：

1、可靠性高：可编程控制器的输入/ 输出端口均采用继电器或光耦合器件，即基本输入/ 输出点均为开关量，同时附加有隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在比较恶劣的环境下可靠工作。

2、体积小：在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程替代了硬连线，达到了小型化，便于安装。

3、通用性好：可编程控制器采用了模式化结构，一般有CPU模块、电源模块、通讯模块、PID模块、模拟输入/ 输出模块等。用这些模块可以灵活地组成各种不同的控制系统。对不同的控制系统，只需选取不同的模块设计相应的程序即可。

4、使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当控制对象及输入/ 输出硬件结构选定后，若要改变控制方式或对控制对象作一些改动，只需修改相应程序即可，无须对系统连线作较大的修改。从而减少了现场调试的工作量，提高了工作效率。

三、用作下位机的可编程控制器

由于可编程控制器具有上述特点，因而在检测和控制系统中得到广泛应用。但因其**性太强以及受输入/ 输出节点数的限制，在由可编程控制器构成的系统中，可编程控制器主要用来完成组合逻辑与时序逻辑的输入/ 输出控制。另外，由于可编程控制器无法以比较灵活的方式显示当前各个输入/ 输出点的状态，不能以多种方式提供整个系统的运行情况，因而，在用可编程控制器构成比较大的检测控制系统时，一般用可编程控制器完成信号的采集和控制，比较复杂的数据处理、图形显示、人机界面等由计算机来完成。

在电缆自动生产线检控系统中，可编程控制器作为下位机用来控制各种电机、风机的启、停，调速器的投切，读取各控制点的状态，然后将各点的状态输入到上位机——计算机。计算机处理可编程控制器和其他设备的信息，以图表的方式显示，使操作者对生产线的工作状态一目了然。

输入到可编程控制器的检测点可分为按键类和光电开关类。按键类主要有：启动、停止、帮助、诊断、查询、复位按键等。光电开关类主要有：张力轮位置、张力杆位置、左右托位置、左右盘位置、抓勾位置、左右防护位置、排线位置、排架位置、光电开关等。可编程控制器的输出用来控制循环水、退火水、吹干风机及各种电机的启停等。

可编程控制器不断读取输入端，按既定的控制方式对输入端的状态进行逻辑运算，然后将运算经输出端输出（即进行控制），从而保生产线的可靠、连续运行，同时将本系统的状态按某种协议反映给上位机，上位机处理可编程控制器和其它设备的信息，作出响应，并以图表的方式显示，使操作者能随时掌握生产线的工作状态，以便在需要时进行调试。

四、通讯连接及程序设计

上位机和下位机进行数据交换的方式有很多，如网络方式、485方式、RS232方式等。由于在电缆生产线中，上、下位机之间距离较近，因而我们选用了RS232方式。

我们使用三菱公司的FX2可编程控制器与计算机的连接方法。可编程控制器端使用了FX - 232ADP串行通讯模块，即可编程控制器与计算机之间以RS232方式进行数据交换。当可编程控制器与计算机的距离比较远时，也可以485方式进行数据交换，只要在计算机中插一个485接口板，并将可编程控制器的ADP - 232模块换成485模块即可。

1、可编程控制器通讯程序设计

在可编程控制器与计算机通讯之前，必须设置相互认可的参数，这些参数有：波特率、停止位和奇偶校验位等。可编程控制器通讯参数通过寄存器D8120的位组合方式来选择，其各位定义如下：

b0 数据长度：= 0 ，7位； = 1， 8位

b2b1 校验： = 00，无校验； = 01，奇校验； = 10， 偶校验

b3 停止位： = 0， 1位； = 1， 2位

b7b6b5b4 波特率；

= 0011， 300 bps； = 0100， 600 bps；

= 0101， 1200 bps； = 0110， 2400 bps；

= 0111， 4800 bps； = 1000， 9600 bps；

= 1001， 19200 bps；

可编程控制器通讯适配器FX - 232ADP的命令为Ram ò n，其中S设定了传送数据的缓冲区首址，m为从首地址开始的*m个顺序单元，D为接收数据的缓冲区首址，n为接收数据的n个顺序单元。

M8000是当PLC运行时，处于接通状态的特殊辅助继电器。

可编程控制器是以循环扫描的方式工作（如图4 （b）所示），即按顺序反复地执行一条一条指令。如图4（b）所示，IN为一组输入指令，即一组将接点状态读入可编程控制器的指令，MEM为一组记录接点状态的指令，CAL为若干条完成控制所需的计算、处理指令，OUT为执行控制和一组输出指令，TRN为若干条向串行口发送数据的指令，依次反复执行IN、MEN、CAL、OUT、TRN，从而完成控制和数据交换的任务。由此可见，可编程控制器从串行口送出的数据是一个分段连续的数据流。

Dn（n=1， 2……N）为连续从串行口输出的N个数据，在TRN之外的时间里串行口并不工作。这样，当计算机在接收可编程控制器的数据时，就需作如下考虑：

1） 首先应找到数据流的首部，因为计算机对可编程控制器的访问具有很大的随机性，当计算机在读串行口时，有可能读到的是数据流中的任何一个数据，因而，只有找到数据流的首部，然后读到的数据才是正确的、完整的数据。

2） 计算机读串行口时，应有足够的等待时间，如果计算机读串行口时，恰好读到的是数据2（D2），由于本次读到的数据不是完整的，因此计算机大约需要等可编程控制器的一个扫描周期才能读到一组完整的数据。

2、计算机通讯程序设计

在设计电缆自动生产线检测控制系统时，我们已明确了可编程控制器向计算机发哪些数据，即计算机读可编程控制器数据的个数M已知，因此可以用该数据个数M来判断所读数据是否完整。初始化串行口就是将可编程 控制器和计算机串行口的波特率、停止位、校验位、数据位等设置为相同。为了使计算机能够准确找到数据流的首部，我们根据该数据流的特点和可能出现的情况，定义了03FFFF为数据流的首部，即可编程控制器发送的**个数据为03，*二个数据为FF，*三个数据为FF，然后依次发送可编程控制器的数据。计算机读取数据时，首先检查读到的是不是03，如果是03，再读下一个数据并检查是否为FF，若是，再读下一个数据并检查是不是FF，若是，则认为读到了数据流的首部，接着读取数据，如果上述任意一项检查不符，则认为没有读到数据流的首部，再重复上述检查，直至读到数据流的首部为止。这样既保了数据交换的正确性，也保了数据交换的完整性。

综上所述，我们在分析了可编程控制器的工作流程、串行口工作方式和系统工作情况的基础上，设计了数据流的首标志，设定了传送数据的个数，以此来判断计算机所读取数据的位置及数据的完整性，并以这种方式设计了通讯程序，实际证明效果良

引 言

可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。

当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，例如我厂二催化的自动吹灰系统。PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即*处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。

1.开关指令信号的输入

变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC）相连，得到运行状态指令。

在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保系统的可靠性。

在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。图2与图3给出了正确与错误的接线例子。

当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。

2.数值信号的输入

变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20ｍＡ的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。

当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为0～10V而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不**过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。

通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为0～10V/5V及0/4～20ｍＡ电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不**过电路的允许值，以保系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。

另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。

因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点：

（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

（2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。

（3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。

（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。

前 言

180万吨/年ARGG三机组和气压机组控制系统是TRICONEX公司的TS3000控制系统和GE公司的90-70系列PLC系统，如TRICON系统见1所示。投用3年后陆续出现烧卡现象，如TRICON系统更换主处理器MP和各I/O卡件已有18块之多，EDS系统已更换CPU、BIU、I/O卡件等达12块（详见表1），造成了一定的经济损失并严重地威胁装置的安全生产。

系统故障的分析研究

一、系统故障涉及的范围

如附表所示，遇到的系统故障现象有以下几个方面：

·卡笼箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡笼箱均更换过。

·系统卡件烧坏：TRICON系统更换电源模块、主处理器MP、通讯卡EICM和各I/O卡件已有18块之多；EDS系统已更换电源模块、CPU、BIU、I/O卡件等达12块；本特立3500系统卡件更换4块；ASCC防喘振控制器烧坏等。

·系统通讯故障：EDS系统冗余的主副PLC出现6次不冗余现象；操作站与PLC的通讯故障出现4次。

·仪表设备烧坏：主风机静叶控制器的隔离栅烧毁1次；各类探头和前置器更换累计达30余台/次。

从附表可以看出，在装置和机组的运行期间，维护中对各类故障的处理措施基本上可以分几种情况。系统接地的处理：详细检查接地系统，确保仪表专业接地符合要求；将系统工作地和安全地分开。电源系统的处理：检查UPS的输出电压的精度及各项指标满足要求（由UPS厂家配合进行）；将UPS输出端三相四线的中性点N相做接地联接；更换UPS电源、6台变压器及电源开关。仪表回路的检查：将所有仪表回路做了详细的检查。

二、系统维护中值得思索的几个问题

笔者认为，以下几个方面值得思考。

1、关于系统的工作环境因素

环境因素有温度、湿度、电磁场、空气尘埃等。实际上温度、湿度和空气中的腐蚀性气体及允许尘埃量都符合要求，尤其是和其它机组控制室相比都是一样的。

但交流电磁场的指标却很可能过高。原因如下：

·标准要求是：磁场＜2.5T/M，电场＜8V/M（14KHz～1GHz）

·据电磁场的理论可知：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体，这就是电磁场。深入理解便是：

①恒定的电场周围无磁场，恒定的磁场周围无电场。

②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。

③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场，周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。

·TRICON和EDS系统柜下面距离约3米处便是高达1万伏的交流动力电源（其它机组没有）。当大电机启动或停运时产生很大的电磁场便会以光速传播到远处。如图3所示。而电子电路长期在这样强的电磁场环境中工作，其性能便会逐渐下降，直至烧毁。这可能就是我们遇到经常烧卡的现象。

2、关于系统的可靠性和可用性的问题

众所周知，PLC具有很高的可靠性指标，一般*公司的PLC模块其MTBF（平均无故障时间）都在几万到十几万小时，甚至几十万小时。但是以PLC为基础的控制系统的可靠性又如何保呢？

由此可见，一个控制系统中只有20%的故障可由PLC直接诊断，而80%的故障在PLC外部，需要用另外的方法解决故障诊断。研究表明，在对一个成套设备或设备的故障检修时，有一半以上的时间花在检查、分隔、和确认故障及其发生地点的工作上。因此，要提高以PLC为基础的控制系统的可用性，应在系统设计时充分考虑外部故障的防止和诊断的措施。

1） 选用质量可靠、性能好的输入和输出器件。

2） 充分利用PLC的软元件资源（如专为外部故 障检测准备的软元件），强化PLC系统的外部故障检测的功能。充分利用PLC CPU模块和其它智能模块的自诊断功能，如CPU模块对自身的及对I/O模块的诊断及报警，通信模块对有关通信的诊断，热电偶输入模块对断偶的报警，等。充分认识PLC CPU的在线更换I/O模块的功能。 这时应注意保持被更换的模块所处的状态，直到更换完毕再恢复直接从现场采集输入信号，或直接向现场输出信号。

3）正确选择I/O模块。绝大部分I/O模块都是8个或16个或32个输入/输出点共用1个公共点。特别是对输出模块的输出电流和流过公共点的电流均有限制。如某模块每个输出点的较大电流为0.5A，8个点共用1个公共点，流过它的较大电流为2A，这意味着只允许同时接通4点，否则会影响模块的安全使用。对于输入模块，则要注意对一个公共点它允许同时可接通的点数（通常为60%）。在安排输入/输出的清单时，千万不能忽略这个问题。

4）正确选择辅助开关电源。注意电源有足够的富裕容量。若安排双电源作并联运行，一定要考虑适当的电路保证负载不会都由其中一个内阻较低的那个电源承担。

现在的模块都采用新的集成电路元器件，元器件数量大为减少，电路板的热设计均可保证在小型化的同时，长期可靠地工作。但是对于电源模块来讲，就比较难以达到这种境地。一般的电源模块相对体积较大。作为系统设计者一定要十分注意这个问题，让电源模块有足够的富裕容量。这种小钱没有必要省，省了小钱可能造成隐患，教训并不鲜见。

5）容错能力。容错能力是一个控制器的主要指标，它能出瞬时或固有的故障并对其进行在线修复。它提高了控制器的稳定性。故障诊断程序，一定要在编控制程序的同时，考虑编故障诊断程序。有人把它称为基于PLC的嵌入式故障诊断程序。

另外，还要注意输入模块的工作电压足以保证0和1状态正常翻转，切勿把工作电压定在接近0/1电平的下限，不然会产生工作不可靠的情况。

TRICON系统采用TMR技术，控制器包括三个完全独立的分电路（电源是双冗余的）。每个分电路与其它两个电路并行处理应用程序，并对所有离散IO数据进行三取二的表决，对模拟数据进行取中值的表决。由于每个分电路是与其它分电路完全隔离的，任何一个单点的故障都不会影响其它分电路，如一个分电路发生故障，其数据值会被其它的数据值覆盖，操作员可对其进修复或更换。TRICON具有在线诊断与自修复能力，对每个通道、每个模块以及每个功能电路就进行广泛的诊断，并能及时报告错误。允许日常的维护而为中断控制。

3、关于接地的问题

接地是一个相当复杂的问题。特别是我国长期以来在工矿企业中采用来自原苏联的三相四线制，把中线当作零线用。220VAC电源取自一根相线和中线。在未大量使用集成电路和微处理器前，并不曾产生很多问题。但随着集成电路和微处理器大量运用于仪表、低压电器、控制系统，甚至交直流传动控制后，正确处理接地便成为一个必须面对的技术问题。

对PLC控制系统来讲，接地并不难处理。对一般以开关量为主、兼有一定的模拟量（4-20mA或1-5V等大信号）的系统，大多数情况下可以不接地（即浮空）。因为对PLC来讲，按日本JIS标准，采用*三种接地，即接地电阻不大于100欧姆。如果你草率接了地，而这个地又是零线，并非真正的地，当三相严重不平衡时，零线的电位可能高达几十伏特，弄不好就会使CPU故障，这方面的教训在国内并不少见。如果系统中有热电偶等小信号，接地的问题就要化点功夫了。为了避免交变感应，在布线时要尽可能远离动力线，或信号线与动力线成正交排列，再加上电容滤波，在交流电源两端接电源滤波器等措施，干扰问题不难解决。

4、关于软硬件的配置问题

现代的PLC编程系统都是按IEC 61131-3的标准建立的。应该说都贯彻了结构化编程的基本方针。TRICON系统的编程软件是MSW311，笔者用TS1131软件（是MSW311的高级版本）对TRICON系统的硬件配置进行了重新组态实验。结果发现主机架的额定功率是175W，而实际组态为185W，**过额定功率10W，组态如图3所示。如果按较初的设计实际组态的功率达225W（较初用2个EICM卡通讯，现在用2个NCM卡通讯），则过载40W。而2个扩展机架的实际功率均小于额定功率35W和75W，都不过载。

三、典型案例

2003年10月10日早8：30仪表值班巡检发现ARGG三机组TRICON控制系统*2机架4槽DI卡报警，Fault灯亮。故障诊断信息为“Daul—Port Memory error”，该故障不掉。当时的处理措施是：摘除该卡上的停机联锁，在线更换新卡。新卡工作正常后，故障信息可以掉。