第9章PLC選型與可靠性設(shè)計(jì)

1、PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)第9章 PLC選型與可靠性設(shè)計(jì)PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.1 選型的基本原則9.2 選型實(shí)例9.3 PLC系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)9.4 常見(jiàn)故障分析 9.5 習(xí) 題PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.1 選型的基本原則選型的基本原則 通常在滿(mǎn)足控制要求的前提下，選型時(shí)應(yīng)選擇最佳的性能價(jià)格比，具體應(yīng)考慮到：功能合理；PLC的處理速度能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求；PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型系列統(tǒng)一；在線(xiàn)編程和離線(xiàn)編程的選擇。 1合理的結(jié)構(gòu)型式 整體式PLC的每一個(gè)I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，所以一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的

2、功能擴(kuò)展靈活方便，I/O點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O模塊的種類(lèi)等方面，選擇余地較大。維修時(shí)只要更換模塊，判斷故障的范圍也很方便。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 因此，模塊式PLC一般適用于較復(fù)雜系統(tǒng)和環(huán)境差（維修量大）的場(chǎng)合。2安裝方式的選擇 根據(jù)PLC的安裝方式，系統(tǒng)分為集中式、遠(yuǎn)程I/O式和多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低。大型系統(tǒng)經(jīng)常采用遠(yuǎn)程I/O式，因?yàn)樗鼈兊难b置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程I/O可以分散安裝在I/O裝置附近，I/O連線(xiàn)比集中式的短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程I/O電源。多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)PLC原理及應(yīng)用 西安

3、郵電大學(xué) 立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型PLC，但必須要附加通信模塊。3相當(dāng)?shù)墓δ芤?一般小型PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開(kāi)關(guān)量控制的設(shè)備都可滿(mǎn)足。對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A/D和D/A單元，有加減算術(shù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔PLC。對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價(jià)格較貴，一般大型機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)4響應(yīng)速度的要求 PLC的掃描工作方式引起的延遲可達(dá)23個(gè)掃描周期。對(duì)于

4、大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，PLC的響應(yīng)速度都可以滿(mǎn)足要求，不是主要問(wèn)題。然而對(duì)于某些個(gè)別場(chǎng)合，則要求考慮PLC的響應(yīng)速度。為了減少PLC的I/O響應(yīng)的延遲時(shí)間，可以選用掃描速度高的PLC，或選用具有高速I(mǎi)/O處理功能指令的PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。5系統(tǒng)可靠性的要求 對(duì)于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿(mǎn)足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 6機(jī)型統(tǒng)一 同一機(jī)型的PLC，其編程方法相同，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高；其模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理；其外圍設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位

5、計(jì)算機(jī)后易于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。7. 外部設(shè)備 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制可以不用外部設(shè)備，配置合適的模塊就可以實(shí)現(xiàn)。然而，對(duì)PLC編程，要監(jiān)控PLC及其所控制的系統(tǒng)的工作狀況，以及儲(chǔ)存用戶(hù)程序，打印數(shù)據(jù)等，就得使用外部設(shè)備。主要的外部設(shè)備有編程設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備，存儲(chǔ)設(shè)備以及輸入輸出設(shè)備。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)機(jī)型的選擇1PLC的類(lèi)型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體性和模塊性?xún)深?lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按CPU字長(zhǎng)分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。 整體性PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶(hù)選擇的余地較小，用于小型

6、控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插件，因此用戶(hù)可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)2輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類(lèi)型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、應(yīng)用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型

7、輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)3電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿(mǎn)足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高電壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有事也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)4存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)

8、用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選擇8K存儲(chǔ)器。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。5冗余功能的選擇 對(duì)于較重要的過(guò)程單元，CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1比1冗余；需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、二重化或三重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等；制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置，重要檢測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置；根據(jù)需要對(duì)重要的I/O信號(hào)，可選用二重化或三重化的I/O接口單元。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)6經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧。輸入

9、輸出點(diǎn)對(duì)價(jià)格有直接影響。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加。因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 通常在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程項(xiàng)目中（如要實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來(lái)選用中檔或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制、全PLC的分布式控制系 統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等。根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，表9-1列出了PLC的幾種功能選擇。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)序號(hào)應(yīng)用對(duì)象功能要求應(yīng)用場(chǎng)合1替代繼電器繼電器觸點(diǎn)輸入/輸出、邏輯

10、線(xiàn)圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器替代傳統(tǒng)使用的繼電器，完成條件控制和時(shí)序控制功能2數(shù)字運(yùn)算四則數(shù)學(xué)運(yùn)算、開(kāi)方、對(duì)數(shù)、函數(shù)計(jì)算、雙倍精度的數(shù)學(xué)運(yùn)算設(shè)定值控制、流量計(jì) 算；PID調(diào)節(jié)、定位控制和工程量單位換算3數(shù)據(jù)傳送寄存器與數(shù)據(jù)表的相互傳送數(shù)據(jù)庫(kù)的生成、信息管理、 BAT-CH（批量）控制、診斷和材料處理等4矩陣功能邏輯與、邏輯或、異或、比較、置位（位修改）、移位和變反等這些功能通常按“位”操 作，一般用于設(shè)備診斷、狀態(tài)監(jiān)控、分類(lèi)和報(bào)警處理等5高級(jí)功能表與塊間的傳送、校驗(yàn)和、雙倍精度運(yùn)算、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)、平方根、PID調(diào)節(jié)等通信速度和方式、與上位計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能、調(diào)制解調(diào)器等6診斷功能PLC的診斷功能有內(nèi)診斷

11、 和外診斷兩種。內(nèi)診斷是PLC內(nèi)部各部件性能和功能的診斷，外診斷是中央處理機(jī)與I/O模塊信息交換的診斷7串行接口一般中型以上的PLC都提供一個(gè)或一個(gè)以上串行標(biāo)準(zhǔn)接口（RS-232C），以例連接打印機(jī)、CRT、上位計(jì)算機(jī)或另一臺(tái)PLC8通信功能現(xiàn)在的PLC能夠支持多種通信協(xié)議。比如現(xiàn)在比較流行的工業(yè)以太網(wǎng)等對(duì)通信有特殊要求的用戶(hù)表9-1 PLC的功能選擇PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.2 選型實(shí)例選型實(shí)例 S7-300 PLC的選型原則是據(jù)生產(chǎn)工藝所需的功能和容量進(jìn)行選型，并考慮維護(hù)的方便性、備件的通用性，以及是否易于擴(kuò)展和有無(wú)特殊功能等要求。 1I/O點(diǎn)數(shù)的估算。 根據(jù)功能說(shuō)明書(shū)，可統(tǒng)計(jì)出P

12、LC系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)及模擬量I/O通道數(shù)，以及開(kāi)關(guān)量和模擬量的信號(hào)類(lèi)型。應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出I/O總點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，增加1015的裕量。選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估算值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30左右的裕量。下表為典型傳動(dòng)設(shè)備及元器件所需的可編程控制器I/O點(diǎn)數(shù)，可根據(jù)表9-2進(jìn)行估算。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)序號(hào)電氣設(shè)備/元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)I/O總點(diǎn)數(shù)1可逆行的籠型電機(jī)5272單向運(yùn)行的籠型電機(jī)4153單線(xiàn)圈電磁閥2134雙線(xiàn)圈電磁閥3255按鈕開(kāi)關(guān)1/16光電開(kāi)關(guān)2/27信號(hào)燈/118行程開(kāi)關(guān)1/19接近開(kāi)關(guān)1/110位置開(kāi)關(guān)2/2表9

13、-2 I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì) PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)2個(gè)可逆電動(dòng)機(jī)；1個(gè)單向電動(dòng)機(jī)；1個(gè)雙線(xiàn)圈電磁閥；6個(gè)按鈕；4個(gè)信號(hào)燈；7個(gè)行程開(kāi)關(guān)；4個(gè)位置開(kāi)關(guān)?？捎?jì)算得I/O總點(diǎn)數(shù)2*7+5+5+6+4+7*2=49 I/O點(diǎn)數(shù)大于32小于256點(diǎn)，所以要選用小型PLC。49*(1+30%)=63.7 PLC機(jī)型的I/O點(diǎn)數(shù)一般大于63.7即可。 2存儲(chǔ)器容量估算:每個(gè)I/O點(diǎn)及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下： (KB)(11.25)*(DI*10DO*8AI/AO*100CP*300)/1024 (KB)(11.25)*(21*10+28*8+2*300)/1024=1.01K 對(duì)數(shù)字量進(jìn)行估算，設(shè)C

14、P=2。其中：DI為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)；DO為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)；AI/AO為模擬量I/O通道總數(shù)；CP為通信接口總數(shù)。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 3I/O模塊的選擇。 模擬量輸入模塊接收電量或非電量變送器提供的標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，因此模擬量輸入模塊的選型與變送器有很大的關(guān)系。選型時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題。 模擬量輸入模塊的分辨率：分辨率用轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，PLC的模擬量輸入/輸出模塊的分辨率一般有8位和12位兩種。8位的模擬量模塊的分辨率低，一般用在要求不高的場(chǎng)合；12位二進(jìn)制數(shù)能表示的數(shù)的范圍為04095。滿(mǎn)量程的模擬量（例如010V）對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一般為04000，以0

15、10V的量程為例，12位模擬量輸入模塊的分辨率為10V/4000。分辨率與模塊的綜合精度是兩個(gè)不同的概念，綜合精度除了與分辨率有關(guān)外，還與很多別的因素有關(guān)。PLC的模擬量模塊的轉(zhuǎn)換速度一般都較低。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 由于轉(zhuǎn)換速度和掃描工作方式的原因，PLC一般不能直接對(duì)工頻信號(hào)作交流采樣，需要選用直流輸出的電量變送器。PLC的輸入模塊的量程應(yīng)包含選用的變送器的輸出信號(hào)的量程。有的模擬量輸入模塊沒(méi)有420MA擋的量程，輸出信號(hào)為420MA的變送器也可以選用量程為020MA的模擬量輸入模塊，只是分辨率要低一點(diǎn)。PLC的模擬量輸入模塊的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程一般是周期性地自動(dòng)進(jìn)行的，不需要用戶(hù)程

16、序來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，用戶(hù)程序只需要直接讀取當(dāng)前最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果就可以了。如果想用較長(zhǎng)的時(shí)間間隔讀取模擬量的值，對(duì)采樣周期性要求不高時(shí)可以用定時(shí)器來(lái)對(duì)讀取的時(shí)間間隔定時(shí)，對(duì)定時(shí)精度要求較高時(shí)可以用中斷來(lái)定時(shí)。在硬件組態(tài)時(shí)應(yīng)關(guān)閉未用的通道，以減小模塊總的A/D轉(zhuǎn)換周期。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 熱電偶與熱電阻的選擇：熱電阻的測(cè)量溫度，建議使用在：-200+450。熱電偶的測(cè)量溫度，建議使用在：01600。被測(cè)量對(duì)象的正常溫度范圍在300以下的選用熱電阻被測(cè)量對(duì)象的正常溫度范圍在300以上的選用熱電偶。 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻

17、的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線(xiàn)與測(cè)量電路連接的端稱(chēng)為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 熱電偶的冷端補(bǔ)償通常采用在冷端串聯(lián)一個(gè)由熱電阻構(gòu)成的電橋。電橋的三個(gè)橋臂為標(biāo)準(zhǔn)電阻，另外有一個(gè)橋臂由（銅）熱電阻構(gòu)成。當(dāng)冷端溫度變化（比如升高），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)也將變化（減?。藭r(shí)串聯(lián)電橋中的熱電阻阻值也將變化并使電橋兩

18、端的電壓也發(fā)生變化（升高）。如果參數(shù)選擇得好且接線(xiàn)正確，電橋產(chǎn)生的電壓正好與熱電勢(shì)隨溫度變化而變化的量相等，整個(gè)熱電偶測(cè)量回路的總輸出電壓（電勢(shì)）正好真實(shí)反映了所測(cè)量的溫度值。這就是熱電偶的冷端補(bǔ)償原理。 4輸出方式的選擇。 5輸出電流的選擇：模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。 6安全回路的選擇。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)7中央處理單元模塊的選擇。 CPU312 IFM ，帶集成的數(shù)字輸入/輸出的緊湊型CPU，用于帶或不帶模擬量的小系統(tǒng)，最多8個(gè)模塊。 CPU313用于有更多編程要求的小型設(shè)備。 CPU314IFM，帶有集

19、成的數(shù)字和模擬輸入/輸出的緊湊型CPU。 CPU 314 用于安裝中等規(guī)模的程序以及中等指令執(zhí)行速度的程序。 CPU 315/315-2DP 用于要求中到大規(guī)模的程序和通過(guò)PROFIBUS-DP進(jìn)行分布式配置的設(shè)備。 CPU316 用于有大量編程要求的設(shè)備。 CPU318-2 用于有要求極大規(guī)模的程序和通過(guò)PROFIBUS-DP進(jìn)行分布式配置的設(shè)備。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 對(duì)于上面的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，很明顯CPU318-2、CPU316、CPU 315/315-2DP這3中CPU是適用于大、中型的PLC里面，因此不符合這里的要求。而CPU312 IFM已經(jīng)限制模塊數(shù)，以后可能需要更多的擴(kuò)展

20、，所以這個(gè)型號(hào)的CPU也不是那么的適合。CPU313是一個(gè)大容量的C P U ， 而 系 統(tǒng) 并 不 需 要 大 量 的 編 程 。 就 只 剩 下CPU314IFM和CPU 314這2種。系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)比較少，而且只需一個(gè)小型的PLC，所以，CPU314IFM更符合要求。 表9-3、表9-4綜述了西門(mén)子系列模擬量模塊的主要特性，以方便模塊選型。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)模塊 特性SM331；AI8*16位（-7NF00-）SM331；AI8*16位（-7NF10-）SM331；AI8*14位（-7NF0X-）SM331；AI8*13位（-1KF01-）輸入數(shù)量8AI4通道組8AI4通道

21、組8AI4通道組8AI8通道組測(cè)量方法每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流電阻溫度電位關(guān)系光電隔離CPU光電隔離CPU光電隔離CPU負(fù)載電壓（不適用于2-DMU）光電隔離CPU輸入之間的允許電位差/V50（直流）60（直流）11（直流）2（直流）診斷中斷可調(diào)整可調(diào)整可調(diào)整不可調(diào)整精度每個(gè)通道組可調(diào)：15位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：15位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：13位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：12位+符號(hào)模塊 特性SM331；AI8*12位（-7KF02-）SM331；AI8*RTD（-7PF00-）SM331；AI8*TC（-7PF10-）SM331；

22、AI2*12位（-7KB02-）輸入數(shù)量8AI4通道組8AI4通道組8AI4通道組2AI1通道組測(cè)量方法每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流電阻溫度每個(gè)通道組可調(diào)電阻溫度每個(gè)通道組可調(diào)溫度每個(gè)通道組可調(diào)電壓電流電阻溫度電位關(guān)系光電隔離CPU負(fù)載電壓（不適用于2-DMU）光電隔離CPU光電隔離CPU光電隔離CPU負(fù)載電壓（不適用于2-DMU）輸入之間的允許電位差/V2.5（直流）75（直流）/60（交流）75（直流）/60（交流）2.5（直流）診斷中斷可調(diào)整可調(diào)整可調(diào)整可調(diào)整精度每個(gè)通道組可調(diào)：9位+符號(hào)12位+符號(hào)14位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：15位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：15位+符號(hào)每個(gè)通道組可調(diào)：9位+符號(hào)

23、12位+符號(hào)14位+符號(hào)表9-3 模擬量輸入模塊特性PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)模塊 特性SM332；AI8*12位（-7NF00-）SM332；AI4*16位（-7NF10-）SM332；AI8*12位（-7NF0X-）SM332；AI2*12位（-1KF01-）輸出數(shù)量8AO8通道組4AO4通道組4AO4通道組2AO2通道組輸出方式按通道輸出電壓電流按通道輸出電壓電流按通道輸出電壓電流按通道輸出電壓電流電位關(guān)系光電隔離CPU負(fù)載電壓光電隔離CPU和通道之間通道之間輸出和L+、M之間CPU和L+、M之間光電隔離CPU負(fù)載電壓光電隔離CPU負(fù)載電壓診斷中斷可調(diào)整可調(diào)整可調(diào)整不可調(diào)整精度12位

24、16位12位12位表9-4 模擬量輸出模塊特性PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.3 PLC系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)9.3.1 PLC系統(tǒng)中干擾的主要來(lái)源1）電源的干擾 電源是干擾進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)的主要途徑之一。PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，由于電網(wǎng)內(nèi)部的變化，大型電力設(shè)備起停、負(fù)載的變化、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源，引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，產(chǎn)生低頻干擾。PLC電源采用隔離電源，通常是以交流220V為基本工作電源，然后通過(guò)隔離變壓器、開(kāi)關(guān)電源、交流穩(wěn)壓器或UPS電源供電。實(shí)際上，由于分布電容等參數(shù)的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。PLC原理及應(yīng)用 西

25、安郵電大學(xué)2）信號(hào)線(xiàn)引入的干擾 與PLC控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)，除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線(xiàn)回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)作和死機(jī)。3）接地系統(tǒng)不規(guī)則引起的干擾PLC控制系統(tǒng)的地線(xiàn)包括數(shù)字地（邏輯地）、模擬地、信號(hào)地、交流地、直流地、屏蔽地（機(jī)殼地）等。PLC控制系統(tǒng)的接地一般都采用一點(diǎn)接地，接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層

26、必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 層接地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。另外，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過(guò)屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷電現(xiàn)象時(shí)，地線(xiàn)電流將更大。4）PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 主要由系統(tǒng)內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)本身、元器件參數(shù)的環(huán)境離散性及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生的各種干擾。如：邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響；模擬地與數(shù)字地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用；電子器件內(nèi)部存在的熱噪聲、散粒噪聲、寄生振蕩等。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.3.2 PLC系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)1）電源和感性負(fù)載的處理 在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸?/p>

27、很高的場(chǎng)合，可以在可編程控制器的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器。隔離變壓器可以抑制從電源線(xiàn)竄入的外來(lái)干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)接地。PLC供電系統(tǒng)一般采用以下幾種方案： 使用隔離變壓器供電系統(tǒng)。本方案是傳統(tǒng)的抗干擾措施,對(duì)電網(wǎng)脈沖干擾有很好的效果。 使用UPS供電。UPS是個(gè)人PC上常用的有效保護(hù)裝置。當(dāng)輸入交流電失電時(shí)，UPS根據(jù)不同的容量能繼續(xù)向PLC控制器供電10-30分鐘。采用UPS供電不僅能提高PLC的供電安全可靠性,也能有較強(qiáng)的抗干擾隔離。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)2）安裝與布線(xiàn) PLC控制系統(tǒng)的布線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源：如大功率晶閘管、變頻器和大型動(dòng)

28、力設(shè)備等，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)控制柜內(nèi)。輸入與輸出最好分開(kāi)走線(xiàn)，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)走線(xiàn)，以防外界信號(hào)干擾。交流輸出線(xiàn)和直流輸出線(xiàn)不要用同一根電纜，輸出線(xiàn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)，且避免并行。輸入接線(xiàn)一般不要超過(guò)30m。但是如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線(xiàn)可適當(dāng)延長(zhǎng)。當(dāng)數(shù)字量輸入、輸出線(xiàn)不能與動(dòng)力線(xiàn)分開(kāi)布線(xiàn)時(shí)，可用繼電器來(lái)隔離輸入、輸出線(xiàn)上的干擾。當(dāng)信號(hào)線(xiàn)距離超過(guò)300m時(shí)，應(yīng)采用中間繼電器來(lái)轉(zhuǎn)接信號(hào)，或使用PLC的遠(yuǎn)程I/O模塊。I/O線(xiàn)與電源線(xiàn)應(yīng)分開(kāi)走線(xiàn)，并保持一定距離。如要在同一線(xiàn)槽中布線(xiàn)，應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線(xiàn)與直流線(xiàn)應(yīng)分別使用不同電纜，如果I/O線(xiàn)的長(zhǎng)度超過(guò)300m時(shí)

29、，輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)應(yīng)分別使用不同的電纜。數(shù)字量、模擬量I/O線(xiàn)應(yīng)分開(kāi)走線(xiàn)，后者應(yīng)采用屏蔽線(xiàn)。如果模擬量輸入/輸出信號(hào)距離PLC較遠(yuǎn)，應(yīng)采用4-20mA或0-10mA的電流傳輸方式，而不是電壓傳輸方式，因?yàn)殡妷簜鬏敺绞椒浅Ｈ菀资艿礁蓴_。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)3）系統(tǒng)接地方案良好的接地是PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件。常用的接地方式有浮地、直接接地和電容接地三種方式。PLC控制系統(tǒng)屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，設(shè)備之間的信號(hào)交換頻率一般都比較小，所以PLC 控制系統(tǒng)接地線(xiàn)大多采用并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。部件的中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線(xiàn)引向接地極。

30、由于是并聯(lián)接地，各個(gè)電路的地電位只與自身的地線(xiàn)阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會(huì)造成耦合干擾。故有效地克服了公共地線(xiàn)阻抗的藕合干擾問(wèn)題。需要提出的是在選擇地線(xiàn)的時(shí)候，應(yīng)該選擇較粗的，以減小各點(diǎn)之間的電位差。接地線(xiàn)要采用較粗的銅導(dǎo)線(xiàn)，接地極的接地電阻小于100，接地極最好埋在距建筑物10-15m遠(yuǎn)處，接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10m以上。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.3.3提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的有效措施 顯然硬件措施不一定能完全消除干擾的影響，采用一定的軟件措施加以配合，對(duì)提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性有很好的作用。1)設(shè)計(jì)故障檢測(cè)程序 時(shí)間故障檢測(cè)法：控制系統(tǒng)工作循環(huán)各步的運(yùn)行

31、一般都有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，以這些時(shí)間為參數(shù)，在要檢測(cè)動(dòng)作開(kāi)始的同時(shí)，起動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)。定時(shí)器的設(shè)定值，為該動(dòng)作所需要的最大可能時(shí)間。動(dòng)作在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成,發(fā)出一個(gè)完成信號(hào)，使定時(shí)器清零，表明監(jiān)控對(duì)象工作正常。否則，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止正常工作循環(huán)程序。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法：在PLC控制系統(tǒng)工作正常時(shí)，各輸入、輸出信號(hào)和中間記憶裝置之間存在確定的邏輯關(guān)系。一旦出現(xiàn)異常邏輯關(guān)系，必定是控制系統(tǒng)有故障。因此，可以預(yù)先編寫(xiě)一些常見(jiàn)故障的異常邏輯程序，加進(jìn)用戶(hù)程序中。 關(guān)鍵部位應(yīng)雙重保護(hù)：為了提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，對(duì)關(guān)鍵的故障，或者關(guān)鍵的部位要在硬件和軟件上設(shè)置

32、雙重保護(hù)。以某自動(dòng)焊接機(jī)的燃燒供氣系統(tǒng)控制為例：對(duì)燃?xì)?乙炔或丙烷)的關(guān)火順序(先關(guān)燃?xì)猓箨P(guān)氧氣)不能顛倒，否則可能回火引起爆炸。通常氧氣延時(shí)關(guān)斷的時(shí)間由外接的時(shí)間繼電器來(lái)調(diào)定。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)2）合理配置PLC及硬件和軟件資源的冗余 在設(shè)計(jì)中、大型PLC控制系統(tǒng)時(shí)，可能要采取多種方式的冗余，以確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠。另外雙系統(tǒng)冗余，即中央處理器和全部輸入/輸出、組網(wǎng)通信完全冗余，有時(shí)也是必不可少的。對(duì)于設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，硬件和軟件資源不能占用耗盡，硬件上至少保留15%左右的冗余。在編制軟件時(shí)，同樣要注意估計(jì)用戶(hù)軟件對(duì)PLC和計(jì)算機(jī)資源的需要與用量，尤其是中間繼電器、中間數(shù)據(jù)：如計(jì)數(shù)器、

33、定時(shí)器的使用，要留有余地。程序在調(diào)試運(yùn)行后,難免還會(huì)提出修改、補(bǔ)充意見(jiàn)，有時(shí)甚至要重新編寫(xiě), 故適當(dāng)?shù)娜哂嗍潜匾?。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.3.4 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的搭建西門(mén)子PLC的網(wǎng)絡(luò)是適合不同的控制需要制定的，也為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次之間提供了互聯(lián)模塊或裝置。西門(mén)子S7系列PLC網(wǎng)絡(luò)如圖9-1所示，它采用三級(jí)總線(xiàn)復(fù)合型結(jié)構(gòu)，最底一級(jí)為遠(yuǎn)程I/O鏈路，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信，在遠(yuǎn)程I/O鏈路中配置I/O通信機(jī)制。中間一級(jí)為Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或主從多點(diǎn)鏈路。最高一層為工業(yè)以太網(wǎng)，它負(fù)責(zé)傳送生產(chǎn)管理信息。在工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的下層中配置以802.3為核心的以太網(wǎng)協(xié)議，在上層向用戶(hù)層提供TF接口

34、，實(shí)現(xiàn)AP協(xié)議與MMS協(xié)議。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)圖9-1 西門(mén)子的PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 在Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)層有兩種主從站方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的I/O擴(kuò)展。一般對(duì)于輸入輸出模塊較多但只需要一個(gè)CPU單元的情況下，使用ET200系列進(jìn)行主從站分布，通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)和擴(kuò)展柜的遠(yuǎn)程I/O單元進(jìn)行通信；但是，有的現(xiàn)場(chǎng)需要將整個(gè)PLC控制系統(tǒng)分成兩個(gè)部分，單獨(dú)進(jìn)行控制、監(jiān)控等，則需要CPU單元之間進(jìn)行通信。Profibus-DP從站不僅僅是ET200系列的遠(yuǎn)程I/O站，還可以通過(guò)搭建智能從站。只要是帶集成DP接口和Profibus通信模塊的S7-3

35、00站、S7-400站（V3.0以上）都可以作為DP的從站，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué)9.4 常見(jiàn)故障分析常見(jiàn)故障分析 對(duì)于一般PLC，外部故障是由外部傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障等引發(fā)PLC產(chǎn)生故障，可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)，甚至燒壞PLC。內(nèi)部錯(cuò)誤是PLC內(nèi)部的功能性錯(cuò)誤或編程錯(cuò)誤造成，可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)。 S7-300具有很強(qiáng)的錯(cuò)誤（故障）檢測(cè)和處理能力。CPU檢測(cè)到某種錯(cuò)誤后，操作系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的組織塊，用戶(hù)可以在組織塊中編程，對(duì)發(fā)生的錯(cuò)誤采取相應(yīng)的措施。對(duì)于絕大多數(shù)錯(cuò)誤，如果沒(méi)有對(duì)相應(yīng)的組織塊編程，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)CPU將進(jìn)入STOP模式。PLC原理及應(yīng)用 西安郵電大學(xué) 被S7CPU檢測(cè)到并且用戶(hù)可以通過(guò)相應(yīng)的組織塊對(duì)其進(jìn)行處理的錯(cuò)誤可分為