西門子6ES7321-1CH20-0AA0

西門子6ES7321-1CH20-0AA0

技術(shù)規(guī)范

西門子正在開發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)受電弓的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車而設(shè)計(jì)的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止接觸導(dǎo)線損傷。電氣化列車有時(shí)使用類似但更加復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖中所示為德國(guó)Groß Dölln電氣化公路延長(zhǎng)測(cè)試段上的行駛場(chǎng)景。

電氣化公路系統(tǒng)是西門子專為繁忙的貨運(yùn)路線而開發(fā)的低排放解決方案。電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車?yán)檬茈姽?，從高架?dǎo)線獲得電能，這樣一來，它們?cè)谛旭傔^程中幾乎不排放任何廢氣。電氣化公路上行駛著眾多車主的車輛，尤為重要的是對(duì)受電弓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防止因高架導(dǎo)線受損而致使道路封閉。電氣化公路系統(tǒng)是一套廉價(jià)的緊湊型系統(tǒng)，可以沿道路廣泛部署，還可以同時(shí)檢測(cè)車輛是否得到授權(quán)。在不久前舉辦的2014年度 Innotrans貿(mào)易展上，西門子推出了這套解決方案，并演示了如何將之用于電氣化列車。

不論是在卡車還是列車上，受電弓都會(huì)在運(yùn)行過程中發(fā)生磨損。特別是碳接觸片，會(huì)因與高架導(dǎo)線接觸而磨損。如果未能及時(shí)檢測(cè)出已磨損或新近受損的接觸片，那么，凹槽、裂痕或不均勻磨損等會(huì)導(dǎo)致接觸問題，從而損壞高架導(dǎo)線的接觸導(dǎo)線。情況下，高架接觸導(dǎo)線甚至可能斷裂。

這個(gè)系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車而設(shè)計(jì)的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止對(duì)高架接觸導(dǎo)線造成損害。電氣化列車有時(shí)使用類似但又復(fù)雜得多的系統(tǒng)。

特殊攝像頭監(jiān)視接觸片

該系統(tǒng)通過兩種方式監(jiān)測(cè)受電弓：攝像頭監(jiān)視接觸片的碳表面；特殊算法評(píng)估磨損程度或初發(fā)損傷。一旦各種系統(tǒng)提供了足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)，該解決方案也將嘗試預(yù)測(cè)碳接觸片的更換時(shí)間。這樣一來，便可以根據(jù)磨損狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，盡可能延長(zhǎng)接觸片的使用時(shí)間。此外，傳感器將記錄高架接觸導(dǎo)線的垂直偏轉(zhuǎn)。據(jù)此可以推斷出接觸導(dǎo)線承受的壓力。如果受電弓對(duì)接觸導(dǎo)線施加的壓力太大，那么，碳層和高架接觸導(dǎo)線都會(huì)產(chǎn)生過度磨損。如果壓力太小，接觸則會(huì)斷開，并且可能發(fā)生電弧，這也會(huì)對(duì)連接兩側(cè)構(gòu)成應(yīng)力。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)到，可以安裝在高架導(dǎo)線的電線桿和橋上，以便沿著道路在盡可能多的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這樣就可以得出更多關(guān)于高架導(dǎo)線狀況的信息，譬如，高架接觸導(dǎo)線的懸掛情況。就電氣化列車而言，火車站或車輛段入口都是進(jìn)行測(cè)量的合適位置。受電弓工況數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送至控制中心、維護(hù)工程師或卡車上的車載裝置。目前，西門子正在其電氣化公路試驗(yàn)場(chǎng)運(yùn)行這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并優(yōu)化自動(dòng)分析功能，包括評(píng)估接觸片的過程。此后，公司計(jì)劃制造出一個(gè)功能齊備的原型。

分配輸入 / 輸出點(diǎn)
一般輸入點(diǎn)和輸入信號(hào)、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對(duì)應(yīng)的。
分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)，分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，即進(jìn)行編號(hào)。
在個(gè)別情況下，也有兩個(gè)信號(hào)用一個(gè)輸入點(diǎn)的，那樣就應(yīng)在接入輸入點(diǎn)前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個(gè)觸點(diǎn)先串聯(lián)或并聯(lián)），然后再接到輸入點(diǎn)。

程序輸入 PLC 后，應(yīng)*行測(cè)試工作。因?yàn)樵诔绦蛟O(shè)計(jì)過程中，難免會(huì)有疏漏的地方。因此在將 PLC 連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上去之前，必需進(jìn)行軟件測(cè)試，以排除程序中的錯(cuò)誤，同時(shí)也為整體調(diào)試打好基礎(chǔ)，縮短整體調(diào)試的周期。

（ 8 ）應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試

在 PLC 軟硬件設(shè)計(jì)和控制柜及現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，如果控制系統(tǒng)是由幾個(gè)部分組成，則應(yīng)先作局部調(diào)試，然后再進(jìn)行整體調(diào)試；如果控制程序的步序較多，則可*行分段調(diào)試，然后再連接起來總調(diào)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，要逐一排除，直至調(diào)試成功。

（ 9 ）編制技術(shù)文件

系統(tǒng)技術(shù)文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 梯形圖。

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PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 ． PLC 型號(hào)的選擇

在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進(jìn)行控制。

在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來考慮。

（ 1 ）對(duì)輸入 / 輸出點(diǎn)的選擇

盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。

要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。

另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對(duì)同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)有限制，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)不得超過總輸入點(diǎn)的 60 ％； PLC 每個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力（ A/ 點(diǎn)）也是有限的，有的 PLC 其每點(diǎn)輸出電流的大小還隨所加負(fù)載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時(shí)要考慮這些問題。

PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級(jí)，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出信號(hào)之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。

（ 2 ）對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇

對(duì)用戶存儲(chǔ)容量只能作粗略的估算。在僅對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘 10 字 / 點(diǎn)＋輸出總點(diǎn)數(shù)乘 5 字 / 點(diǎn)來估算；計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個(gè)估算；有運(yùn)算處理時(shí)按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲(chǔ)容量來估算；有通信處理時(shí)按每個(gè)接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，選擇容量時(shí)留有裕量要大些。

（ 3 ）對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇

PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2 ～ 3 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC 和 I/O 響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問題。

（ 4 ）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型

不同的負(fù)載對(duì) PLC 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)較便宜，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級(jí)范圍大等。所以動(dòng)作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。

（ 5 ）對(duì)在線和離線編程的選擇

離線編程示指主機(jī)和編程器共用一個(gè) CPU ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 PLC 的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時(shí)， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機(jī)和編程器各有一個(gè) CPU ，主機(jī)的 CPU 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，在每一個(gè)掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機(jī)，在下一個(gè)掃描周期主機(jī)將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)輔助編程既能實(shí)現(xiàn)離線編程，也能實(shí)現(xiàn)在線編程。在線編程需購(gòu)置計(jì)算機(jī)，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。

（ 6 ）據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型

若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC 、上位計(jì)算機(jī)及 CRT 等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能，目前大部分小型機(jī)也具有通信功能。

（ 7 ）對(duì) PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式。

2 ．分配輸入 / 輸出點(diǎn)

一般輸入點(diǎn)和輸入信號(hào)、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對(duì)應(yīng)的。

分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)，分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，即進(jìn)行編號(hào)。

在個(gè)別情況下，也有兩個(gè)信號(hào)用一個(gè)輸入點(diǎn)的，那樣就應(yīng)在接入輸入點(diǎn)前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個(gè)觸點(diǎn)先串聯(lián)或并聯(lián)），然后再接到輸入點(diǎn)。

（ 1 ）確定 I/O 通道范圍

（ 1 ）確定 I/O 通道范圍
不同型號(hào)的 PLC ，其輸入 / 輸出通道的范圍是不一樣的，應(yīng)根據(jù)所選 PLC 型號(hào)，查閱相應(yīng)的編程手冊(cè)，決不可“張冠李戴”。必須參閱有關(guān)操作手冊(cè)。
（ 2 ）部輔助繼電器
內(nèi)部輔助繼電器不對(duì)外輸出，不能直接連接外部器件，而是在控制其他繼電器、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器時(shí)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或數(shù)據(jù)處理用。
從功能上講，內(nèi)部輔助繼電器相當(dāng)于傳統(tǒng)電控柜中的中間繼電器。
未分配模塊的輸入 / 輸出繼電器區(qū)以及未使用 1 ： 1 鏈接時(shí)的鏈接繼電器區(qū)等均可作為內(nèi)部輔助繼電器使用。根據(jù)程序設(shè)計(jì)的需要，應(yīng)合理安排 PLC 的內(nèi)部輔助繼電器，在設(shè)計(jì)說明書中應(yīng)詳細(xì)列出各內(nèi)部輔助繼電器在程序中的用途，避免重復(fù)使用。參閱有關(guān)操作手冊(cè)。
（ 3 ）分配定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器
PLC 的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器數(shù)量分別見有關(guān)操作手冊(cè)。
7.3 PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及步驟
7.3.1 PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法
在了解了 PLC 程序結(jié)構(gòu)之后，就要具體地編制程序了。編制 PLC 控制程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。
1. 圖解法編程
圖解法是靠畫圖進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。

西門子SM321數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1FF10-0AA0

STEP7-Mirco/WIN編程元素及項(xiàng)目組件

s7-200的三種程序組織單位（POU）指主程序、子程序和中斷程序。STEP 7-Micro/WIN為每個(gè)控制程序在程序編輯器窗口提供分開的制表符，主程序總是制表符，后面是子程序或中斷程序。

一個(gè)項(xiàng)目（Project）包括的基本組件有程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)圖表、交叉引用表。程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊須下載到PLC，而符號(hào)表、狀態(tài)圖表、交叉引用表不下載到PLC。

程序塊由可執(zhí)行代碼和注釋組成，可執(zhí)行代碼由一個(gè)主程序和可選子程序或中斷程序組成。程序代碼被編譯并下載到PLC，程序注釋被忽略。

2        2        在“指令樹”中 右擊“程序塊”圖標(biāo)可以插入子程序和中斷程序。

數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)（包括初始內(nèi)存值和常數(shù)值）和注釋兩部分組成。

數(shù)據(jù)被編譯后，下載到可編程控制器，注釋被忽略。

系統(tǒng)塊用來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，包括通信口配置信息、保存范圍、模擬和數(shù)字輸入過濾器、背景時(shí)間、密碼表、脈沖截取位和輸出表等選項(xiàng)。系統(tǒng)塊如圖1所示。

2        2        單擊“瀏覽欄”上的“系統(tǒng)塊”按鈕，或者單擊“指令樹”內(nèi)的“系統(tǒng)塊”圖標(biāo)，可查看并編輯系統(tǒng)塊。

系統(tǒng)塊的信息須下載到可編程控制器，為PLC提供新的系統(tǒng)配置。

圖1  “系統(tǒng)塊”塊對(duì)話框

 西門子6ES7321-1CH20-0AA0

西門子S7-200的自由口通信需要通過編程設(shè)置串口的工作模式，安排發(fā)送和接受指令的觸發(fā)順序，還要設(shè)定接收的起始和結(jié)束條件。對(duì)于剛剛開始使用s7-200的電氣工程師來說，的確有很多細(xì)微處易犯錯(cuò)誤。一般碰到客戶抱怨通信不上的問題，就要逐一幫客戶確認(rèn)編程配置是否正確。雖然麻煩，不過逐條查下去，總能查到錯(cuò)誤所在并解決問題。但是有一次客戶遇到的問題頗出人意料，還真耗費(fèi)了一些時(shí)間。

　　客戶反應(yīng)在編寫了自由口通信程序之后，PLC可以發(fā)送數(shù)據(jù)給通信伙伴，但是卻收不到任何伙伴方發(fā)出的數(shù)據(jù)。能發(fā)送數(shù)據(jù)給對(duì)方，說明通信端口設(shè)置沒有問題。極有可能是端口被其他通信指令占用導(dǎo)致無法進(jìn)入接收狀態(tài)。比如說用常開點(diǎn)調(diào)用XMT，或者沒有對(duì)接收的故障狀態(tài)進(jìn)行判斷并終止接收，從而導(dǎo)致后續(xù)的XMT和 RCV都無法被正確執(zhí)行。客戶表示他的程序并不存在這種情況。但是為了測(cè)試問題所在，客戶下載了一個(gè)僅包含條件觸發(fā)RCV的程序下去

必須在裝置 3 中鏈接各種總線系統(tǒng)。由于需要在選定系統(tǒng)上運(yùn)行客戶的特定 Windows 應(yīng)用程序

中央控制器和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架多可連接32個(gè)模塊：

 總共可將 3 個(gè)擴(kuò)展裝置（EU）連接到中央控制器（CC）。每個(gè) CC/EU 可以連接八個(gè)模塊。

通過接口模板連接：

 每個(gè) CC / EU 都有自己的接口模塊。在中央控制器上它總是被插在 CPU 旁邊的插槽中，并自

動(dòng)處理與擴(kuò)展裝置的通信。

通過 IM 365 擴(kuò)展：

 1 個(gè)擴(kuò)展裝置遠(yuǎn)擴(kuò)展距離為 1 米；電源電壓也通過擴(kuò)展裝置提供。

通過 IM 360/361 擴(kuò)展：

 3 個(gè)擴(kuò)展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的遠(yuǎn)距離為 10m。

單獨(dú)安裝：

 對(duì)于單獨(dú)的 CC/EU，也能夠以更遠(yuǎn)的距離安裝。兩個(gè)相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：長(zhǎng)達(dá) 

10m。

靈活的安裝選項(xiàng)：

 CC/EU 既可以水平安裝，也可以垂直安裝。這樣可以大限度滿足空間要求。

通信

S7-300 具有不同的通信接口：

連接 AS-Interface、PROFIBUS 和 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信處理器。

用于點(diǎn)到點(diǎn)連接的通信處理器