西門子S7-1200模塊6ES7211-1BE40-0XB0

作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，30年來，可編程控制器從無到有，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備簡(jiǎn)單控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。

    1. 可編程控制器的定義

    可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年電工委員會(huì)（）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：

    “PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。”

    2. PLC的特點(diǎn)

    2.1可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

    高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了*的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均*時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均*工作時(shí)間則。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有*的可靠性也就不奇怪了。

    2.2配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

    PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

    2.3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎

    PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。

    2.4系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造

    PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。

    2.5體積小，重量輕，能耗低

    以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。

    3. PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

    目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。

    3.1開關(guān)量的邏輯控制

    這是PLC基本、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。

    3.2模擬量控制

    在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

    3.3運(yùn)動(dòng)控制

    PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。

    3.4過程控制

    過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。

    3.5數(shù)據(jù)處理

    現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

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確定基準(zhǔn)電位點(diǎn)很重要

今天，一個(gè)新來的同事找我討論模擬量模塊的問題，他在上遇到了一些麻煩，用戶打電話反映在現(xiàn)場(chǎng)的S7 300模擬量模塊讀數(shù)不變化，怎么折騰都讀數(shù)是32767。盡管模擬量模塊大家都很熟悉，但是類似的問題還經(jīng)常有用戶反應(yīng)。翻了翻手邊的資料，似乎沒有系統(tǒng)講解這個(gè)問題的，于是把自己的經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)一下。

關(guān)于讀不出值的問題，如果總是32767沒有變化，其實(shí)值已經(jīng)有了，只不過是超量程了。如果值為0，那就要注意模擬量是否有問題了，使用萬用表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)并沒有超限。為什么會(huì)出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)檫x擇的參考電位不同，例如，現(xiàn)場(chǎng)過來的信號(hào)為5V，那首先要問一下，基準(zhǔn)點(diǎn)是幾伏？10~15是5V，-10~ -5同樣也是5V，如果測(cè)量端基準(zhǔn)點(diǎn)是0V，那么測(cè)量就會(huì)有問題，所以一定要保證兩端等電位。模擬量模塊的基準(zhǔn)電位點(diǎn)就是MANA  ，所有的接線都與之有關(guān)。

02

隔離與非隔離問題系列

這里的隔離是指模擬量模塊的基準(zhǔn)電位點(diǎn)MANA  與地（也是PLC的數(shù)據(jù)地）隔離。隔離模塊MANA  與地M可以不連接，以MANA  作為測(cè)量端的參考電位；非隔離模塊MANA  與地M必須連接， 這樣地M 變?yōu)镸ANA作為測(cè)量端的參考電位。隔離模塊的好處就是可以避免共模干擾。如何知道模塊是否是隔離模塊，例如SM331模塊，可以從模板規(guī)范中查到。S7-300中只有一款SM334（SM355除外）模塊是非隔離的，此外CPU31XC集成的模擬量也是非隔離的，共同特點(diǎn)就是模塊的輸出和輸入公用M端。

同樣傳感器也有隔離與非隔離的問題。通常非隔離的傳感器電源的負(fù)端與信號(hào)的負(fù)端公用一個(gè)端子，例如傳感器有三個(gè)端子 L， M 和S+，通過L， M端子向傳感器供電，S+，M為信號(hào)的輸出，公用M端。判斷傳感器是否隔離還是參考手冊(cè)。隔離傳感器信號(hào)負(fù)端與地M可以不連接，以信號(hào)負(fù)端作為信號(hào)源端的參考電位。非隔離傳感器信號(hào)負(fù)端必須在源端（設(shè)備端）接地，以源端的地作為信號(hào)的參考電位。

下面就是如何保證測(cè)量端與信號(hào)源端等電位接線的問題。在下面建議的連接圖中所用的縮寫詞和助記符含義如下：

M +： 測(cè)量導(dǎo)線（正）

M -：  測(cè)量導(dǎo)線（負(fù)）

MANA： 模擬量模塊基準(zhǔn)電位點(diǎn)

這里需要注意MANA  ，不同的接線方式都是以MANA  為參考基準(zhǔn)電位。

M：    接地端子 

L +： 24 VDC電源端子

UCM： MANA與模擬量輸入通道之間或模擬量輸入通道之間的電位差

UCM共模電壓，有兩種：

1）不同輸入信號(hào)負(fù)端的電位差，例如一個(gè)輸入信號(hào)為3V，另一個(gè)輸入信號(hào)也為3V，但是它們的基準(zhǔn)點(diǎn)電位可能不同，可能是1~4V或3~6V,那么它們之間的共模電壓為2V。

2）輸入信號(hào)負(fù)端與MANA的電位差。

模塊的UCM  是造成模擬量值超上限的主要原因。不同模塊UCM  的值不同。

UISO： MANA和CPU的M端子之間的電位差

03

使用隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器

隔離傳感器與隔離模擬量信號(hào)連接圖如圖1所示：

圖1 連接隔離的傳感器至隔離的模擬量輸入模塊

，都與地隔離，都不需要接地，但是輸入信號(hào)（傳感器）負(fù)端與MANA  電壓超過UCM限制，例如SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）為2.5 VDC，就需要短接信號(hào)負(fù)端與MANA  ，否則會(huì)出現(xiàn)超上限問題?，F(xiàn)場(chǎng)可以查看一下，幾乎所有超上限問題都是沒有連接信號(hào)負(fù)端與MANA  。如果UISO   超過限制，例如75V DC，就需要連接信號(hào)負(fù)端、MANA 端以及接地端M，這時(shí)模塊以大地M端為參考電位，實(shí)際變?yōu)榉歉綦x使用了，這種情況很少見。

有的模塊通道組間都是隔離的，沒有MANA  ，例如模塊6ES7331-7NF10-0AB0，接線如圖2所示：

這時(shí)每一個(gè)通道組（每組2通道）的M-就是MANA ，輸入通道組間UCM 為以達(dá)到75VDC。 

都隔離的情況下連接信號(hào)負(fù)端與MANA 端就可以了(2線制和電阻測(cè)量除外)。手冊(cè)每個(gè)模塊接線圖中MANA都是建議接地的，我認(rèn)為這是在接地良好、不會(huì)產(chǎn)生共模電壓（例如單端接地）的情況下。

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使用非隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器

這回我來講講使用非隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器的情況，模塊的MANA與地M不隔離，這樣必須連接MANA與地M，模擬量的參考點(diǎn)電位變成地M，典型接線如圖3所示：

非隔離的模塊都要求連接連接MANA與地M，例如模塊SM334(6ES7334-0CE01-0AA0)，在提示中強(qiáng)調(diào)必須連接，下面為引用手冊(cè)的提示部分。

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使用隔離的模擬量模塊連接非隔離的傳感器

傳感器不隔離，那么信號(hào)源端以傳感器本地的地為基準(zhǔn)點(diǎn)電位。模塊是隔離的，以MANA點(diǎn)為測(cè)量基準(zhǔn)電位。典型接線如圖4所示：

從圖4可以看到，非隔離的傳感器信號(hào)負(fù)端在源端接地，但是如果連接多個(gè)非隔離的傳感器并且分布在不同的地方（不同的接地點(diǎn)），這種情況下就比較麻煩。各個(gè)傳感器信號(hào)的負(fù)端會(huì)有共模電壓UCM ，為了消除UCM ，將各個(gè)信號(hào)的負(fù)端在源端使用短而粗的導(dǎo)線進(jìn)行等電位連接，由于模塊的MANA和信號(hào)源端的地可能存在電位差，還要將MANA與源端的地進(jìn)行等電位連接。在這里不能在模塊處進(jìn)行短接，否則不能消除UCM。

如果工廠接地不好，還是使用隔離的傳感器。

06

使用非隔離的模擬量模塊連接非隔離的傳感器

如果使用非隔離的模擬量連接非隔離的傳感器，那么一定將所有的點(diǎn)接地并進(jìn)行等電位處理。典型接線如圖5所示：

從圖5可以看到，按照隔離與非隔離的要求，模塊不隔離，必須連接MANA與地M，傳感器不隔離則需要連接信號(hào)負(fù)端到本地的地，這樣一邊以信號(hào)源的地作為基準(zhǔn)點(diǎn)，一邊以模塊的地M作為基準(zhǔn)點(diǎn)，為了消除兩者之間的電位差（共模電壓UCM），需要使用足夠粗的導(dǎo)線進(jìn)行等電位連接。

如果整個(gè)工廠有等電位的接地網(wǎng)，使用非隔離的儀表和模塊就比較簡(jiǎn)單，只需要連接MANA到本地的地M即可，因?yàn)槊總€(gè)點(diǎn)都等電位。往往事與愿違，由于非隔離的儀表價(jià)格便宜，越是使用這樣儀表的地方，地通常打得都不會(huì)好，就更別提接地網(wǎng)和等電位連接了。不采取措施肯定有問題，必須保證等電位。使用萬用表可以測(cè)量，那是因?yàn)槿f用表與地是隔離的，的共模電壓UCM   也可能不同 ，與模塊不在相同的條件下。建議使用隔離的傳感器和模塊。

講了一系列的接線方式，終的結(jié)論就是模擬量接線的幾種方式都集中在一點(diǎn)上，就是信號(hào)源端與測(cè)量端一定要等電位。

講到這里我覺得還是要再擴(kuò)展一下，利用這個(gè)原則同樣也可以解決數(shù)字量接線問題。下面是在現(xiàn)場(chǎng)遇見的一個(gè)問題，如圖6所示，CPU與I/O的供電分開，I/O是一個(gè)非隔離模塊，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)給出信號(hào)，但是I/O模塊的輸入燈沒有點(diǎn)亮，在CPU中也不能讀出，使用萬用表測(cè)量，在端子上有24V電壓。模塊沒有問題，將兩個(gè)電源PS的M端短接，就可以檢測(cè)到輸入信號(hào)，這也是由于參考點(diǎn)電位不同造成的。

西門子S7-300信號(hào)，擴(kuò)展，數(shù)字，邏輯模塊訂貨號(hào)