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西门子S120控制器模块6SL3310-1TE33-1AA3

PLC输入输出接口的安全保护

当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51～120Ω，电容取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图1为输入输出口的保护示意图。

在工程实际中，一般输入输出设备不可能都直接与PLC连接。而且PLC的多个输入输出端子公用一个COM端，也不可能在一个端子上连接几根甚至十几根导线，所以，必须通过端子排连接。

    端子排通常是由多片端子并排安装在导轨上组成的。每片端子的两个接口是短接的，根据需要可以将各片端子短接在一起。

    PLC通过端子排与外围设备连接的示意图见图1所示。也可以采用编码呼应法标注各端子接线。

S7-200系列的基本逻辑指令

S7-200系列的基本逻辑指令与FX系列和CPM1A系列基本逻辑指令大体相似，编程和梯形图表达方式也相差不多，这里列表表示S7-200系列的基本逻辑指令（见表）。

表  S7-200系列的基本逻辑指令

指令名称	指令符	功能	操作数
取	LD bit	读入逻辑行或电路块的**个常开接点	Bit： I，Q，M，SM，T，C，V，S
取反	LDN bit	读入逻辑行或电路块的**个常闭接点
与	A bit	串联一个常开接点
与非	AN bit	串联一个常闭接点
或	O bit	并联一个常开接点
或非	ON bit	并联一个常闭接点
电路块与	ALD	串联一个电路块	无
电路块或	OLD	并联一个电路块
输出	= bit	输出逻辑行的运算结果	Bit：Q，M，SM，T，C，V，S
置位	S bit，N	置继电器状态为接通	Bit： Q，M，SM，V，S
复位	R bit，N	使继电器复位为断开

定子串电阻减压起动控制电路工作过程

 1．电动机在起动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组的电压降低，待起动结束后将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。这种起动方式不受电动机接线形式的影响，设备简单，因而在中小型生产机械设备中应用较广。

但起动电阻一般采用板式电阻或铸铁电阻，电阻功率大，能通过较大电流，但能量损耗较大。

2．工作过程：

 

合上QS，按下SB2，KM1线圈得电，KM1主触点闭合，电动机M串电阻减压起动，KM1辅助常开触点闭合，实现自锁，KT线圈得电。

a图KT延时时间到，KT常开触点闭合，KM2线圈得电并自锁，KM2主触点闭合，电动机M全压运转。

b图KT延时时间到，KT常开触点闭合，KM2线圈得电并自锁，KM2主触点闭合,电动机M全压运转。KM2辅助常闭触点断开，KM1、KT线圈失电，

按下SB1，KM2线圈断电，KM2主触点、辅助触点断开，电动机M停止。

FX2N系列PLC硬件组成

  FX_2N系列PLC硬件组成与其他类型PLC基本相同，主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC的基本结构如图1-1所示。系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。

外部的开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。

（1）中央处理器CPU

CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致地工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

（2）存储器模块

随机存取存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器／计数器以及累加器等的工作状态，还可存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。

只读存储器ROM用于存储系统程序。可擦除可编程序的只读存储器EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。

（3）输入输出模块

可编程序控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。

PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。

（4）编程器

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。

S7-200系列PLC的定时器指令

1）    类型、编号及分辨率

TON——接通延时

TONR——有记忆接通延时

TOF——断开延时

3种分辨率（时基）：1ms、10ms、100ms——分别对应不同的定时器号

定时器6个要素：

指令格式（时基、编号等）    预置值——PT

使能——IN                  复位——3种定时器不同

          当前值——Txxx              定时器状态（位）——可由触点显示

    定时值=时基×预置值PT。由于定时器的计时间隔与程序的扫描周期并不同步，定时器可能在其时基（1ms、10ms、100ms）内任何时间启动，所以，未避免计时时间丢失，一般要求设置PT预置值必须大于**小需要的时间间隔。例如：使用10ms时基定时器实现140ms延时（时间间隔），则PT应设置为15（10ms×15=150ms）。

2）  功能

（1）       接通延时定时器TON——一般用于单一时间间隔的定时

 

     指令格式：见图，编号与分辨率及定时器类型有关。（见教材P221：Fig8-3-3a）

使能：——IN： I2.0 =“1”

当前值——T33，当在线（Online）时，此处显示当前值

预置值——PT=3，即定时时间=10ms×3=30ms

复位——IN：I2.0 = “0”

定时器状态（位）——“1”或“0”

与MODICON PLC的定时器指令对照：

区别：对MODICON PLC，当10001=“0” ，10002=“1”时，定时器当前值保持；当计时时间到，即（40040）= 30时，只要10002=“1”，定时器也是保持

      对S7-200  PLC，  只要I0.0=“1”，即计时，当T33当前值=3时，定时器继续计时，直至I0.0=“0”，定时器复位（相当于10002=“0” ）

（1）       断开延时定时器TOF——一般用于故障时间后的时间延时

               

指令格式：见图，编号与分辨率及定时器类型有关。

注意：定时器状态（位）=“1”（置位）及当前值复0与使能.I0.0=“1”同步；计时开始与使能I0.0从“1”→“0”（断开）同步，且当计时时间到而使能仍=“0”时，当前值保持。

（2）       有记忆接通延时定时器TONR——一般用于累计许多时间间隔（指令功能及时序图见教材P222：Fig8-3-3c）

 

指令格式：见图，编号与分辨率及定时器类型有关。

注意：定时器状态（位）=“1”（置位）及当前值复0与使能.I0.0=“1”同步；计时开始与使能I0.0从“1”→“0”（断开）同步，且当计时时间到而使能仍=“0”时，当前值保持。

(3) 有记忆接通延时定时器TONR——一般用于累计许多时间间隔

 前 言

    长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。

    PLC技术展的**终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。

    在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。

    一、开放和基于工业PC控制

    PLC制造商已经开始注视基于工业PC控制技术所带来的强大冲击。有**甚至认为，新商务活动所带来的新技术和开放技术规范将会埋葬传统PLC。PLC制造商认为，虽然在工业现场安装有大量的PLC控制设备，但他们仍然需要联合工控软件公司，以便开发他们自己的基于工业PC的过程控制软件。

    诚然，几年前在工业现场明显存在着新旧PLC混合使用的情况，工业用户不得不同时学习相关的新旧知识，甚至彼此借鉴学习。大多数PLC制造商为工业用户仅仅提供了软逻辑和一种操作平台。

    在高端应用方面，很难进一步区分PLC控制系统和工业PC控制系统之间的差异，因为这两者均采用了同样类型的微处理器和内存芯片。形象地打个比喻，如果你忘掉工业PC和PLC这些词语字面上的含义，那么在箱子里所能够观察到的恰恰是一些基本计算机硬件技术，我们更多观察到的却是那些基本技术的复杂化和混合体，这些技术被有效地组合到控制系统中去。

    另外，采用开放控制的原因一方面是系统功能集成的需要，另一方面也是由于一些工业用 户对功能过分苛求所致。如果能够给予高度的重视，就能够获得更多的基本技术知识。PLC制造商专注于系统功能化，而工业用户则专注于系统应用。人们可以看到，将来的发展趋势是将更多的功能进一步集成到一个控制箱内。因而像顺序控制和过程控制这样的事件将会采用功能化方式进行处理，其他像运动控制等也能够共享到相同的控制结构体系中。

    可以相信，PLC技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。后者除了在灵活性方面比传统PLC具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。

    关于工业PC控制系统的实时响应问题已经得到很好的解决，也许其主要的东西仍然隐藏在技术背后，但缺乏相应的跟踪记录。对于PLC来讲，坚固性是其主要特点之一，这已经有相当多的跟踪记录来验证。工业用户仍然非常小心地对待PLC，他们正在对PLC作不同的技术测试工作。在利用一种新技术时，工业用户需要考虑的问题是要冒多大的风险，同时需要考虑对其商务活动能够带来多少机会和收益。

    但工业用户不完全相信开放式控制系统所带来的好处。随着技术的进一步发展，他们开始逐渐淡化这些思想观念。工业用户正在平衡采用新技术所存在的风险和给他们的商务活动所带来的收益，以便为今后的决策提供有效的保障。

    工业PC技术提供了许多功能，能够增强PLC的功能特性，包括内藏视频和高速浮点数字协处理器。尽管Microsoft公司没有进一步提升该项功能特性的计划，但新的Windows CE 3.0完全能够更好地满足过程控制的需要。

    不久前，Siemens公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自动化中心)。WinAC是基于Windows NT，与SIMATIC S7 PLC兼容的适合于工业PC的控制系统解决方案。WinAC 3.0提供了具有较高集成度的Profibus现场总线局域网的连接性能，以及远程程序设计。此外，它还为现场控制设备本地化集成提供了一种新的DeviceNet I/O设备驱动程序，用于连接所安装的DeviceNet I/O设备。

    Steeplechase软件公司也已推出了一套支持硬实时过程控制的嵌入式Windows NT操作系统接口部件。该部件进一步结合了Steeplechase公司采用SBS技术并运行于Windows NT环境的工业Compact PCI的硬实时控制软件。现在，Steeplechase公司的可视化逻辑控制器已经升级到5.0版。该控制器适合于Windows NT 4.0和Windows 2000两种操作系统，它的实时引擎能够直接与普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一种增强型OPC服务器驱动程序，因而比以前的版本具有更快的运行速度。其他一些特点还包括新OI网络特性，以及能够让工业用户自己设计出丰富多彩的动态图形画面等。

    Transysoft公司**近推出了新版本的ISaGRAF系列工业控制组态软件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3国际标准，并独立于任何硬件平台的软逻辑自动化控制软件包。在一个网络化过程控制系统环境中，该软件包能够应用于多种组态和分布式控制系统的开发，它包含了一套开发工具、应用程序工作平台，以及相应的“虚拟机器”运行时目标。该运行时目标能够运行于各种各样的硬件平台。

    CTC自动化工程公司已经发布了一套新的控制软件包MachineLogic PCLC（工业PC逻辑控制器），该软件可以让工业PC扮演PLC的角色，且仍然保持着工业PC的功能特性。该软件能够完成一台PLC所确定的控制任务，并且与程序执行时间一样快，均在1 ms以内；还能够同时处理多任务工作，但不能同时超过16个控制任务。一种具有优先级和多任务处理内核的机制保持着对每一件控制任务的跟踪，确保控制任务能够取得**高的优先权。该软件能够运行全部5种IEC 61131-3标准程序设计语言和PID控制程序，支持两种类型的I/O控制设备。一种是像Profibus和DeviceNet等这样的现场总线I/O设备；另一种是像ISA和PC/104这样的工业PC I/O模板。另外，该软件还提供了对控制系统的在线编辑组态功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下开发并运行，但也能够在RTXDOS下执行。

    SoftPLC公司也提供了一种工控软件产品Tealware，有人非常形象地把这种软件产品称作穿着工业PC衣服的PLC。那些安装在支架上的控制系统已经有了小型PLC的形状系数，但SoftPLC公司的控制软件已经被嵌入到CPU中。Tealware软件能够满足各种类型工业用户的需要，从小型、单机系统到大型、分散多控制工作站应用。其特点包括全系列I/O模件、内藏Ethernet和工业串行通信接口。

    **近，Tealware软件已经升级到2.3版本。其中，控制软件提供了事实上无限的梯形图逻辑控制步序，同时允许有超过百万字的数据表；许多OI/SCADA应用接口；内藏Java引擎和FTP服务器用于远程维护与管理；支持用户自己编写的C、C++、Java程序和设备驱动程序；适合于嵌入式Web服务器用；程序设计的在线运行模式；坚固的I/O模件支持能力和许多其他标准PLC功能；可以运行所输入的，或者是经过转换的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。

    二、Ethernet的扩展与进一步容纳Web技术

    当前，在所有过程控制领域，**的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展。PLC也例外，现在，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。在**近的几年间，我们已经看到，发展比现有普通小快灵PLC更加强大的PLC是种趋势。Ethernet将会成为PLC的通信标准吗？也许**终结果是这样的，但现在还为时尚早。对于在PLC上提供Ethernet接口将能够解决所有通信问题，人们普遍存在着误解。Ethernet仅仅定义了OSI参考模型底部的几层协议标准，如果上层协议相互之间不能兼容，那么仍然不可能进行相互之间的通信处理。打个比方，这如同一个不懂英语的中国人与一个不懂汉语的美国人之间是不能够通过电话进行对话一样。因此，协议就是设备之间相互通信的语言。

    另一方面，前进的步伐已经迈出，我们只有迎着困难而上，为了将Ethernet技术应用到工厂底层的现场过程控制设备中去，ODVA协会为此建立了一套全球性标准技术规范，即Ethernet/IP标准，以便能够解决在实际工作中所遇到的困难。

    向Ethernet靠近的一个目的在于通过Internet能够连接到所希望的任何地方。实际上，在一些意想不到的地方，Web服务器正在显露出其应有的威力。几年前，有一些PLC系统已经内藏了Web服务器，这无疑又为PLC系统增加了更多的特点。其他类型的控制设备也正在准备进一步集成Web服务器。例如，Square D公司已经有一个具备Ethernet连接接口的发动机控制中心，并正在准备开发一种内藏Web服务器连接接口的变速装置。

    内藏Web服务器所体一风的益处包括开放网络、商业工具的影响、客户机/服务器关系。在过去，工业用户可能会有代表性地询问一些有关PLC方面的信息，但在现在，由于新技术的不断诞生和发展，工业用户很容易就可以得到有关这方面的信息。另一方面，随着芯片和处理器大规模的生产，PLC生产制造商能够生产并提供开放网络的产品，让工业用户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的PLC产品。

    在为将PLC连接到Ethernet和Web上提供技术支持方面，Schneider公司已经成了先驱者之一。**近，该公司推出了一种运行于Premium PLC平台的新型**Ethernet(100 Mb/s)模件。该模件为PLC能够连接到TCP/IP的Ethernet提供了全双工自适应10/100Mb/s的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自动扫描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信协议的现场控制设备，采用一个嵌入式Web服务器提供HTML通信服务，同时提供了SNMP用于标准网络通信管理。在一次展览会上，Schneider公司还向工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。

    另外，Schneider公司**近还推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列处理器的适配器，该适配器提供了标准IEC程序控制性能，进一步为e-制造提供了完**解决方案。该适配器还提供了将智能化I/O系统和其他现场过程控制设备连接到Internet和Ethernet的能力，现场过程控制设备包括所有功能化实时过程控制器。

    几年前，Rockwell自动化公司也在其PLC产品中提供了Ethernet接口，而且正在坚定不移地稳步提高Ethernet的功能特性。该公司**近已经公布了一种柔性I/O模件解决方案，这种柔性I/O模件利用非专利版本的Ethernet技术能够提供实时过程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于标准Ethernet TCP/IP和UDP数据传输协议的组件，其应用层使用了一种开放式、面向对象、基于生产者/ 消费者的技术。这种技术在ControlNet、DeviceNet和FF现场总线H1网络系统中也能够找到。

三、置位/复位指令型顺序控制系统设计法

    1．步进阶梯设计图5a为用置位/复位指令设计的顺序控制系统步进阶梯。其设计依据也是图1所示的控制流程。该步进阶梯结构的特点是每步的辅助继电器都有一个置位线圈和一个复位线圈，二者编号相同。步1利用置位指令S使辅助继电器M1置位（即M1线圈得电后内部自锁），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号。当步2的转步主令信号发出（X2闭合），指令S使M2置位，建立步2程序，同时复位指令R使M1复位，撤销步1程序。同理可画出后续各步继电器置位/复位梯形图。当**后一步完成并回到原位（X1闭合）时，指令R使M4复位，系统的工作循环结束。

    2．输出阶梯设计图5b为输出阶梯结构，与图4b完全相同，不再赘述。

图5 置位/复位指令型顺序控制电路

    四、移位指令型顺序控制系统设计

    1．步进阶梯设计设计依据如图6所示。图7a为按图6所示要求采用移位指令设计法设计的顺序控制系统步进阶梯，这种步进阶梯由一个8位移位寄存器（由移位指令定义辅助继电器M20～M27而成）作为控制元件。该移位寄存器中的IN为移位数据输入端，CP为移位脉冲输入端，R为复位端。这三个输入端的输入信号均为脉冲上升沿有效。对顺序控制系统来说，输入IN的信号必须是一个单脉冲信号，即移位数据为“1”。起动步1时，IN和CP同时输入按钮信号X0的脉冲上升沿后，在IN端生成的移位数据“1”便移入移位寄存器的M20位，此时该位有输出（即输出M20的常开触点闭合信号），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号；M20的常闭触点即时断开IN输入端和CP的步1输入端，完成数据“1”输入和移位脉冲输入。从步2起，本步的转步主令信号一发出（X2接通），便输入一个移位脉冲上升沿，使原来移入M20位的数据“1”移入M21位，建立步2程序，并为步3提供步进条件信号。移位后，M20位的状态变为0，即其相应的步1被撤销，输出为0。依此类推便可实现整个步进阶梯逐步得电和逐步失电。**后一步完成并回到原位（X1接通）时，接通移位寄存器的复位端R，使移位寄存器复位清零，整个控制系统失电停止。

图6 移位顺序控制流程图

图7 移位指令型顺序控制电路

    设计这种步进阶梯时要注意以下问题：（1）在一个自动工作循环内，移位寄存器的移位数据输入端IN只允许起动时输入一个单脉冲信号。也就是说起动时只能输入移位数据“1”。步进阶梯的工作原理就是根据输入的数据“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位来实现逐步得电和逐步失电。所以输入端IN要串联每个移位输出位的常闭触点；（2）移位寄存器对移位脉冲输入端开关的抖动非常敏感。若开关抖动一次，相当于多输入了一个移位脉冲，移位数据“1”随之多移了一位。由于接点式开关被触发时难免产生抖动。为消除这种影响，在移位脉冲输入端的步1输入回路，必须串联移位寄存器0位（本例为M20）的常闭触点，一旦移位数据移入M20位，便断开步1的输入回路；而从步2开始，每步的输入回路也要串联上一位的常开触点。例如步2的输入回路要串联上一位M20的常开触点。这样，当移位到步2转步主令信号对应的M21位时，便立即断开步2的输入回路。采用这样的移位脉冲输入回路结构，可确保每步的转步输入信号持续时间只有PLC的一个扫描周期（一般只有几Mｓ），因开关的抖动时间远大于PLC的一个扫描周期。所以可有效地消除开关抖动的影响。

    2．输出阶梯设计图7b为输出阶梯，其结构与图4b相同，只是辅助继电器编号不同而已。

    结束语

    上述4种PLC顺序控制系统设计方法的共同特点是：

    （1）由输入继电器控制辅助继电器（包括由置位/复位指令和移位指令定义的辅助继电器），按此构成步进阶梯；

    （2）由辅助继电器控制输出继电器，以此构成输出阶梯；

    （3）无论步进阶梯还是输出阶梯，都是很有规律的回路结构。不管要设计的顺序控制系统有多少步，也不管其输入输出点数有多少，只要弄清各种设计方法所设计的步进阶梯和输出阶梯的回路结构的规律性，根据设计依据，套用其中任一种设计方法的回路结构，就能**地一次成功设计出较复杂的PLC顺序控制系统。

对可编程序控制器控制系统的可靠性探讨

   0、引言

    可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。

    1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的可靠性

    PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。

    1.1 工作环境的要求

    除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。

    1.2 电源的要求

    不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。

    对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的**电流，防止过电流造成设备的损坏。

    1.3 接地和接线

    1) PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；**禁止采用共通接地方法。如图1所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm²，接地电阻一般应小于10Ω。

             

图1 接地方法

    2) PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。

    1.4 冗余设计和降级操作设计

    1) 对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也同时运行，两者输出的结果一致时，表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，同时，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。

    2) 降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。

    1.5 PLC的I/O电路

    1) 由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图3的可靠性要比图2的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而**常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了系统的安全和可靠。

                              

图2 起、停控制线路                        图3 起、停控制线路

 

2) 在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。如图4所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。

(a) 交流输入方式                         (b) 直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式

    3) 在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二极管D，如图6所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。

图5 输出端交流感性负载                图6 输出端直流感性负载

    2、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性

    为了提高PLC控制系统工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的**时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。

图7 检测程序

    3、结语

    PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关，有些客观因素也干扰着控制系统的稳定性。通过设计正确的硬件线路，选择质量高的元器件，改善工作环境，编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高。

    参考文献

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逻辑操作
ALD OLD	电路块串联 电路块并联
LPS LRD LPP LDS	入栈 读栈 出栈 装载堆栈
AENO	对ENO进行与操作
ANDB    IN1，OUT ANDW    IN1，OUT ANDD    IN1，OUT	字节逻辑与 字逻辑与 双字逻辑与
ORB     IN1，OUT ORW     IN1，OUT ORD     IN1，OUT	字节逻辑或 字逻辑或 双字逻辑或
XORB    IN1，OUT XORW    IN1，OUT XORD    IN1，OUT	字节逻辑异或 字逻辑异或 双字逻辑异或
INVB    OUT INVW    OUT INVD    OUT	字节取反(1的补码) 字取反 双字取反
表、查找和转换指令
ATT     TABLE，DATA	把数据加到表中
LIFO    TABLE，DATA FIFO    TABLE，DATA	从表中取数据，后入先出 从表中取数据，先入先出
FND=    TBL，PATRN，INDX FND＜＞ TBL，PATRN，INDX FND＜   TBL，PATRN，INDX FND＞   TBL，PATRN，INDX	在表中查找符合比较条件的数据
BCDI    OUT IBCD    OUT	BCD码转换成整数 整数转换成BCD码
BTI     IN，OUT IBT     IN，OUT ITD     IN，OUT TDI     IN，OUT	字节转换成整数 整数转换成字节 整数转换成双整数 双整数转换成整数
DTR     IN，OUT TRUNC   IN，OUT ROUND   IN，OUT	双整数转换成实数 实数四舍五入为双整数 实数截位取整为双整数
ATH     IN，OUT，LEN HTA     IN，OUT，LEN ITA     IN，OUT，FMT DTA     IN，OUT，FMT RTA     IN，OUT，FMT	ASCII码→16进制数 16进制数→ASCII码 整数→ASCII码 双整数→ASCII码 实数→ASCII码
DECO    IN，OUT ENCO    IN，OUT	译码 编码
SEG     IN，OUT	7段译码
中断指令
CRETI	从中断程序有条件返回
ENI DISI	允许中断 禁止中断
ATCH    INT，EVENT DTCH    EVENT	给事件分配中断程序 解除中断事件
通信指令
XMT     TABLE，PORT RCV     TABLE，PORT	自由端口发送 自由端口接收
NETR    TABLE，PORT NETW    TABLE，PORT	网络读 网络写
GPA     ADDR，PORT SPA     ADDR，PORT	获取端口地址 设置端口地址
高速计数器指令
HDEF    HSC，MODE	定义高速计数器模式
HSC     N	激活高速计数器
PLS     X	脉冲输出
数学、加1减1指令
+I      IN1，OUT +D      IN1，OUT +R      IN1，OUT	整数，双整数或实数法 IN1+OUT=OUT
-I      IN1，OUT -D      IN1，OUT -R      IN1，OUT	整数，双整数或实数法 OUT-IN1 =OUT
MUL     IN1，OUT *R      IN1，OUT *I      IN1，OUT *D      IN1，OUT	整数乘整数得双整数 实数、整数或双整数乘法 IN1×OUT=OUT
MUL     IN1，OUT /R      IN1，OUT /I      IN1，OUT /D      IN1，OUT	整数除整数得双整数 实数、整数或双整数除法 OUT/IN1=OUT
SQRT    IN，OUT	平方根
LN      IN，OUT	自然对数
LXP     IN，OUT	自然指数
SIN     IN，OUT	正弦
COS     IN，OUT	余弦
TAN     IN，OUT	正切
INCB    OUT INCW    OUT INCD    OUT	字节加1 字加1 双字加1
DECB    OUT DECW    OUT DECD    OUT	字节减1 字减1 双字减1
PID     Table，Loop	PID回路
定时器和计数器指令
TON     Txxx，PT TOF     Txxx，PT TONR    Txxx，PT	通电延时定时器 断电延时定时器 保持型通延时定时器
CTU     Txxx，PV CTD     Txxx，PV CTUD    Txxx，PV	加计数器 减计数器 加/减计数器
实时时钟指令
TODR    T TODW    T	读实时时钟 写实时时钟
程序控制指令
END	程序的条件结束
STOP	切换到STOP模式
WDR	看门狗复位(300 ms)
JMP     N LBL     N	跳到指定的标号 定义一个跳转的标号
CALL    N(N1，…) CRET	调用子程序，可以有16个可选参数 从子程序条件返回
FOR     INDX，INIT，FINAL NEXT	For/Next循环
LSCR    N SCRT    N SCRE	顺控继电器段的启动 顺控继电器段的转换 顺控断电器段的结束

主令控制器的结构及其提升机构磁力控制器控制系统

一、 主令控制器的结构
主令控制器的结构示意图如图1 所示。主要由转轴、凸轮块、动触头及静触头、定位机构及手柄等组成。

图1 主令控制器的结构示意图
二、 提升机构磁力控制器控制系统
磁力控制器由主令控制器与磁力控制盘组成。将控制用接触器、继电器、刀开关等电器元件按一定电路接线，组装在一块盘上，称作磁力控制盘。
1 ．提升重物时电路工作情况
当 SA 手柄板到“上 1 ”档位时，控制器触点 SA3 、 SA4 、 SA6 、 SA7 闭合，接触器 KM1 、 KM3 、KM4 通电吸合，电动机接正转电源，制动电磁铁 YB 通电，电磁抱闸松开，短接一段转子电阻，当主令控制器手柄依次扳到上升的“上 2 ～上 6 ” 档时，控制器触点 SA8 ～ SA12 依次闭合，接触器 KM5 ～ KM9 相继通电吸合，逐级短接转子各段电阻，获得“上 2 ～上 6 ” 机械特性，得到 5 种提升速度。
2 ．下降重物时电路工作情况
（ 1 ）制动下降
（ 2 ）强力下降
3 ．控制电路的保护措施
（ 1 ）由强力下降过渡到制动下降，为避免出现高速下降的保护
（ 2 ）保证反接制动电阻串入的条件下才进入制动下降的联锁
（ 3 ）控制电路中采用 KM1 、 KM2 、 KM3 常开触点并联，是为了在“下 2 ” 、“下 3 ” 位转换过程中，避免高速下降瞬间机械制动引起强烈震动而损坏设备和发生人身事故。
（ 4 ）加速接触器 KM6 ～ KM8 的常开触点串接于下一级加速接触器 KM7 ～ KM9 电路中，实现短接转子电阻的顺序联锁作用。
（ 5 ）由电压继电器 KA2 与主令控制 SA 实现零压与零位保护，过电流继电器 KA1 实现过电流保护；行程开关 SQ1 、 SQ2 实现吊钩上升与下降的限位保护。

STEP7-Mirco/WIN软件程序状态显示功能

当程序下载至PLC后，可以用“程序状态”功能操作和测试程序网络。

1. 起动程序状态

1在程序编辑器窗口，显示希望测试的程序部分和网络。

    2PLC置于RUN工作方式，起动程序状态监控改动PLC数据值。方法如下：

2        2        单击“程序状态打开／关闭”按钮或用菜单命令“调试”→ “程序状态”，在梯形图中显示出各元件的状态。在进入“程序状态”的梯形图中，用彩色块表示位操作数的线圈得电或触点闭合状态。如：表示触点闭合状态，表示位操作数的线圈得电。

2        2        用菜单命令“工具” →“选项”打开的窗口中，可选择设置梯形图中功能块的大小、显示的方式和彩色块的颜色等。

     运行中的梯形图内的各元件的状态将随程序执行过程连续更新变换。

2. 用程序状态模拟进程条件（读取、强制、取消强制和全部取消强制）

通过在程序状态中从程序编辑器向操作数写入或强制新数值的方法，可以模拟进程条件。

2        2        单击“程序状态”按钮，开始监控数据状态，并启用调试工具。

（1）写入操作数：

2        2        直接单击操作数（不要单击指令），然后用鼠标右键直接单击操作数，并从弹出菜单选择“写入”。

（2）强制单个操作数：

2        2        直接单击操作数（不是指令），然后从“调试”工具条单击“强制”图标。

2        2        直接用鼠标右键单击操作数（不是指令），并从弹出菜单选择“强制”。

（3）单个操作数取消强制：

2        2        直接单击操作数（不是指令），然后从“调试”工具条单击“取消强制”图标。

2        2        直接用鼠标右键单击操作数（不是指令），并从弹出菜单选择“取消强制”。

（4）全部强制数值取消强制：

2        2        从“调试”工具条单击“全部取消强制”图标。

强制数据用于立即读取或立即写入指令指定I/O点，CPU进入STOP状态时，输出将为强制数值，而不是系统块中设置的数值。

注意：在程序中强制数值时，在程序每次扫描时将操作数重设为该数值，与输入／输出条件或其他正常情况下对操作数有影响的程序逻辑无关。强制可能导致程序操作无法预料，可能导致人员死亡或严重伤害或设备损坏。强制功能是调试程序的辅助工具，切勿为了弥补处理装置的故障而执行强制。**合格人员使用强制功能。强制程序数值后，务必通知所有授权维修或调试程序的人员。在不带负载的情况下调试程序时，可以使用强制功能。

3. 识别强制图标

被强制的数据处将显示一个图标。

（1）黄色锁定图标表示显示强制：即该数值已经被“明确”或直接强制为当前正在显示的数值。

（2）灰色隐去锁定图标表示隐式：该数值已经被“隐含”强制，即不对地址进行直接强制，但内存区落入另一个被明确强制的较大区域中。例如，如果VW0被显示强制，则VB0和VB1被隐含强制，因为它们包含在VW0中。

（3）半块图标表示部分强制。例如，VB 1被明确强制，则VW0被部分强制，因为其中的一个字节VB1被强制。

西门子PLC控制（无反馈的电动机星形——三角形起动器）举例

这个示例程序控制三相感应电动机的星形—三角形起动过程。当与输入点10.0相连的点动开关ON(开机)接通时，电动机绕组星形连接运转。经过预置时问5秒钟后，电动机绕组切换为三角形连接。 当关机点动开关OFF或电动机电路断路器(分别与输入点10.1和10.2相连)动作时，电动**机。当开机开关(ON)和停机开关(OFF)同时被按下时，电动机仍然处于停机状态。 程序框图 在每个扫描周期的起始处程序都要检查是否必须将内部存储器标志位M 10.0设置为互锁状态。当关泪L开关(10.1)和开泪L开关(10.0)同时动作时，M10.0被设置成互锁状态。自到这两个开关都恢复为初始状态，互锁才解除。互锁的作用是防比误操作。 内部存储器标志位M 11 .0用于开机过程。当与输入点10.0相连的开机点动开关闭合，且主电源起动器尚未接通时，将M 11 .0置位。当电动机绕组正处于星形一三角形连接切换时，也就是主电源起动器(Q0.0)和星形起动器(Q0.1)同时接通时，也将M 11 .0置位。 只有当电路断路器触点(10.2)和关机开关触点(10.1)都没有打开，且三角形起动器(Q0.2)没有工作时，M11.0才有可能被置位。 满足下述条件时输出Q0.1被置位，使星形起动器工作:用于开机过程的内部存储器标志位M 11 .0被置位;定时器丁37没有溢出(预置时问为5秒);且没有互锁标志(M10.0)。 用于开泪L过程的内部存储器标志位M 11 .0被置位时，只要没有互锁标志，限时定时器T37就开始计时(预置时问为5秒)。定时器丁37的基准时问是100ms，也就是说，当T37 的预置值为50时，实际预置时问就是5秒。 控制主电源起动器的输出触点Q0.0闭合的条件是:接在输入点I0.0上的开机点动开关和控制星形起动器的输出点Q0.1都己经闭合，与输入点I0.1相连的人停机点动开关没有动作，且与输入点I0.2相连的电动机电路断路器没有断开，同时没有互锁标志。 当主电源起动器闭合，星形起动器切除后，控制三角形起动器的输出点Q0.2被置位。