西門子6ES7321-1CH20-0AA0

技術(shù)規(guī)范

西門子正在開發(fā)自動監(jiān)測受電弓的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設(shè)計的,，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。電氣化列車有時使用類似但更加復(fù)雜的系統(tǒng),。

圖中所示為德國Groß Dölln電氣化公路延長測試段上的行駛場景,。

電氣化公路系統(tǒng)是西門子專為繁忙的貨運路線而開發(fā)的低排放解決方案。電動和混合動力卡車?yán)檬茈姽?，從高架?dǎo)線獲得電能,，這樣一來，它們在行駛過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,，尤為重要的是對受電弓進(jìn)行監(jiān)測，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)是一套廉價的緊湊型系統(tǒng),，可以沿道路廣泛部署，還可以同時檢測車輛是否得到授權(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,，受電弓都會在運行過程中發(fā)生磨損。特別是碳接觸片,，會因與高架導(dǎo)線接觸而磨損,。如果未能及時檢測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,。

這個系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設(shè)計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況,，防止對高架接觸導(dǎo)線造成損害,。電氣化列車有時使用類似但又復(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)測受電弓：攝像頭監(jiān)視接觸片的碳表面,；特殊算法評估磨損程度或初發(fā)損傷,。一旦各種系統(tǒng)提供了足夠的測量數(shù)據(jù)，該解決方案也將嘗試預(yù)測碳接觸片的更換時間,。這樣一來,，便可以根據(jù)磨損狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，盡可能延長接觸片的使用時間,。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)線都會產(chǎn)生過度磨損,。如果壓力太小,，接觸則會斷開，并且可能發(fā)生電弧,，這也會對連接兩側(cè)構(gòu)成應(yīng)力,。

該系統(tǒng)設(shè)計獨到，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進(jìn)行測量。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)行測量的合適位置,。受電弓工況數(shù)據(jù)會被發(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場運行這套監(jiān)測系統(tǒng)，并優(yōu)化自動分析功能,，包括評估接觸片的過程,。此后，公司計劃制造出一個功能齊備的原型,。

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

程序輸入 PLC 后，應(yīng)*行測試工作,。因為在程序設(shè)計過程中,，難免會有疏漏的地方。因此在將 PLC 連接到現(xiàn)場設(shè)備上去之前,，必需進(jìn)行軟件測試,，以排除程序中的錯誤，同時也為整體調(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)計和控制柜及現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整個系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試,，如果控制系統(tǒng)是由幾個部分組成,，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

1 ． PLC 型號的選擇

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,、時間繼電器,、計數(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)備實現(xiàn)工廠自動化聯(lián)網(wǎng)等情況下,，使用 PLC 控制是很必要的。

目前,，國內(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。機(jī)型的選擇可從以下幾個方面來考慮,。

（ 1 ）對輸入 / 輸出點的選擇

盲目選擇點數(shù)多的機(jī)型會造成一定浪費,。

要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點數(shù)，再按實際所需總點數(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 的點數(shù),。

另外要注意,，一些高密度輸入點的模塊對同時接通的輸入點數(shù)有限制，一般同時接通的輸入點不得超過總輸入點的 60 ％,； PLC 每個輸出點的驅(qū)動能力（ A/ 點）也是有限的,，有的 PLC 其每點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,。在選型時要考慮這些問題,。

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

（ 2 ）對存儲容量的選擇

對用戶存儲容量只能作粗略的估算,。在僅對開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中,，可以用輸入總點數(shù)乘 10 字 / 點＋輸出總點數(shù)乘 5 字 / 點來估算；計數(shù)器/ 定時器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個估算,；有運算處理時按（ 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 ）字左右的存儲容量來估算；有通信處理時按每個接口 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。對缺乏經(jīng)驗的設(shè)計者,，選擇容量時留有裕量要大些,。

（ 3 ）對 I/O 響應(yīng)時間的選擇

PLC 的 I/O 響應(yīng)時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間延遲（一般在 2 ～ 3 個掃描周期）等,。對開關(guān)量控制的系統(tǒng),，PLC 和 I/O 響應(yīng)時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題,。但對模擬量控制的系統(tǒng),、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個問題。

（ 4 ）根據(jù)輸出負(fù)載的特點選型

不同的負(fù)載對 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，如導(dǎo)通壓降小,，有隔離作用,，價格相對較便宜，承受瞬時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）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交,、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 CPU ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 PLC 的編程,、監(jiān)控和運行工作狀態(tài),。編程狀態(tài)時， CPU 只為編程器服務(wù),，而不對現(xiàn)場進(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 CPU ,，主機(jī)的 CPU 完成對現(xiàn)場的控制,，在每一個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),，在下一個掃描周期主機(jī)將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行控制,。計算機(jī)輔助編程既能實現(xiàn)離線編程,，也能實現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計算機(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 PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點數(shù)據(jù)的情況下,，整體式比模塊式價格低。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，要按實際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式,。

2 ．分配輸入 / 輸出點

一般輸入點和輸入信號,、輸出點和輸出控制是一一對應(yīng)的。

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

在個別情況下,，也有兩個信號用一個輸入點的，那樣就應(yīng)在接入輸入點前,，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個觸點先串聯(lián)或并聯(lián)）,，然后再接到輸入點。

（ 1 ）確定 I/O 通道范圍

（ 1 ）確定 I/O 通道范圍
不同型號的 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，查閱相應(yīng)的編程手冊,，決不可“張冠李戴”,。必須參閱有關(guān)操作手冊。
（ 2 ）部輔助繼電器
內(nèi)部輔助繼電器不對外輸出,，不能直接連接外部器件,，而是在控制其他繼電器,、定時器 / 計數(shù)器時作數(shù)據(jù)存儲或數(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)計的需要,，應(yīng)合理安排 PLC 的內(nèi)部輔助繼電器，在設(shè)計說明書中應(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。
（ 3 ）分配定時器 / 計數(shù)器
PLC 的定時器 / 計數(shù)器數(shù)量分別見有關(guān)操作手冊,。
7.3 PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計方法及步驟
7.3.1 PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計的方法
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。常見的主要有梯形圖法,、邏輯流程圖法,、時序流程圖法和步進(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,。

一個項目（Project）包括的基本組件有程序塊、數(shù)據(jù)塊,、系統(tǒng)塊,、符號表、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,、背景時間、密碼表,、脈沖截取位和輸出表等選項,。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,，還真耗費了一些時間,。

　　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),。比如說用常開點調(diào)用XMT，或者沒有對接收的故障狀態(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,?？蛻舯硎舅某绦虿⒉淮嬖谶@種情況。但是為了測試問題所在,，客戶下載了一個僅包含條件觸發(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)上運行客戶的特定 Windows 應(yīng)用程序

控制器和3個擴(kuò)展機(jī)架多可連接32個模塊：

 總共可將 3 個擴(kuò)展裝置（EU）連接到控制器（CC）。每個 CC/EU 可以連接八個模塊,。

通過接口模板連接：

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

動處理與擴(kuò)展裝置的通信,。

通過 IM 365 擴(kuò)展：

 1 個擴(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。

單獨安裝：

 對于單獨的 CC/EU,，也能夠以更遠(yuǎn)的距離安裝,。兩個相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：長達(dá) 

10m。

靈活的安裝選項：

 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,。

用于點到點連接的通信處理器