西門子6ES7321-1CH20-0AA0

技術規范

西門子正在開發自動監測受電弓的系統。這個系統最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止接觸導線損傷。電氣化列車有時使用類似但更加復雜的系統。

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。

電氣化公路系統是西門子專為繁忙的貨運路線而開發的低排放解決方案。電動和混合動力卡車利用受電弓，從高架導線獲得電能，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行監測，以防止因高架導線受損而致使道路封閉。電氣化公路系統是一套廉價的緊湊型系統，可以沿道路廣泛部署，還可以同時檢測車輛是否得到授權。在不久前舉辦的2014年度 Innotrans貿易展上，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生磨損。特別是碳接觸片，會因與高架導線接觸而磨損。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致接觸問題，從而損壞高架導線的接觸導線。情況下，高架接觸導線甚至可能斷裂。

這個系統最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止對高架接觸導線造成損害。電氣化列車有時使用類似但又復雜得多的系統。

特殊攝像頭監視接觸片

該系統通過兩種方式監測受電弓：攝像頭監視接觸片的碳表面；特殊算法評估磨損程度或初發損傷。一旦各種系統提供了足夠的測量數據，該解決方案也將嘗試預測碳接觸片的更換時間。這樣一來，便可以根據磨損狀態進行維護，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線的垂直偏轉。據此可以推斷出接觸導線承受的壓力。如果受電弓對接觸導線施加的壓力太大，那么，碳層和高架接觸導線都會產生過度磨損。如果壓力太小，接觸則會斷開，并且可能發生電弧，這也會對連接兩側構成應力。

該系統設計獨到，可以安裝在高架導線的電線桿和橋上，以便沿著道路在盡可能多的地點進行測量。這樣就可以得出更多關于高架導線狀況的信息，譬如，高架接觸導線的懸掛情況。就電氣化列車而言，火車站或車輛段入口都是進行測量的合適位置。受電弓工況數據會被發送至控制中心、維護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測系統，并優化自動分析功能，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的。
分配好后，按系統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，那樣就應在接入輸入點前，按邏輯關系接好線（如兩個觸點先串聯或并聯），然后再接到輸入點。

程序輸入 PLC 后，應*行測試工作。因為在程序設計過程中，難免會有疏漏的地方。因此在將 PLC 連接到現場設備上去之前，必需進行軟件測試，以排除程序中的錯誤，同時也為整體調試打好基礎，縮短整體調試的周期。

（ 8 ）應用系統整體調試

在 PLC 軟硬件設計和控制柜及現場施工完成后，就可以進行整個系統的聯機調試，如果控制系統是由幾個部分組成，則應先作局部調試，然后再進行整體調試；如果控制程序的步序較多，則可*行分段調試，然后再連接起來總調。調試中發現的問題，要逐一排除，直至調試成功。

（ 9 ）編制技術文件

系統技術文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細表、 PLC 梯形圖。

@
PLC 硬件系統設計

1 ． PLC 型號的選擇

在作出系統控制方案的決策之前，要詳細了解被控對象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進行控制。

在控制系統邏輯關系較復雜（需要大量中間繼電器、時間繼電器、計數器等）、工藝流程和產品改型較頻繁、需要進行數據處理和信息管理（有數據運算、模擬量的控制、 PID 調節等）、系統要求有較高的可靠性和穩定性、準備實現工廠自動化聯網等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。

目前，國內外眾多的生產廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權衡利弊、合理地選擇機型才能達到經濟實用的目的。一般選擇機型要以滿足系統功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機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

盲目選擇點數多的機型會造成一定浪費。

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

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載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環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。在僅對開關量進行控制的系統中，可以用輸入總點數乘 10 字 / 點＋輸出總點數乘 5 字 / 點來估算；計數器/ 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 字以上的數量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。對缺乏經驗的設計者，選擇容量時留有裕量要大些。

（ 3 ）對 I/O 響應時間的選擇

PLC 的 I/O 響應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。對開關量控制的系統，PLC 和 I/O 響應時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應問題。但對模擬量控制的系統、特別是閉環系統就要考慮這個問題。

（ 4 ）根據輸出負載的特點選型

不同的負載對 PLC 的輸出方式有相應的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優點，如導通壓降小，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，其負載電壓靈活（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

離線編程示指主機和編程器共用一個 CPU ，通過編程器的方式選擇開關來選擇 PLC 的編程、監控和運行工作狀態。編程狀態時， CPU 只為編程器服務，而不對現場進行控制。編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機和編程器各有一個 CPU ，主機的 CPU 完成對現場的控制，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給主機，在下一個掃描周期主機將按新的程序對現場進行控制。計算機輔助編程既能實現離線編程，也能實現在線編程。在線編程需購置計算機，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應根據需要決定。

（ 6 ）據是否聯網通信選型

若 PLC 控制的系統需要聯入工廠自動化網絡，則 PLC 需要有通信聯網功能，即要求 PLC 應具有連接其他 PLC 、上位計算機及 CRT 等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。

（ 7 ）對 PLC 結構形式的選擇

在相同功能和相同 I/O 點數據的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優點，要按實際需要選擇 PLC 的結構形式。

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的。

分配好后，按系統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，那樣就應在接入輸入點前，按邏輯關系接好線（如兩個觸點先串聯或并聯），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，應根據所選 PLC 型號，查閱相應的編程手冊，決不可“張冠李戴”。必須參閱有關操作手冊。
（ 2 ）部輔助繼電器
內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 / 計數器時作數據存儲或數據處理用。
從功能上講，內部輔助繼電器相當于傳統電控柜中的中間繼電器。
未分配模塊的輸入 / 輸出繼電器區以及未使用 1 ： 1 鏈接時的鏈接繼電器區等均可作為內部輔助繼電器使用。根據程序設計的需要，應合理安排 PLC 的內部輔助繼電器，在設計說明書中應詳細列出各內部輔助繼電器在程序中的用途，避免重復使用。參閱有關操作手冊。
（ 3 ）分配定時器 / 計數器
PLC 的定時器 / 計數器數量分別見有關操作手冊。
7.3 PLC 軟件系統設計方法及步驟
7.3.1 PLC 軟件系統設計的方法
在了解了 PLC 程序結構之后，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
圖解法是靠畫圖進行 PLC 程序設計。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順控法。

西門子SM321數字量輸入模塊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、數據塊、系統塊、符號表、狀態圖表、交叉引用表。程序塊、數據塊、系統塊須下載到PLC，而符號表、狀態圖表、交叉引用表不下載到PLC。

程序塊由可執行代碼和注釋組成，可執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”圖標可以插入子程序和中斷程序。

數據塊由數據（包括初始內存值和常數值）和注釋兩部分組成。

數據被編譯后，下載到可編程控制器，注釋被忽略。

系統塊用來設置系統的參數，包括通信口配置信息、保存范圍、模擬和數字輸入過濾器、背景時間、密碼表、脈沖截取位和輸出表等選項。系統塊如圖1所示。

2        2        單擊“瀏覽欄”上的“系統塊”按鈕，或者單擊“指令樹”內的“系統塊”圖標，可查看并編輯系統塊。

系統塊的信息須下載到可編程控制器，為PLC提供新的系統配置。

圖1  “系統塊”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置串口的工作模式，安排發送和接受指令的觸發順序，還要設定接收的起始和結束條件。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。

　　客戶反應在編寫了自由口通信程序之后，PLC可以發送數據給通信伙伴，但是卻收不到任何伙伴方發出的數據。能發送數據給對方，說明通信端口設置沒有問題。極有可能是端口被其他通信指令占用導致無法進入接收狀態。比如說用常開點調用XMT，或者沒有對接收的故障狀態進行判斷并終止接收，從而導致后續的XMT和 RCV都無法被正確執行。客戶表示他的程序并不存在這種情況。但是為了測試問題所在，客戶下載了一個僅包含條件觸發RCV的程序下去

必須在裝置 3 中鏈接各種總線系統。由于需要在選定系統上運行客戶的特定 Windows 應用程序

控制器和3個擴展機架多可連接32個模塊：

 總共可將 3 個擴展裝置（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

動處理與擴展裝置的通信。

通過 IM 365 擴展：

 1 個擴展裝置遠擴展距離為 1 米；電源電壓也通過擴展裝置提供。

通過 IM 360/361 擴展：

 3 個擴展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的遠距離為 10m。

單獨安裝：

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

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/工業以太網總線系統的通信處理器。

用于點到點連接的通信處理器