西門子PLC卡件6ES7211-0AA23-0XB0

控制系統主要功能

    西門子S7-200系列PLC是西門子公司為用戶解決中小型自動化控制的主力產品。它具有運算速度快、功能齊全、性能可靠、可靈活組合等特點，在的中小型自動化控制領域應用非常廣泛。以下重點介紹S7-200系列PLC在旋挖鉆機上的應用。

    1、雙向高速計數信號檢測

    S7-214CPU模塊具有多路高速計數輸入檢測端口，可靈活設計實現多路單向、雙向計數信號的檢測。在旋挖鉆機上應用其雙向高速計數功能實現了上車回轉角度檢測、鉆頭鉆孔深度檢測。

    旋挖鉆機上車部分為液壓驅動的獨立旋轉機構。在設計中采用旋轉編碼器檢測其轉動角度，通過對編碼器A、B兩路脈沖信號的檢測，PLC的雙向高速計數輸入端可準確計算出旋挖鉆機上車的相對角度（0-360O）變化值。

    同時PLC的復位信號輸入端檢測編碼器的C相信號，在上車每次回轉至編碼器的一固定位置時將高速計數器內變量清零，可消除各種原因造成的計數誤差，保證計數的準確性。

    鉆頭鉆孔深度檢測的原理與上車回轉角度檢測基本相同，但復位信號采用按鈕輸入，由操作人員根據情況校準鉆頭深度零位值。在檢測運算中計數值為鉆頭深度變化值。

    2、左右控制手柄多路按鈕信號的檢測

    旋挖鉆機的控制主要通過駕駛座椅左右兩個控制手柄的多個按鈕控制實現，通過對PLC的指令編程，可轉換實現按鈕信號的上升沿、下降沿、延時控制等多種邏輯功能。

    3、外部傳感信號的檢測

    西門子S7-200系列PLC輸入信號檢測采用光耦隔離電流信號檢測，可隔離輸入信號線上因各種原因引起的非正常電氣信號，電流信號檢測方式可有效防止外部強干擾對正常信號的檢測。同時各輸入端輸入信號的濾波時間可根據需要分別設置。

    旋挖鉆機各機構動作頻繁、控制復雜，在使用中容易因誤操作造成設備損壞。在設計中對各機構關鍵部位均安裝了外部傳感裝置檢測其狀態，當出現緊急情況時PLC將通過外部傳感裝置信號控制相應機構立即保護動作，保護人身和設備安全。

    4、實現對液壓執行機構的控制

    西門子S7-200系列PLC的繼電輸出模塊可直接控制液壓系統的直流電磁線圈，只需在電磁線圈兩端并接外部抑制二極管，可較好的保護并延長內部繼電器觸點的使用壽命。

5、與PROFACE的GP系列液晶觸摸屏通訊實現方便、直觀的人機界面對話顯示。

利用214CPU模塊上的485通訊接口與PROFACE的GP系列液晶觸摸屏通訊，將PLC檢測計算的旋挖鉆機各參數直觀的顯示在觸摸屏上，同時可直接通過觸摸屏實現對液壓系統的控制和調試。

    plc在中聯重科ZR200型旋挖鉆機的應用中，能很好的實現所需的各種功能，以下為總結的設計體會。

    直流供電型PLC可正常工作在DC20.4V-28.8V的標稱值內，實際應用中可滿足旋挖鉆機DC24V的供電環境下，并能承受點火及作業過程中的各種干擾，非常適合工程機械的柴油發動機24V電源環境；豐富的高速計數端口適合與各種傳感裝置匹配進行信號檢測；CPU模塊內部集成的PPI通訊接口可實現多種方式的數據通訊，與多種觸摸屏端口方便的實現通訊傳輸

（ 1 ）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求

a ．被控對象就是受控的機械、電氣設備、生產線或生產過程。

b ．控制要求主要指控制的基本方式、應完成的動作、自動工作循環的組成、必要的保護和聯鎖等。對較復雜的控制系統，還可將控制任務分成幾個獨立部分，這種可化繁為簡，有利于編程和調試。

（ 2 ）確定 I/O 設備

根據被控對象對 PLC 控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。

（ 3 ）選擇合適的 PLC 類型

根據已確定的用戶 I/O 設備，統計所需的輸入信號和輸出信號的點數，選擇合適的 PLC 類型，包括機型的選擇、容量的選擇、 I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。

（ 4 ）分配 I/O 點

分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入 / 輸出分配表或者畫出輸入 / 輸出端子的接線圖。接著九可以進行 PLC 程序設計，同時可進行控制柜或操作臺的設計和現場施工。

（ 5 ）設計應用系統梯形圖程序

根據工作功能圖表或狀態流程圖等設計出梯形圖即編程。這一步是整個應用系統設計的**核心工作，也是比較困難的一步，要設計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的實踐經驗。

（ 6 ）將程序輸入 PLC

當使用簡易編程器將程序輸入 PLC 時，需要先將梯形圖轉換成指令助記符，以便輸入。當使用可編程序控制器的輔助編程軟件在計算機上編程時，可通過上下位機的連接電纜將程序下載到 PLC 中去。

（ 7 ）進行軟件測試

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。

三、 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

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。

(1) 梯形圖法：梯形圖法是用梯形圖語言去編制 PLC 程序。這是一種模仿繼電器控制系統的編程方法。其圖形甚至元件名稱都與繼電器控制電路十分相近。這種方法很容易地就可以把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是**方便的一種編程方法。

(2) 邏輯流程圖法：邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執行過程，反應輸入與輸出的關系。邏輯流程圖法是把系統的工藝流程，用邏輯框圖表示出來形成系統的邏輯流程圖。這種方法編制的 PLC 控制程序邏輯思路清晰、輸入與輸出的因果關系及聯鎖條件明確。邏輯流程圖會使整個程序脈絡清楚，便于分析控制程序，便于查找故障點，便于調試程序和維修程序。有時對一個復雜的程序，直接用語句表和用梯形圖編程可能覺得難以下手，則可以先畫出邏輯流程圖，再為邏輯流程圖的各個部分用語句表和梯形圖編制PLC 應用程序。

(3) 時序流程圖法：時序流程圖法使首先畫出控制系統的時序圖（即到某一個時間應該進行哪項控制的控制時序圖），再根據時序關系畫出對應的控制任務的程序框圖，**后把程序框圖寫成 PLC 程序。時序流程圖法很適合于以時間為基準的控制系統的編程方法。

(4) 步進順控法：步進順控法是在順控指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序，都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序段可以看成整個控制過程中的一步。從整個角度去看，一個復雜系統的控制過程是由這樣若干個步組成的。系統控制的任務實際上可以認為在不同時刻或者在不同進程中去完成對各個步的控制。為此，不少 PLC 生產廠家在自己的 PLC 中增加了步進順控指令。在畫完各個步進的狀態流程圖之后，可以利用步進順控指令方便地編寫控制程序。

2. 經驗法編程

經驗法是運用自己的或別人的經驗進行設計。多數是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。這里所說的經驗，有的是來自自己的經驗總結，有的可能是別人的設計經驗，就需要日積月累，善于總結。

PLC執行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段，PLC的掃描工作過程:

    （1）輸入采樣階段。在這一階段中，PLC以掃描方式讀入所有輸入端子上的輸入信號，并將各輸入狀態存入對應的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷斷。在程序執行階段和輸出刷新階段中，輸入映像存儲器與外界隔離，其內容保持不變，直至下一個掃描周期的輸入掃描階段，才被重新讀入的輸入信號刷新。可見，PLC在執行程序和處理數據時，不直接使用現場當時的輸入信號，而使用本次采樣時輸入到映像區中的數據。一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，否則可能造成信號的丟失。

   （2）程序執行階段。在執行用戶程序過程中，PLC按照梯形圖程序掃描原則，一般來說，PLC按從左至右、從上到下的步驟逐個執行程序。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序跳轉地址。程序執行過程中，當指令中涉及輸入、輸出狀態時，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應輸入端子狀態，從輸出映像寄存器“讀入”對應元件（“軟繼電器”）的當前狀態。然后進行相應的運算，運算結果再存入輸出映像寄存器中。對輸出映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態會隨著程序執行過程而變化。

    （3）輸出刷新階段。程序執行階段的運算結果被存入輸出映像區，而不送到輸出端口上。在輸出刷新階段，PLC將輸出映像區中的輸出變量送入輸出鎖存器，然后由鎖存器通過輸出模塊產生本周期的控制輸出。如果內部輸出繼電器的狀態為“1”，則輸出繼電器觸點閉合，經過輸出端子驅動外部負載。全部輸出設備的狀態要保持一個掃描周期。

西門子PLC卡件6ES7211-0AA23-0XB0

S7-200系列出色表現在以下幾個方面：
 

*的可靠性 極豐富的指令集 易于掌握 便捷的操作 豐富的內置集成功能 實時特性 強勁的通訊能力 豐富的擴展模塊

 

------S7-200系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，空調，電梯控制，運動系統。
 

------S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。

CPU單元設計

------集成的24V負載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執行器），CPU 221，222具有180mA輸出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分別輸出280，400mA。可用作負載電源。

不同的設備類型

------CPU 221~226各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。

本機數字量輸入/輸出點

------CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點，CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點，CPU 224具有14個輸入點和10個輸出點，CPU 224XP具有14個輸入點和10個輸出點，CPU 226具有24個輸入點和16個輸出點。

本機模擬量輸入/輸出點

------CPU 224XP具有2個輸入點，1個輸出點。

中斷輸入

------允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。

高速計數器

------CPU 221/222

------4個高速計數器（30KHz），可編程并具有復位輸入，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數，可連接兩個相位差為90°的A/B相增量編碼器

------CPU 224/224XP/226

------6個高速計數器（30KHz），具有CPU 221/222相同的功能。

CPU 222/224/224XP/226

------可方便地用數字量和模擬量擴展模塊進行擴展。可使用仿真器（選件）對本機輸入信號進行仿真，用于調試用戶程序。

模擬電位器

------CPU 221/222 1個

------CPU 224/224XP/226 2個

------CPU 221/222/224/224XP/226還具有

脈沖輸出

------2路高頻率脈沖輸出（大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現定位任務。

實時時鐘

------例如為信息加注時間標記，記錄機器運行時間或對過程進行時間控制。

EEPROM存儲器模塊（選件）

------可作為修改與拷貝程序的快速工具（無需編程器），并可進行輔助軟件歸檔工作。

電池模塊

------用于長時間數據后備。用戶數據（如標志位狀態，數據塊，定時器，計數器）可通過內部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。

 

 

編程：CPU 221/222/224/224XP/226

STEP 7-Micro/WIN32 V3.1編程軟件可以對所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能進行編程。同時也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1軟件包，但是它只支持對S7-21x同樣具有的功能進行編程。

STEP 7-Micro/DOS不能對CPU 221/222/224/224XP/226編程。如果使用PG/PC的串口編程，則需要使用PC/PPI電纜。

如果使用STEP 7-Micro/WIN32 V3.1編程軟件，則也可以通過SIMATIC CP 5511或CP 5611編程。在這種情況下，通訊速率可高達187.5kbit/s。

可以利用PC/PPI 電纜和自由口通訊功能把 S7-200 CPU 連接到許多和RS-232標準兼容的設備。 有兩種不同型號的 PC/PPI 電纜：

帶有RS-232口的隔離型 PC/PPI 電纜，用5個DIP開關設置波特率和其它配置項 （見下圖）。 帶有RS-232口的非隔離型 PC/PPI 電纜，用4個DIP開關設置波特率。 有關非隔離型PC/PPI電纜的技術規范，請參閱S7-200 可編程控制器系統手冊。