6ES7341-1BH02-0AE0使用手册

 PLC和DCS作为自动控制领域的重要控制设施，越来越广泛的应用在各种生产控制现场中。在制造业这个生产大系统中，它们已经成为了ue的控制工具。针对PLC和DCS系统的应用，我们常常有这样的疑惑：PLC与DCS之间有什么区别和联系?使用时到底哪些方面是需要我们特别注意的?现阶段制约其技术发展的瓶颈又是什么?对此，e-works与从事多年PLC和DCS应用研究工作的华南理工大学副教授杨红进行了交流，探寻PLC和DCS的发展之谜。

    首先，工欲善其事，必先利其器。对于PLC和DCS之间的区别我们必须有个清晰的界定，别看它们同为控制工具，实际功能却大相径庭。所谓分散控制系统(DCS)是融计算机技术、控制技术、通信技术、CRT技术为一体，它主要是针对生产过程进行监视、控制、操作和管理的一种控制系统。而PLC叫可编程逻辑控制器。DCS和PLC用相似的地方，就是软件组态的基本配置，但是DCS更强大。例如数据库生成，历史数据生成，图形生成，报表生成和控制组态等。PLC控制的对象一般都比较简单，DCS则可以控制企业的全部设备，成为中央枢纽。在生产控制的战场上它们一为将才，一为帅才，相互之间不存在谁控制谁。PLC可以给信号DCS，反过来DCS也可以给信号于PLC，两者互相配合，其主从关系主要取决于对设备的要求。

    PLC的发展十分迅速，随之也从技术上带来了各种挑战，谈到如何突破现阶段PLC的发展瓶颈时，杨教授提出我们应该放宽眼界，思考如何实现一个国家层面的、通用的、共性的、全面的PLC平台?一个PLC通用平台，无论是作为信息化产品、控制技术产品还是两化融合的骨干产品，都应该被重点关注。平台包括研发/设计、制造、应用三部分，并给出通用PLC平台具体产品目标要求(系统硬件、软件)、功能要求(硬件、软件的通用性技术指标，性能的先进性与可靠性指标)。

    回顾DCS的发展之路，各个技术阶段的划分很重要的一点就是依仗微处理器的位数增加，有人甚至提出微处理器更新换代一次，DCS技术就会升一级。对此杨教授认为DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器(过程站)对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS技术必然随着微处理器的技术不断更新换代以顺应新系统的需要。

四十多年来，PLC已成为实现工业控制的中坚力量。它的功能不断完善，应用领域不断扩大，对于工业控制技术的进步与社会发展所发挥的作用无可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年。PLC虽然有着它固有的优势，但面对客户需求的不断变化，PLC要想生存，就必须突破传统模式，积极求新求变以适应新的市场发展。而具有低成本优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。所谓嵌入式PLC 是指采用SoC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并能用IEC61131-3的标准编程语言编程的PLC.随着高性能的ARM 嵌入式微处理器的发展，笔者设计了新一代微型嵌入式PLC.本文介绍了嵌入式PLC的体系结构，包含其硬件设计和软件设计方案。
　　1 嵌入式PLC的硬件结构设计
　　1.1 微控制器芯片的选取
　　CPU是PLC的核心，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。本设计选用的是Philips公司生产的控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU芯片，它带有256kB嵌入的高速Flash存储器，16kB 片内SRAM.LPC2294采用144脚封装、具有极低的功耗以及多达112个通用I/O 口，9个边沿或电平触发的外部中断引脚，大为60MHz的工作晶振，多个32位定时器，PWM 单元，实时时钟和看门狗，转换时间低至2.44μs的8通道10位ADC、4 路CAN 接口， 另外具有2 路UART（16C550），高速I2 C （400kbit/s）及2路SPI总线。LPC2294丰富的硬件资源和完善的功能使这款微控制器特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线等场合。
　　1.2 硬件系统的整体结构
　　本系统以ARM 芯片LPC2294为CPU，设计为14路PNP型输入、10路继电器输出的基本模式。硬件总体结构包括：
　　电源及复位模块、ARM 微控制器、Flash存储器扩展模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS485接口及CAN接口通信模块等。

　　1.2.1 开关量输入输出接口电路
　　图2所示为一路开关量输入图。此部分电路前端为R、C组成的一阶滤波电路，防止外部干扰信号进入系统中。输入端外接的输入控制开关信号（直流24V）通过输入点10.0经限流电阻输入到光电耦合器（PC816）的输入端，M 为输入点10.0~10.7的公共输入端。因P0.23口被设置为输入模式且口线内部无上拉电阻，所以需要外接上拉电阻，防止口线悬空。当10.0输入端为24V时，光电耦合器中的光敏二极管导通，光敏晶体管输出端被拉为低电平，指示该路输入状态的LED被点亮，P0.23被置为低电平。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为 1.10.0输入端为0V时，P0.23为高电平，当CPU访问该路信号时，则将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为0.其余各个输入点所对应的电路及工作原理均相同。

　　并联在继电器线圈两端的二极管这里起续流作用。该模块的工作原理如下：当内部输出过程映像寄存器为1时，LPC2294端口P1.16输出0，光敏晶体管导通，继电器线圈得电，输出点接通；反之当内部输出过程映像寄存器为0时，端口P1.16输出1，继电器线圈失电，输出点断开。

　　需要注意的是，当LPC2294的GPIO 口初上电时，其输出端口的电压不稳定，这样易导致外部继电器误动作而引起外部设备工作不稳定。为此，我们设计了图4电路用来提高继电器输出的稳定性。

　　这是一个由NE555 定时器组成的单稳态电路，其中VCC5.0D端接图3中光电耦合器的集电极。其工作原理为：系统上电初始，2、6管脚电平不能突变，保持为低电平。分析 NE555的内部电路可知，此时输出端3管脚输出高电平，电路开始对R、C电路进行充电，随着时间的推移，管脚2、6的电平不断升高，当升至23VCC 时，输出端3管脚将翻转至低电平，使三极管导通，VCC5.0D输出5V.这样，系统上电后经过一段时间，I/O口的电平稳定下来之后，光电耦合器才得电开始工作。暂稳态的持续时间tW取决于外接电阻R 和电容C的大小。tW等于电容电压在充电过程中从0上升到23VCC所需要的时间，

　　1.2.2 模拟量输入电路设计
　　先通过电阻R66，将现场传感器输出的电流信号转换为0~5V电压信号进行采集。考虑到抗干扰及对微处理器电路的保护，在转换电路的输出端加了线性光耦HCNR201。

　　1.2.3 串行通讯接口电路设计
　　为了能与其它工业控制产品兼容，我们设计时采用了RS-485接口标准。为了将TTL电平转换成 RS485电平，选用了SP485E 收发器。SP485E 芯片的数据传输速率可高达10Mbps，其大的特点是在为发送器输出和接收器输入管脚提供了ESD保护电路。

   可编程逻辑控制器是一种集成化的小型智能控制系统。是专门应用于工业环境的一种可进行二次开发的控制器。它集成化程度高抗干扰能力强。

     通常通过数字量或模拟量的输入，用以控制数字量或模拟量输出，达到控制现场的设备的工作。其可靠的抗干扰设计使其在现场的复杂的干扰条件下也能够稳定地工作。但在工业现场中，存在着各式各样的干扰。如大电流浪涌、强磁场干扰、高电压浪涌、高频率脉冲串干扰、等等各种干扰使得PLC在现场的长期使用受到影响。一些大中型的系统都会设计一定的容错机制，但在现场中，这些干扰还是有办法去减低或消除的。以下主要讨论各种干扰的产生原因及相应的抗干扰措施
 

干扰的类型

       在工业环境中，可编程控制器所受的干扰主要分为传导型和辐射型二中。顾名思义，传导型干扰就是通过电气线路进入PLC系统的干扰信号；辐射型干扰是通过空间感应进入PLC系统的干扰信号。

       1. 传导型干扰通过各种电气线路进入PLC系统，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰。

       1） 供电干扰 PLC系统本身一般都配备有专用的电源模块，用于给PLC系统提供直流稳压电源，如西门子公司的S7系列PLC，提供不同容量的电源模块给PLC提供稳定的直流电源。虽然如此，但从交流供电网络传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流后传入PLC控制器，影响PLC的运行。此种干扰信号主要来源于附近大容量电气设备的开、停，负载的突然变化，供电系统中断路器对供电线路的开断和接通，雷击或雷电感应产生的冲击电流等，在严重时甚至使PLC控制器的RAM存贮器中的程序丢失或紊乱，造成难以估量的损失。

       2）强电干扰
       线路中继电器、接触器等感性负载，其控制电压一般是交流220V，感性负载在断电时会产生过电压和冲击电流，影响驱动电路，还会通过电磁感应干扰其它线路，甚至会进入PLC控制器，影响PLC的正常功能。

       3）接地干扰接地方式不当，容易形成接地环路，产生接地干扰。如果接地点相隔较远时，则不同位置的接地点的电位不相等，从而形成接地电位差。

       2. 辐射型干扰通过空间感应进入PLC系统的干扰。PLC控制系统一般安装于电气控制柜内，同时它的输入输出信号线常与动力线路在同一桥架内并排敷设，PLC系统和其输入输出信号线附近必定存在有较强的磁场、电场、静电场或电磁波辐射源，在安装中若未认真考虑干扰的问题，常会由于干扰的存在，影响PLC对控制信号的采集和其控制功能的正常发挥。特别是大功率感性负载的通断，引起磁场的急剧变化，接触器触点产生的电火花产生高频辐射对PLC系统的影响。
 

三. 抗干扰的主要方法

       1.供电方面主要的措施是稳压、滤波、隔离。

       1）选用质量好、工作可靠的电子交流稳压器，用以给PLC系统提供稳定的交流电压，稳压器不仅可以提供稳定的电压，同时可以消除高频脉冲的干扰。

       2）增加低通滤波器，用来滤去交流电源中的高频分量或脉冲电流。对于直流供电，可用电容滤波，消除干扰对PLC系统的影响。

       3）增加隔离变压器。在电源接入PLC系统前加装隔离变压器，其初级屏蔽层接中性线，二次侧屏蔽层与PLC系统共地，用以阻断干扰的传导通路，并抑制干扰信号的强度。同时配合使用低通滤波器.

       4）选用稳定的交流电源。PLC系统的电源与动力线路分别引自不同的变压器，可以避免大感性负载的启停对供电电源的影响。实际中可能只有一台变压器，可以采用从配电母排上引专用线的方法，尽量减小干扰的影响。
 

       2. 强电干扰方面主要采取以下措施：

       1）在电感性负载旁并联一阻容吸收装置或二极管、稳压管，用来吸收瞬时过电压。

       2）采用光电耦合的办法进行隔离。

       3.接地干扰通常采用单点接地，避免接地点相隔太远。在接地点相隔较远时，增加导线截面，以减小电阻。
 

       4. 辐射型干扰

       1）PLC系统安装于单独的箱体中，制作箱体的材料使用薄铁板或钢板等导磁材料，可以防止外界磁场的干扰。

       2）对于PLC模拟信号线和通讯电缆，使用屏蔽线，并将屏蔽层单端接地。

       3）讲究布线方式。屏蔽线尽可能远离大功率，尽量避开动力线路单独敷设，若与动力线路不能分开布设时，可使用镀锌管敷设，既可防止干扰，又可保护线路干扰的存在是多种多样的，干扰的消除方式也有很多方法。如以上的干扰的解决办法使得在现场的布线及安装中如能尽可能地考虑进去，那么你的系统的可靠性将会得到极大的提高。