Siemens Automation And Drive Technologies

摘 要：本文介绍了一种基于西门子PLC的热泵供汽控制系统。对纸机供热系统进行了研究，采用一种新型的供汽系统——-热泵供汽系统，取代了传统三段供汽。该系统运用先进的控制方案，软硬件紧密结合，使系统性能进一步提高，特别适用于I/O点较多的大型纸厂。此系统已在浙江一纸厂应用，具有一定的推广价值。
关键词：热泵;三段供汽;DCS
引言
　　目前，在纸机干燥部普遍采用传统三段供汽方法，这种供汽方式能耗大，效率低，严重制约着造纸技术的向前发展。随着造纸技术的不断发展，出现了一种新的供汽方法——热泵供汽，这种供汽方法能够很好的解决传统三段供汽烘缸冷凝水排放不畅、能耗大、效率低的缺点，解决了传统串联式三段供热上下段之间相互影响的矛盾，各组烘缸的温度曲线调节十分方便。
1 热泵供汽性能分析
　　如图1，利用热泵替代阀门节流减压执行器所需品位和数量的蒸汽，利用蒸汽减压前后的能量差使其工作蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽，提高能级后再供生产使用。特别是在蒸汽喷射式热泵工作过程中，在闪蒸罐中将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸机烘缸加热，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水通畅排出。冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用。在热泵供汽系统中，各段纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依次产生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。如I段烘缸排出的蒸汽冷凝水进入一级冷凝水闪蒸罐，产生二次蒸发汽经热泵增压后供一段烘缸加热用，由一级闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水进入二级闪蒸罐进行多级闪蒸，热能得到了充分利用。

图1 三级闪蒸热泵供热系统工艺流程
1.分汽缸 2.一级闪蒸罐 3.二级闪蒸罐 4.三级闪蒸罐 5.冷凝水贮水罐 6.冷凝水水泵 7-9.热泵 10-16.差压排水器 17.分离器 18.真空泵 19.水封槽
2 系统设计
　　2.1 系统设计依据
　　纸幅在造纸机的网部成形并在压榨部脱水以后，大约尚有60%～80%的水分，然后在造纸机的干燥部用加热蒸发扩散的方法进一步脱去，使纸幅达到成品所需的94%左右的干度。湿纸页进入干燥部与烘缸接触干燥，要求干燥温度按一定的规律变化，称为干燥曲线。
　　要在生产过程中得到合适的干燥曲线（图2），首先要选择好烘缸的分组和各组的烘缸个数，其次是用自动化仪表去调节和稳定干燥曲线。为了便于排除烘缸内的冷凝水，还必须保持烘缸内汽压和冷凝水箱汽压之差，即跨过吸管的压力之差的稳定。

图2 各种纸张烘缸温度曲线
1-瓦楞纸2-新闻纸3-1号书写纸4-2号书写纸
　　2.2 系统硬件设计
　　2.2.1 系统组成
　　图3为DCS系统控制图，本系统中，各控制分部于上位机（操作员站）通过WinCC监控软件的OPC接口进行数据传送。OPC接口是OPC服务器实现的一套标准的COM接口，其基于OPC规范。OPC规范基于微软的COM技术，规范了过程控制和生产自动化软件与用OPC服务器实现的硬件驱动程序之间的接口，并且提供基于工业自动化应用的统一数据传输平台。只要工业自动化软件符合OPC规范，它不需要做任何修改就能一致地访问所有OPC服务器实现的硬件驱动程序。

图3 DCS系统控制图
　　2.2.2 CPU模块
　　本次设计应用西门子S7-400可编程序控制器构成热泵供汽DCS子系统。S7系列PLC是在S5系列基础上研制出来的。它由微型S7-200、中小型S7-300、中大型S7-400组成。其中结构紧凑、价格低廉的S7-200使用小型的自动化控制系统;紧凑型、模块化的S7-300是用于极其快速的过程处理或对数字处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。功能极强的S7-400适于大、中型自动控制系统。设计中使用的CPU为CPU414-2 ，型号6ES7414-2XG03-0AB0。
　　2.2.3 信号输入输出模块
　　本次控制I/0点分别为：部分流送：AI=20，AO=9，DI=80，DO=40;干部：AI=22，AO=19，DI=10，DO=5;
　　DI是将外部过程的数字量信号转换成可编程控制器CPU模块所需要信号，并传送给系统总线上。DI模块选择直流32点输入模块6ES7 321-1BL00-0AA0，其额定负载电压为24VDC。输入电压“1”范围13～30V，“0”范围-3～5V。共计4块。
　　DO是将CPU模块处理的内部数字量信号转换成外部过程所需的信号，并驱动外部过程的执行机﹑显示灯等负载。DO选择32点晶体管输出模块6ES7 322-1BL00-0AA0，输出点数为32点，额定电压24VDC。最大输出电流：“1”信号0.5A，“0”信号0.5mA,最小输出电流：“1”信号5mA。共计2块。
　　AI是将外部生产过程缓慢变化的模拟量信号转化为可编程序控制器内部的数字信号。设计选择SM331，8＊12位。共计7块。
　　AO是将PLC内部的数字结果转换成外部生产过程的模拟量信号。设计选择SM332 ，4＊12位模块6ES7。共计6块。
　　2.2.4 控制功能及策略：
　　本系统能实现以下几种控制功能
　　1）低选与分层调节的组合功能 本系统每组烘缸具有低选与分层调节的组合功能，其主要目的是解决纸机烘干部出现断纸时，系统会自动的去调节每组烘缸的排水能力，会自动的降低每组烘缸进汽压力，保证每个烘缸组在断纸时排水性能仍处于最佳状态。
　　2）高选功能 本系统第一组烘缸具有高选功能，第一组烘缸共有三个控制回路，第一个控制回路控制1#烘缸的进汽压力，第二个控制回路控制2#烘缸的进汽压力，第三个控制回路控制3#﹑4#烘缸的进汽压力，第一烘缸组首先利用其它四个热泵系统所吹泄出的少量蒸汽，当任何一个烘缸进汽压力不够时，通过高选功能自动打开补充新鲜蒸汽阀门进行补充，其目的主要是充分利用其它四个烘缸组尾汽和闪蒸蒸汽。
　　3）串级控制功能 PIC-101与纸张水分信号进行串级控制，即纸张水分信号作为PIC-101控制回路的外给定，PIC-101在外给定工作状态时PIC-101的压力大小由纸张水分来控制。
　　4）比值控制功能 PIC-102，PIC-103，与PIC-101实现了比值控制，即在PIC-102，PIC-103在外给定工作状态时，PIC-102，PIC-103只要设定好比例系数即可实现比值控制。在比值控制状态下，只要改变PIC-101压力设定值，其它所有烘缸组的压力设定值就按比例系数自动得到改变。如果系统在串级控制状态下所有烘缸组的压力就会随着纸张水分大小自动进行调节，无需人工干预，因此，纸机烘干部可以实现完全自动化。
　　5）断纸连锁功能 当烘干部断纸时，每5分钟PIC-101压力设定值下降50Kpa，直至PIC-101压力值降至50Kpa为止，纸机处于稳定状态。当断纸结束纸张全部经过烘干部时PIC-101的设定值自动恢复断纸前的压力设定值，并由纸张的水分大小来自动改变PIC-101的压力设定值，因此纸机很快就进入稳定状态。
　　2.3 系统软件设计
　　本次程序设计依据现场控制要求，使用结构化编程，程序结构层次清晰，部分程序通用化、标准化，易于修改、简化程序的调试。如图4所示，FC100是读模拟量输入程序，该程序用指针作为地址变量，且地址变量具有通用性。FC98是对读入的模拟量数据进行十次滤波。程序测试稳定，运行良好。

图4 系统软件设计图
　　2.4系统组态软件设计
　　根据工艺要求与控制，该系统有热泵供汽示意图﹑网络通讯状态图﹑报警指示图等。
　　该控制系统取消了常规仪表的记录与显示功能，将所有的压力﹑流量﹑液位﹑浓度等信号在计算机上以动态图形显示。系统的各种控制参数﹑工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时定时进行报表打印。
　　当有异常发生时，可立即以色变﹑闪烁等各种形式向操作人员报警。
　　操作员站键盘具有专用功能键，可直接调出画面，用户可根据需要任意指定目标画面。各个画面的展开键和滚动键使画面窗口的信息可以任意调出，滚动检索，提高了工作效率。
3 结论
　　该系统已应用于浙江一纸厂纸机干燥部，经过前期调试本系统运行稳定﹑抗干扰能力强，达到了预期的目标：一方面提高了系统的传热效率，另一方面提高了纸机烘缸转动时动平衡度，提高了车速，降低了能耗，并有利于烘缸中冷凝水的排出。
　　本文作者创新点：采用一种新型的供汽系统——-热泵供汽系统，取代了传统三段供汽。该系统运用先进的控制方案，软硬件紧密结合，使系统性能进一步提高，特别适用于I/O点较多的大型纸厂。实践证明：采用这种控制方案后，有效提高了系统的稳定性和传热效率。
参考文献
　　[1] 隆言泉. 造纸原理与工程。北京:中国轻工业出版社,1994
　　[2] 赵闪. SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC在锅炉计算机监控系统中的应用. 微计算机信息，2003,19（8）:24-25
　　[3] 于晓明. 三段供汽系统节能分析. 节能,2003,8,22-23
　　[4] 郑晟,巩建平, 张学. 现代可编程控制器原理与应用. 北京:科学出版社,2002

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一、 U/f恒定控制 

U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为U/f控制。恒定U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化; 其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 

二、转差频率控制 

转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。 

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。 

三、矢量控制 

矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流; It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。 

四、直接转矩控制 

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。　

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西门子变频器英文名：SIEMENS 有以下常用型号：

　　西门子变频器接线规范： 信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。
 

　　信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。

基本信息

　　1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。
 

     2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。
 

　　变频器的运行和相关参数的设置：
 

　　变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
 

　　控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。　
 

　　最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
 

　　最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
 

　　载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
 

　　电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
 

　　跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
 

　　西门子变频器MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。
 

　　它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。
 

　　主要特征：
 

　　200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；
 

　　矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；
 

　　高过载能力，内置制动单元；
 

　　三组参数切换功能。控制功能： 线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；
 

　　标准参数结构，标准调试软件；
 

　　数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；
 

　　独立I/O端子板，方便维护；
 

　　采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；
 

　　内置PID控制器，参数自整定；
 

　　集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；
 

　　具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；
 

　　可实现主/从控制及力矩控制方式；
 

　　在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；
 

　　灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；
 

　　快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；
 

　　有直流制动和复合制动方式提高制动性能。
 

　　保护功能：
 

　　过载能力为200％额定负载电流，持续时间3秒和150％额定负载电流，持续时间60秒；
 

　　过电压、欠电压保护；
 

　　变频器、电机过热保护；
 

　　接地故障保护，短路保护；
 

　　闭锁电机保护，防止失速保护；
 

　　采用PIN编号实现参数连锁。
 

　　西门子变频器MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。
 

　　主要特征：
 

　　380V-480V±10%，三相，交流，7.5kW-250kW；
 

　　风机和泵类变转矩负载专用；
 

　　牢固的EMC（电磁兼容性）设计；
 

　　控制信号的快速响应；
 

　　控制功能：
 

　　线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点v/f控制；
 

　　内置PID控制器；
 

　　快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸；
 

　　数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；
 

　　具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；
 

　　采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；
 

　　集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块；
 

　　灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能；
 

　　三组参数切换功能：电机数据切换，命令数据切换；
 

　　风机和泵类专用功能：
 

　　多泵切换 ；
 

　　旁路功能；
 

　　手动/自动切换；
 

　　断带及缺水检测 ；
 

　　节能方式；
 

　　保护功能：
 

　　过载能力为140％额定负载电流，持续时间3秒和110％额定负载电流，持续时间60秒;
 

　　过电压、欠电压保护；
 

　　变频器过温保护；
 

　　接地故障保护，短路保护；
 

　　I2t电动机过热保护；
 

　　PTC Y电机保护。
 

　　西门子变频器MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。
 

　　主要特征：
 

　　200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；
 

　　380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-11kW；
 

　　模块化结构设计，具有最多的灵活性；
 

　　标准参数访问结构，操作方便。
 

　　控制功能：
 

　　线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制；
 

　　磁通电流控制（FCC），可以改善动态响应特性；
 

　　最新的IGBT技术，数字微处理器控制；
 

　　数字量输入3个，模拟量输入1个，模拟量输出1个，继电器输出1个；
 

　　集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板；
 

　　具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程；
 

　　捕捉再起动"功能；
 

　　在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；
 

　　灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；
 

　　快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；
 

　　有直流制动和复合制动方式提高制动性能；
 

　　采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接。
 

　　保护功能：
 

　　过载能力为150％额定负载电流，持续时间60秒；
 

　　过电压、欠电压保护；
 

　　变频器过温保护；
 

　　接地故障保护，短路保护；
 

　　I2t电动机过热保护；
 

　　采用PTC通过数字端接入的电机过热保护；
 

　　采用PIN编号实现参数连锁；
 

　　闭锁电机保护，防止失速保护。
 

　　西门子变频器G120系列模块化设计，可灵活扩展
 

　　面向未来的驱动理念，用户可以在同一变频器系统中实现不断的创新。出众的维护和维修友好性。 应用：灵活驱动，适用于各种应用完全集成的安全保护功能，全球首款具有SS1和SLS功能的产品。 基于集成化的安全保护技术，设备运行更安全，操作更简便。 由于集成了安全保护功能，使具有安全保护的自动化和驱动系统的购建费用大大降低。也有效的保证了人机安全。应用：生产机械（包装机、纺织机），材料运输机械等。
 

　　PROFIBUS和PROFINET总线标准——全球首次将这两种总线通讯直接集成在变频器中。
 

　　更多节点，多种网络拓扑，具有更高的性能PROFIBUS和PROFINET的优点不见在于它是被众多用户广泛使用的总线，而且表现在其优化的工程和组态结构。它们使成熟的IT技术应用于工业领域，并使办公工具应用在工业控制中。
 

　　应用：远程控制生产机线和传动设备（例如汽车工业）。
 

　　再生能量回馈能力：该输出功率范围内全球独一无二。
 

　　节能，节省空间，无需制动电阻。采用创新的功率模块，可实现优化的能量回馈。全功率段都能实现换相整流，不产生任何系统干扰。而且所需线电流最小，与常规变频器相比，降低到80%。
 

　　应用：适用于车辆运输、离心机以及其它具有高惯性矩的生产机器的驱动。
 

　　采用全新冷却概念，鲁棒性大大增强。
 

　　通过外部散热片冷却功率模块，散热效率高。
 

　　功率部分的散热全部由外部散热片来完成，电子部分的冷却则通过系统对流，这使其可用于更加苛刻的气候环境。电子部分增加了牢固的涂层。
 

　　应用：可用于气候条件苛刻、具有空气污染的应用场合（例如纺织工业）
 

　　提供690V可选型
 

　　应用：标准的输入电压适合基本工业和过程工业的应用

故障分析

　　常见故障分析：
 

　　1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。　
 

　　2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。
 

　　3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。
 

　　小结：
 

　　1) 总之，在设计、安装、使用变频器时一定要遵从变频器使用说明书的指导。
 

　　2) 各电气设计人员，现场电气调试人员可以在此基础上完善此变频器参考。
 

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通过硬件和软件侦听的方法，分析PLC内部固有的PPI通讯协议，然后上位机采用VB编程，遵循PPI通讯协议，读写PLC数据，实现人机操作任务。这种通讯方法，与一般的自由通讯协议相比，省略了PLC的通讯程序编写，只需编写上位机的通讯程序资源

S7-226的编程口物理层为RS-485结构，SIEMENS提供MicroWin软件，采用的是PPI(Point to Point)协议，可以用来传输、调试PLC程序。在现场应用中，当需要PLC与上位机通讯时，较多的使用自定义协议与上位机通讯。在这种通讯方式中，需要编程者首先定义自己的自由通讯格式，在PLC中编写代码，利用中断方式控制通讯端口的数据收发。采用这种方式，PLC编程调试较为烦琐，占用PLC的软件中断和代码资源，而且当PLC的通讯口定义为自由通讯口时，PLC的编程软件无法对PLC进行监控，给PLC程序调试带来不便。
SIEMENS S7-200PLC的编程通讯接口，内部固化的通讯协议为PPI协议，如果上位机遵循PPI协议来读写PLC，就可以省略编写PLC的通讯代码。如何获得PPI协议？可以在PLC的编程软件读写PLC数据时，利用第三个串口侦听PLC的通讯数据，或者利用软件方法，截取已经打开且正在通讯的端口的数据，然后归纳总结，解析出PPI协议的数据读写报文。这样，上位机遵循PPI协议，就可以便利的读写PLC内部的数据，实现上位机的人机操作功能。
软件设计
系统中测控任务由SIEMENS S7-226PLC完成，PLC采用循环扫描方式工作，当定时时间到时，执行数据采集或PID控制任务，完成现场的信号控制。计算机的监控软件采用VB编制，利用MSComm控件完成串口数据通讯，通讯遵循的协议为PPI协议。
PPI协议
西门子的PPI（Point to Point）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写[5]。
其通讯数据报文格式大致有以下几类：
1、读写申请的数据格式如下：

SD LE LER SD DA SA FC DASP SSAP DU FCS ED
SD:(Start Delimiter)开始定界符(68H)
LE:（Length）报文数据长度
LER:（Repeated Length）重复数据长度
SD: (Start Delimiter)开始定界符(68H)
SA:（Source Address）源地址，指该地址的指针，为地址值乘以8
DA:（Destination Address）目标地址，指该地址的指针，为地址值乘以8
FC:（Function Code）功能码
DSAP:（Destination Service Access Point）目的服务存取点
SSAP:（Source Service Access Point）源服务存取点
DU:（Data Unit）数据单元
FCS:（Frame Check Sequence）校验码
ED:（End Delimiter）结束分界符（16H）
报文数据长度和重复数据长度为自DA至DU的数据长度，校验码为DA至DU数据的和校验，只取其中的末字节值。
在读写PLC的变量数据中，读数据的功能码为 6CH，写数据的功能码为 7CH。
2、PLC接收到读写命令，校验后正确，返回的数据格式为 E5H
3、确认读写命令的数据格式为：

SD SA DA FC FCS ED
其中SD为起始符，为10H
SA为数据源地址
DA为目的地址
FC为功能码，取5CH
FCS为SA+DA+FC的和的末字节
ED为结束符，取16H
PPI协议的软件编制
在采用上位机与PLC通讯时，上位机采用VB编程，计算机采用PPI电缆或普通的485串口卡与PLC的编程口连接，通讯系统采用主从结构，上位机遵循PPI协议格式，发出读写申请，PLC返回相应的数据。程序实现如下：
1、串口初始化程序：
MSComm1.CommPort = 1
MSComm1.Settings = "9600,e,8,1"
MSComm1.InputLen = 0
MSComm1.RThreshold = 1
MSComm1.InputMode = comInputModeBinary
PPI协议定义串口为以二进制形式收发数据，这样报文的通讯效率比ASCII码高。
2、串口读取数据程序，以读取VB100数据单元为例：
Dim Str_Read(0 To 32) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。
Str_ Read (32) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式：
Str_ Read (29) = (100*8) \ 256 ‘地址为指针值，先取高位地址指针
Str_ Read (30) = (100*8) Mod 256 ‘取低位地址指针
Str_ Read (24) = 1 ‘读取的数据长度（Byte的个数）
For I=4 to 30
Temp_FCS = Temp_FCS + Str_Read(i)
Next I
Str_Read(31)= Temp_FCS Mod 256 ‘计算FCS校验码，其它数组元素赋值省略。
68 1B 1B 68 2 0 6C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 0 4 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 8B 16
PLC返回数据 E5 后，确认读取命令，发送以下数据：
10 2 0 5C 5E 16
然后上位机VB程序接受到以下数据：
68 16 16 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 5 0 0 4 1 FF 4 0 8 22 78 16
首先识别目标地址和源地址，确认是这次申请的返回数据，然后经过校验检查，正确后解析出第26号数据（&H22）即为VB100字节的数据。
3、串口写入数据程序，以写VB100数据单元为例：
Dim Str_Write(0 To 37) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。
Str_Write (37) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式
Str_Write (35) = &H10 ‘要写入的数据值
68 20 20 68 2 0 7C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 5 5 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 0 4 0 8 C B9 16
PLC返回数据 E5 后，确认写入命令，发送以下数据：
10 2 0 5C 5E 16
然后上位机VB程序接受到以下数据：
68 12 12 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 5 1 FF 47 16
这是PLC正确接收并写入信息的返回数据。
4、串口接收程序：
在数据接收程序中，利用VB中MSComm控件，一次接收缓冲区中的全部数据，存放到数组形式的暂存单元中，然后分析每个元素的值，得到读写的数据。
Dim RCV_Array() As Byte
Dim Dis_Array As String
Dim RCV_Len As Long
RCV_Array = MSComm1.Input ‘取出串口接收缓冲器的数据。
RCV_Len = UBound(RCV_Array)
ReDim Temp(0 To UBound(RCV_Array))
For i = 0 To RCV_Len
Dis_Array = Dis_Array & Hex(RCV_Array (i)) & " "
Next i
Text1.Text = Dis_Array ‘接收到的数据送显示。
在程序的读写过程中，一次最大可以读写222个字节，目前给出的数据读写为整数格式。

数据类型 Str_ Read（27）
S 04H
SM 05H
I 81H
Q 82H
M 83H
V 84H
以上程序，是以读写PLC的V变量区为例，利用PPI协议还可以读写S7-200PLC中的各种类型数据，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等数据类型，能够直接读出以上变量中的位、字节、字、双字等，其中读位变量时，是读取该位所在的字节值，然后上位机自动识别出该位的值。按照读写的数据类型，其中Str_ Read（27）的值各不同：
在控制系统中，PLC与上位计算机的通讯，采用了PPI通讯协议，上位机每0.5秒循环读写一次PLC。PLC编程时，将要读取的检测值、输出值等数据，存放在PLC的一个连续的变量区中，当上位机读取PLC的数据时，就可以一次读出这组连续的数据，减少数据的分次频繁读取。当修改设定值等数据时，进行写数据的通讯操作。

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1 引言
　　可编程序控制器（programmable controller）简称plc是以微处理器为基础的新型控制装置，是将计算机技术应于工业控制领域的崭新产品。它集逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算功能为一体。另外还可以与其他计算机进行通信联网，这种通信不但包括不同的plc之间的数据交换，而且还包括plc与计算机之间的通信。本文介绍笔者使用vb6.0实现plc与上位机之间的通信，使运行人员通过油机配电屏的显示可以监测并控制远端设备的工作。

2 系统构成
　　本系统采用plc采集模拟信号、数据处理，通过串行通信口上传到计算机，计算机对传上来的数据进行分析、分类记入数据库，实时显示在配电屏上并提供数据查询。plc为s7－224,串行通信接口的信号线采用rs-485，此信号线为半双工，即不能同时接收和发送。将plc置于run状态，就可以将plc中存于发送缓冲区中的数据及信号送入上位机的串口，上位机通过串口通信程序接收这些数据后显示并通过数据库控件adodc的绑定，把数据记录到数据库，从而完成数据的采样。本工程所需采集的数据包括日常量、故障量和设备动作量。对于日常量需每时每刻的数据显示在配电屏的主控制平面上，以便工作人员观察实时数据，但是不需要把日常量都记入数据库，只需隔一段时间记录一次（在这里每隔半小时记录一次），对于故障量和设备动作量要求只要设备发生故障或动作就要记录到数据库，以便工作人员查询。

3 s7-200的通信方式与通信参数的设置
　　s7-200的通信功能很强大，有多种通信方式可供用户选择，包括单主站方式、多主站方式、使用调制解调器的远程通信方式等。本工程选择 step7-micro/win32支持的通信硬件pc/ppi电缆，它所支持的波特率有9.6kbps和19.2kbps，支持的协议为ppi协议，即点对点接口协议，基于开放系统互联模型osi。ppi是主/从协议，网络上的s7-200cpu均为从站，其他cpu、simatic编程器或td200 为主站。s7-200 cpu的通信端口采用rs-485信号标准的连接口，pc／ppi电缆把s7-200 计算机连接起来，通过使用接收中断、发送中断和字符中断等指令，自由端口通信可以控制s7-200cpu通信口的操作模式。本工程使用的是自由端口模式，允许在cpu处于run模式时通信口0使用自由端口模式，通过设定smb30的值，我们可以选择波特率、奇偶校验、每个字符的数据位和协议。cpu处于stop模式时，停止自由端口通信，通信口强制转换成ppi协议模式，此时，就可以向cpu中输入plc程序，实现编程软件对plc的编程和控制功能。在这里的通讯过程采用主从方式，即计算机为主机，plc为从机，只有主机计算机发送请求报文后，从机plc才向pc返回发送缓冲区中的数据。

4 自由端口模式下plc的通信
　　由于本工程使用的是pc/ppi电缆，所以要在plc的程序中考虑电缆的切换时间。plc接收到请求报文到它返回发送缓冲区的数据的延迟时间必须不小于电缆的切换时间。波特率为9600bps时，电缆的切换时间是2ms。在本工程的程序中是用定时中断实现切换延时的。
定时中断子程序:
network title ’定时中断程序int_2
ld sm0.0
dtch 10
xmt vb200, 0
　　当程序运行到“启动定时中断”（即atch int_2, 10）的语句时，就会跳到如上所示的中断子程序中，sm0.0是特殊存储器，该位始终为1，即只要plc处于run状态，这一开关即是接通的。xmt vb200, 0语句是用来发送数据到串口的，此时发送的是存储在以vb200为首地址的连续的存储空间中的数据，是通过端口0发送的。
　　另外为了提高通信的可靠性，我们需要使用到异或校验，即在通信的双方都将每一帧的每一个字符作异或校验，将两者进行对比，如果不相同则可以判定通信有误。
network1 network title ’求异或校验码的子程序fcs
ld sm0.0
movb 0, #xorc
bti #numb, #numi
for #temp1, +1, #numi
movb 0, #xorc ’用来把异或校验码
清零, 用bti#numb,
#numi将字节数
转换为整数
network2
ld sm0.0
xorb ＊#pnt, #xorc
incd #pnt
network3
next
　　for到next语句指明了一个循环，从这一帧的第一个字符开始（不包括起始字符）到该帧中最后一个字符作异或运算。通过调用这个子程序可以计算所指定的数据存储空间内的字符的异或校验码，如果在上位机中的vb程序中也有计算校验码的子程序，那么就可以比较这两次计算的校验码是否相同。可以使用语句（call fcs, &vb102, vb99, vb90）来调用该子程序，其中&vb102是指出子程序fcs进行校验的起始地址，vb99是用来存储需要异或的字节数，而vb90是用来存储计算出来的校验和。假设把从上位机接收到的校验码存储在vb91中，比较vb90和 vb91中的数据就可以检验这次通信是否正确。同样，我们可以使用这个子程序计算从plc中发送的数据的校验码，把它送到上位机中某一特定的地址中，在上位机中比较两个数据是否正确（在上位机的计算异或校验码的vb程序将在后面给出）。
　　因为报文的起始字符和结束字符只有8位，接收的报文数据区内出现与起始字符和结束字符相同的字符的几率很大，这就可能会是数据区字符与起始字符或结束字符发生混淆，为了避免这种情况，可以在发送数据前对数据作一下处理，把数据字符转换为bcd码，在s7-200中专门提供了整数与bcd码的转换指令，可以使用语句（ibcd vw200）就把输入的整数转换为bcd码，结果送入了vw200中。上位机接收到后需要将其转换回整数。
　　另外，在初始化时要注意自由端口通信协议的设定，一定要使通信过程中的波特率，数据位，奇偶校验及停止位与上位机vb以及通信线上中设定的参数相同，否则将不能实现通信过程，要么接收不到数据，要么会出现“下标越界”的错误。

5 上位机的通信部分采用vb语言编程
　　上位机通信接口部分采用vb语言来编写, 在vb中专门有一个控件microsoft comm control（简称mscomm控件）用来提供串行通信。在编程过程中只要设置mscomm控件的属性, 就可以实现串行通信。mscomm控件一般不包括在常用的工具框中, 需要在右边的工具框的空白处点击鼠标右键，选择components选项，就会出现components对话框，在其中的controls标签下就会找到 microsoft comm control6.0，选定它, 点击确定就可以把这一控件加入到右边的工具框中, 图标为。
　　用鼠标拖动这个图标到form中，即可设置其属性。在此控件众多的属性当中，需要重新定义的属性只有commport（传输数据的通信端口号）、settings（设置数据传输的波特率、奇偶校验、数据位以及停止位，注意，此参数一定要与plc通信程中设置的参数相一致）、 portopen（设置通信端口的状态）、inputmode（读取接收缓冲区的格式）等。本工程采用事件驱动方式处理接受信息，即把 rthreshold属性设置为非零的值，此时只要接收字符或传输线发生变化就会产生串口事件oncomm。通过查询commevent属性可以捕获这些通信事件。
　　在vb中实现异或计算的程序及注释如下:
nbyte（1）=ubound（sdata）+1 ’送数据区字节数
fcs=nbyte（1） ’校验码初始化
for i=2 to ubound（sdata）+2
nbyte（i）=sdata（i – 2） ’待发送数据报文数
组的数据区
fcs=fcs xor nbyte（i） ’异或运算, 求校验码
next
nbyte（i）=fcs ’送校验码
　　其中sdata为发送的数据数组的变量名称，for－next语句实现所发送的数据每一位都进行异或运算。这样就可以把发送数据的异或校验码送到plc中，在plc比较两次计算出的校验码是否相同，从而提高通信的可靠性。
　　本工程中把计算机向下发送控制命令的部分写成自定义函数send（xi）（i从1到6），在每一个需要发送控制命令的按钮处调用此函数，只是在send中参数设置为不同的控制数。

图1 设备动作状态接收表

　　图1为模拟一个油机配电屏控制面，该软件可以对三相输出电压、电流、功率因数这些实时信号进行采集、显示并存储，并对设备的动作状态、故障情况采集到数据库中。该控制面上方有一系列的控制按钮，点击某一按钮就会向下位机发送相应的控制命令，控制下位机动作。
　　在通信过程中，由于计算机为主机，而plc为从机，因此，plc只有在接收到计算机发送的信息后，才发送数据。计算机发送数据的次数并不是与其接收数据次数是一一对应的，计算机每点击一次发送控制命令的按钮（请参看图1）后，plc就要向计算机传输存于其缓冲区内的所有数据，而每引发一次 oncomm事件只能传输8个字节，因此假如plc的发送缓冲区中一共右50个数据，那么每要求向上传送一次数据，就会相应的引发7次oncomm事件，而且，每引发一次oncomm事件程序就会一直执行到end sub为止。这一点可以通过在发送数据的程序中加入测试语句 “debug.print‘start’”，在end sub前加一测试语句“debug.print‘end’”来验证，我们可以清楚的在立即窗口中发现每一个start后有7个end。

6 与数据库绑定的控件
　　采集数据的最终目的不仅要把需要显示的数据（比如:日常量）显示在界面上，另外还要把数据记录到数据库中，以备日后查询。显示数据的过程很容易实现，就是把接收缓冲区的内容按照事先约定好的顺序依次取出即可。要把数据记录到数据库就需要用到数据库绑定控件，在本工程中用到的是adodc控件，这一控件也不包括在常用的工具框中，仍然要依照加mscomm控件的方法把工具条microsoft ado data control6.0（sp4）（oledb）加到工具框中,然后就可以把这一控件拖入form（在本次工作中把adodc控件放在了程序运行时不显示的查询画面中，这样就可以同时完成记录到数据库和查询工作）中，通过设定adodc1的connectionstring（要求与事先建好的数据库所存储的地址相联接）、 commandtype（由于要向数据库写入数据因此要把它设置为2-adcmdtable）以及recordsource（如果指定的数据库包含多个表，就要选择一个与此adodc1相对应的表）属性（其他属性用默认值即可）就绑定完毕。
　　在编程序时，可以通过下面的语句把传递上来的信息整理并写进数据库:
if rcv（5） then
with adodc1
.recordset.addnew
.recordset（“设备名称”）=“断路器1”
.recordset（“动作状态”）=“合”
.recordset（“动作时间”）=now
.recordset.update
end with
end if
　　其中“设备名称”“动作状态”“动作时间”是所绑定的数据库的字段名，等号后面的值是满足条件语句时向所绑定的数据库的相应的字段所加的字段值，在本工程中在数组rcv中暂放了从接收缓冲区中接收到的所有数据，而rcv（5）所放置的是是否合断路器1这个动作信息，约定plc送上来的数据中 rcv（5）＝1表示合断路器1，因此有上述语句，其他的动作状态记录、故障状态记录及日常量记录与上述程序几乎相同，但是由于日常量不需要每时每刻都要记录到数据库，因此在日常量向数据库写入时用了静态变量count来计时，假如count的值每增加1时间就增加1s，要求每半个小时记录一次，那么就可以用count mod 1800 =0来实现这一时间的控制。

7 结束语
　　文中列出了笔者认为plc与计算机通信程序编写过程中需要注意的问题，并给出笔者认为有难度的程序代码，本工程已经成功的通过了测试，已交付使用。

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变频装置的节能效果十分明显，在大功率电机中采用变频调速电机，整个发电机组可节电30％。并且使用变频调速后，实现了电机的软启动，使电机工作平稳，电机轴承磨损减小，延长了电机使用寿命和维护周期。因此，变频调速技术在石油、冶金、发电、铁路、矿山等工业方面得到了广泛的使用。

1．电缆对称性设计

　　对于1.8／3KW及以下变频电机专用电缆，和对称3＋1芯和4芯电缆仅可用于主电源的输入缆，但最好使用对称结构电缆。变频器与变频电机问电缆均需采用对称电缆结构，对称电缆结构有3芯和3+3芯两种， 3+3芯电缆结构是将三大一小四芯绝缘线芯中第四芯（中性线芯）分解为三个截面较小的绝缘线芯，把三大三小线芯对称成缆，对于6／10kV变频电机专用电缆，该电缆结构与6／10kV普通电力电缆有所不同，普通电力电缆是将三根绝缘线芯采用铜带屏蔽后成缆，而变频电机专用电缆是由铜丝铜带屏蔽后挤包分相护套，然后对称成缆，对称电缆结构由于导线的互换性，有更好的电磁相容性，对抑制电磁干扰起到一定的作用，能抵消高次谐彼中的奇次频率，提高变频电机专用电缆的抗干扰性，减少了整个系统中的电磁辐射。

2．屏蔽结构的设计

1.8/3kV及以下变频电机专用电缆的屏蔽一般采用总屏蔽， 6/10kv变频电机专用电缆屏蔽由分相屏蔽和总屏蔽构成，分相屏蔽一般可采用铜带屏蔽或铜丝铜带组合屏蔽。总屏蔽结构可采用铜丝铜带组合屏蔽、铜丝编织屏蔽、铜带屏蔽、铜丝编织铜带屏蔽等，屏蔽层截面与主线芯截面按一定比例。此结构的屏蔽电缆可抗电磁感应、接地不良和电源线传导干扰，减小电感，防止感应电动势过大。屏蔽层既起到抑制电磁波对外发射的作用，又可作为短路电流的通道，能起到中性线芯的保护作用。6/10kV变频电机专用电缆，考虑到电缆在使用过程中经常受到径向外力作用，在电缆屏蔽层外增加镀锌钢带铠装层（在屏蔽层和钢带铠装层之间加隔离套）。钢带铠装主要是作为电缆的径向机械保护层，同时它也起到附加性总屏蔽作用，特别是钢带铠装和铜丝、铜带屏蔽，是采用了两种不同屏蔽材料，在电磁波屏蔽上起到一定的互补作用，屏蔽效果将更好。

3．电缆电气性能设计

　　1.8／3kV及以下变频电机专用电缆电气性能均按GB/Tl2706， 2002标准设计。6/10kV变频电机专用电缆在满足GBT/l2706．2002标准外， 增加了电容和电感等电性能要求。根据变频电机专用电缆的实际使用情况并参照GB/T 12706．2002和ABB日公司对电力传动电缆的技术条件，确定了电缆的电气性能参数。

4．电缆的主要制造工艺技求

　　在变频电机专用电缆生产过程中，绝缘线芯挤包工序、成缆工序等是最关键的工序。

绝缘线芯挤包工序绝缘线芯的质量将直接影响到电缆的电气性能。为了提高电缆的质量，我们选择高电性能绝缘材料生产，例如1.8/3kv变频电机专用电缆，采用10kV交联绝缘材料，6/10kv变频电机专用电缆采用35kv交联绝缘材料，导体屏蔽、绝缘屏蔽和绝缘材料均采用了进口材料。在生产过程中，我们特别注重原材料的净化，屏蔽与绝缘材料挤包紧密，控制绝缘偏心度和绝缘外径的均匀一致，这样可减少界面效应，提高电缆电气性能。

成缆工序变频电缆要求结构对称，成缆时必须保证绝缘线芯张力均匀，使成缆后的线芯长度尽量保持一致，否则会引起结构变化，导致电容和电感的不均匀性，影响电缆的电气性能。而且最好在具有退扭的成缆设备上完成。

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1 引言
西门子，在自动化领域应该是个享有盛誉的品牌，PLC、人机界面、变频器、伺服产品、自动化仪表等等，几乎涉及了自动化控制的所有领域，在各行业中也都赢得了良好的口碑。
西门子变频器以其稳定的性能，丰富的组合功能，良好的力矩特性，在变频器市场占据着重要的地位。并以其强大的品牌效应，打破了以前日本品牌变频器在中国市场上的垄断地位，据有关专业市场调研机构的统计，西门子的高低压变频器在中国市场上已位居第一。 Continue reading »

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Modbus主站协议指令使用来自S7–200PLC的下列资源：
 初始化Modbus从站协议使特定的CPU端口专用于Modbus主站协议通讯。
当CPU端口用于Modbus主站协议通讯时，它无法用于其它用途，包括与STEP7–Micro/WIN通
讯。MBUS_CTRL指令控制Port0的设定是Modbus主站协议还是PPI。 MBUS_CTRL_P1指
令(来自端口1库)控制将端口1分配给Modbus主站协议或PPI。
Modbus主站协议指令影响与所使用的自由端口通讯相关的所有SM位置。
 Modbus主站协议指令使用3个子程序和1个中断例行程序。
 Modbus主站协议指令要求约1620字节的程序空间来存储两个Modbus主站指令和支持例行
程序。
Modbus主站协议指令的变量要求284字节的V区块。该块的起始地址由用户指定，保留给
Modbus变量。
 S7–200CPU必须是固化程序版本为V2.0或更高版本，才能支持Modbus主站协议库(CPU
MLFB21x–2xx23–0XB0)。
Modbus主站库对某些功能使用用户中断。不得由用户程序禁止用户中断

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1 引言
PLC 控制系统的设计中，虽然接线工作占的比重较小，大部分工作还是PLC 的编程设计工作，但它是编程设计的基础，只要接线正确后，才能顺利地进行编程设计工作。而保证接线工作的正确性，就必须对PLC 内部的输入输出电路有一个比较清楚的了解。
我们知道，PLC 数字输入模块为了防止外界线路产生的干扰（如尖峰电压，干扰噪声等）引起PLC 的非正常工作甚至是元器件的损坏，一般在PLC 的输入侧都采用光耦，来切断PLC 内部线路和外部线路电气上的联系，保证PLC 的正常工作。并且在输入线路中都设有RC 滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误信号。 Continue reading »

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