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西門子S7-1200模塊6ES7211-1BE40-0XB0

作為通用工業控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現了工業控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業控制領域的主流控制設備，在世界各地發揮著越來越大的作用。

   1. 可編程控制器的定義

   可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在1987年電工委員會（）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：

   “PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。"

   2. PLC的特點

   2.1可靠性高，抗干擾能力強

   高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了*的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均*時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均*工作時間則。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有*的可靠性也就不奇怪了。

   2.2配套齊全，功能完善，適用性強

   PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

   2.3易學易用，深受工程技術人員歡迎

   PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。

   2.4系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造

   PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。

   2.5體積小，重量輕，能耗低

   以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

   3. PLC的應用領域

   目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。

   3.1開關量的邏輯控制

   這是PLC基本、廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

   3.2模擬量控制

   在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

   3.3運動控制

   PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

   3.4過程控制

   過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

   3.5數據處理

   現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

西門子S7-1200模塊6ES7211-1BE40-0XB0

確定基準電位點很重要

今天，一個新來的同事找我討論模擬量模塊的問題，他在上遇到了一些麻煩，用戶打電話反映在現場的S7 300模擬量模塊讀數不變化，怎么折騰都讀數是32767。盡管模擬量模塊大家都很熟悉，但是類似的問題還經常有用戶反應。翻了翻手邊的資料，似乎沒有系統講解這個問題的，于是把自己的經驗歸納總結一下。

關于讀不出值的問題，如果總是32767沒有變化，其實值已經有了，只不過是超量程了。如果值為0，那就要注意模擬量是否有問題了，使用萬用表測量現場信號并沒有超限。為什么會出現這兩種現象呢？這是因為選擇的參考電位不同，例如，現場過來的信號為5V，那首先要問一下，基準點是幾伏？10~15是5V，-10~ -5同樣也是5V，如果測量端基準點是0V，那么測量就會有問題，所以一定要保證兩端等電位。模擬量模塊的基準電位點就是MANA  ，所有的接線都與之有關。

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隔離與非隔離問題系列

這里的隔離是指模擬量模塊的基準電位點MANA  與地（也是PLC的數據地）隔離。隔離模塊MANA  與地M可以不連接，以MANA  作為測量端的參考電位；非隔離模塊MANA  與地M必須連接， 這樣地M 變為MANA作為測量端的參考電位。隔離模塊的好處就是可以避免共模干擾。如何知道模塊是否是隔離模塊，例如SM331模塊，可以從模板規范中查到。S7-300中只有一款SM334（SM355除外）模塊是非隔離的，此外CPU31XC集成的模擬量也是非隔離的，共同特點就是模塊的輸出和輸入公用M端。

同樣傳感器也有隔離與非隔離的問題。通常非隔離的傳感器電源的負端與信號的負端公用一個端子，例如傳感器有三個端子 L， M 和S+，通過L， M端子向傳感器供電，S+，M為信號的輸出，公用M端。判斷傳感器是否隔離還是參考手冊。隔離傳感器信號負端與地M可以不連接，以信號負端作為信號源端的參考電位。非隔離傳感器信號負端必須在源端（設備端）接地，以源端的地作為信號的參考電位。

下面就是如何保證測量端與信號源端等電位接線的問題。在下面建議的連接圖中所用的縮寫詞和助記符含義如下：

M +： 測量導線（正）

M -：  測量導線（負）

MANA： 模擬量模塊基準電位點

這里需要注意MANA  ，不同的接線方式都是以MANA  為參考基準電位。

M：    接地端子

L +： 24 VDC電源端子

UCM： MANA與模擬量輸入通道之間或模擬量輸入通道之間的電位差

UCM共模電壓，有兩種：

1）不同輸入信號負端的電位差，例如一個輸入信號為3V，另一個輸入信號也為3V，但是它們的基準點電位可能不同，可能是1~4V或3~6V,那么它們之間的共模電壓為2V。

2）輸入信號負端與MANA的電位差。

模塊的UCM  是造成模擬量值超上限的主要原因。不同模塊UCM  的值不同。

UISO： MANA和CPU的M端子之間的電位差

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使用隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器

隔離傳感器與隔離模擬量信號連接圖如圖1所示：

圖1 連接隔離的傳感器至隔離的模擬量輸入模塊

，都與地隔離，都不需要接地，但是輸入信號（傳感器）負端與MANA  電壓超過UCM限制，例如SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）為2.5 VDC，就需要短接信號負端與MANA  ，否則會出現超上限問題。現場可以查看一下，幾乎所有超上限問題都是沒有連接信號負端與MANA  。如果UISO   超過限制，例如75V DC，就需要連接信號負端、MANA 端以及接地端M，這時模塊以大地M端為參考電位，實際變為非隔離使用了，這種情況很少見。

有的模塊通道組間都是隔離的，沒有MANA  ，例如模塊6ES7331-7NF10-0AB0，接線如圖2所示：

這時每一個通道組（每組2通道）的M-就是MANA ，輸入通道組間UCM 為以達到75VDC。

都隔離的情況下連接信號負端與MANA 端就可以了(2線制和電阻測量除外)。手冊每個模塊接線圖中MANA都是建議接地的，我認為這是在接地良好、不會產生共模電壓（例如單端接地）的情況下。

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使用非隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器

這回我來講講使用非隔離的模擬量模塊連接隔離的傳感器的情況，模塊的MANA與地M不隔離，這樣必須連接MANA與地M，模擬量的參考點電位變成地M，典型接線如圖3所示：

非隔離的模塊都要求連接連接MANA與地M，例如模塊SM334(6ES7334-0CE01-0AA0)，在提示中強調必須連接，下面為引用手冊的提示部分。

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使用隔離的模擬量模塊連接非隔離的傳感器

傳感器不隔離，那么信號源端以傳感器本地的地為基準點電位。模塊是隔離的，以MANA點為測量基準電位。典型接線如圖4所示：

從圖4可以看到，非隔離的傳感器信號負端在源端接地，但是如果連接多個非隔離的傳感器并且分布在不同的地方（不同的接地點），這種情況下就比較麻煩。各個傳感器信號的負端會有共模電壓UCM ，為了消除UCM ，將各個信號的負端在源端使用短而粗的導線進行等電位連接，由于模塊的MANA和信號源端的地可能存在電位差，還要將MANA與源端的地進行等電位連接。在這里不能在模塊處進行短接，否則不能消除UCM。

如果工廠接地不好，還是使用隔離的傳感器。

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使用非隔離的模擬量模塊連接非隔離的傳感器

如果使用非隔離的模擬量連接非隔離的傳感器，那么一定將所有的點接地并進行等電位處理。典型接線如圖5所示：

從圖5可以看到，按照隔離與非隔離的要求，模塊不隔離，必須連接MANA與地M，傳感器不隔離則需要連接信號負端到本地的地，這樣一邊以信號源的地作為基準點，一邊以模塊的地M作為基準點，為了消除兩者之間的電位差（共模電壓UCM），需要使用足夠粗的導線進行等電位連接。

如果整個工廠有等電位的接地網，使用非隔離的儀表和模塊就比較簡單，只需要連接MANA到本地的地M即可，因為每個點都等電位。往往事與愿違，由于非隔離的儀表價格便宜，越是使用這樣儀表的地方，地通常打得都不會好，就更別提接地網和等電位連接了。不采取措施肯定有問題，必須保證等電位。使用萬用表可以測量，那是因為萬用表與地是隔離的，的共模電壓UCM   也可能不同 ，與模塊不在相同的條件下。建議使用隔離的傳感器和模塊。

講了一系列的接線方式，終的結論就是模擬量接線的幾種方式都集中在一點上，就是信號源端與測量端一定要等電位。

講到這里我覺得還是要再擴展一下，利用這個原則同樣也可以解決數字量接線問題。下面是在現場遇見的一個問題，如圖6所示，CPU與I/O的供電分開，I/O是一個非隔離模塊，當現場給出信號，但是I/O模塊的輸入燈沒有點亮，在CPU中也不能讀出，使用萬用表測量，在端子上有24V電壓。模塊沒有問題，將兩個電源PS的M端短接，就可以檢測到輸入信號，這也是由于參考點電位不同造成的。

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