西门子6ES7 340-1AH02-0AE0

           PLC的主要特点

　　1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。

　　2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，*强迫风冷。

　　3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。

　　4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视

PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产训得到了越来越多的应用。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业使用情况大致可归纳为如下几类。1开关量的逻辑控制

这是PLC较基本、较广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用**的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行**的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 

 在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

  为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。 一、PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，*二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，**采用程序化的手段应用于电气控制，这就是**代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 
  个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工**（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
  
   
 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展较快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 二、PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 三、CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经**的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
 
 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 四、I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其较大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受较大的底板或机架槽数限制。 五、电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 六、底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 七、PLC系统的其它设备 1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目**般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：较简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于*性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 八、PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
  因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显着，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

   PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

  
    变频器启动时对电机冲击小而且各种保护功能完善，能够延长电机的使用寿命。将西门子 MM420 变频器应用于定位控制系统能够减少电气元器件，变频器调试简单从而减少控制系统的设计时间，提高控制系统的控制精度，增强控制系统的可靠性，达到满意的控制效果。通过西门子 MM420 变频器来驱动电机，增强了对电机的保护，使控制系统的可靠性和精度都有较大提高。 

　　1．MM420 变频器 
     

　　1.1 简要介绍 

　　MM420 变频器是西门子公司的一款适用于各种交流调速应用场合的高性能变频器，用于控制三相交流电机的转速和转矩。它由微处理器控制，采用IGBT 作为功率输出器件，对电机具有过载、过流、欠压、缺相等完备的保护功能。它还提供操作面板，具有良好的人机界面，使其配置灵活、控制方便、维护简单。 

　　1.2 控制方式 

　　MM420 变频器都是基于 V/ F 控制特性。异步电机的转矩是电机的磁通与转子内流过的电流之间相互作用产生的，在额定频率下如果电压一定而只降低频率，那么磁通将增大，严重时会烧毁电机，因此频率与电压要成比例地改变，使电机的磁通保持定值。 

　　1.3 命令源配置 

　　对于定位控制系统而言，交流电机有高速顺转、高速逆转、低速顺转和低速逆转 4 种转动状态。精确定位时电机低速运转，长距离运行或者准备接近目标值时电机高速运转。MM420 变频器提供模拟、数字、串口等6 种命令源，根据控制系统的工作特点选择数字输入，可以简化硬件电路。数字输入配置的电路如图 1 所示。DIN1 设置为高速顺转，变频器输出频率 +80 Hz；DIN2 设置为高速逆转，变频器输出频率 -80 Hz；DIN3 设置为低速顺转，变频器输出频率 +5 Hz；DIN4设置为低速逆转，变频器输出频率 -5 Hz。 

　　380V电源 

　　图2 堆垛机控制系统驱动链路原理框图 

　　2．控制系统驱动链组成 

　　定位控制系统驱动链路原理框图如图 2 所示。计算机 I/O 电路输出高低电平到变频器的数字输入端，变频器根据输入指令输出相应的频率驱动交流电机转动。电机通过机械装置带动设备运行。 

　　3．变频器参数设置 

　　MM420 变频器具有上千个参数，要达到理想的控制效果有些关键参数设定很重要。在控制系统实际使用时需要设置的参数有： 

　　3.1 参数项 0003 设为 3，将用户访问等级设为*级，可以访问所有的参数。 

　　3.2 参数项 0701 和 0702 设为 16，将数字输入 1 和数字输入 2的功能设为电机高速转动的固定频率值；参数项0703 设为 10，参数项0704 设为 11 数字输入 3 和数字输入 4 的功能设为电机低速转动的频率值。根据电机铭牌设定参数项 0100（额定频率），参数项0304（额定电压），参数项 0305（额定电流）的值。 

　　3.3 参数项 1000 设为 30，将频率设定值的信号源设定为固定频率值；参数项1001 设为 +80，设定数字输入 1 的频率为 +80（即正向高速），参数项 1002 设为 -80，设定数字输入 2 的频率为 -80（即反向高速），参数项1058 设为+5，设定数字输入 3 的频率为+5（即正向低速），参数项 1059 设为-5，设定数字输入 4 的频率为-5（即反向低速）。 

　　3.4 参数项 1060 设为 1.0，低速启动的斜坡上升时间设为 1.0s；参数项1061 设为 1.0，低速停止的斜坡下降时间设为 1.0 s；参数项1120 设为 4.0，高速启动的斜坡上升时间设为 4.0 s；参数项 1121设为4.0，高速停止的斜坡下降时间设为 4.0 s。上升时间和下降时间要根据电机的大小做出调整，时间过长系统响应慢，时间过短则可能引起变频器过载保护。 

　　3.5 参数项 0731 设为 52.7，变频器数字输出 1 的功能设为变频器告警，即变频器出现告警信息时数字输出端子 1 闭合。 

　　4．MM420 变频器使用注意事项 
     

　　4.1 工作环境 

　　MM420 变频器运行时较大允许的环境温度是 50 ℃，使用寿命随着温度升高成指数下降趋势，因此在变频器的安装布置时要考虑散热问题。变频器较好直立安装且变频器之间要留出散热的空间。 

　　4.2 电磁干扰 

　　变频器在运行时由于要进行大功率整流、大功率晶体管逆变，会在输入输出回路产生电流高次谐波，这些电磁波会对附件的电子元器件产生一定的干扰，如果处理不好干扰问题，控制系统就不能可靠的工作。根据工程中积累的经验，需要采取的措施有： 

　　4.2.1 机箱内的变频器和其他元器件要可靠接地，接地线要尽可能短。 

　　4.2.2 控制信号要使用屏蔽电缆，屏蔽层接地。信号电缆和交流电源线尽量远离并且尽量避免平行走线。 

　　4.2.3 变频器到电机的电缆要屏蔽接地而且要尽量短。 

　　5．结语 

　　在自动化物流仓储系统中，堆垛机是较主要的设备之一，运行定位系统是堆垛机自动控制系统的关键地方，只有通过控制系统的精确控制，使设备及时、快速、高效率的到达目标所在的位置，定位的准确和精度才能保证存取货物托盘的可靠，安全，保证系统的正常运行，防止出现不可预测的危险。通常的堆垛机控制系统是采用的开环V/F控制系统，该系统采用由交流异步电机通过带有高精度的认址激光反馈，速度采用西门子变频器的系统控制，快速高效率响应，达到准确运行定位。随着自动化技术的进步，变频器越来越多地应用在交流电机驱动领域，尤其是西门子变频器性能稳定、功能丰富、配置灵活，在工程中得到广泛应用。