6ES7223-1HF22-0XA8原装代理

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PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：一是PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；二是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。下面将介绍几种常用的减少I/O点数的措施。

1.矩阵输出

  采用8个输出组成4×4矩阵，可接16个输出设备(负载)。要使某个负载接通工作，只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可，例如：要使负载KM1得电工作，必须控制Y0和Y4输出接通。

应该特别注意：当只有某一行对应的输出继电器接通，各列对应的输出继电器才可任意接通，或者当只有某一列对应的输出继电器接通，各行对应的输出继电器才可任意接通，否则将会出现错误接通负载。因此，采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。

  2.分组输出

  当两组输出设备或负载不会同时工作，可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，所以PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载。KM1、KM3、KM5与KM2、KM4、KM6两组不会同时接通，用转换开关SA进行切换。

3.并联输出

  当两个通断状态完全相同的负载，可并联后共用PLC的一个输出点。但要注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC输出点的驱动能力是否足够。

  4. 输出设备多功能化

   利用PLC的逻辑处理功能，一个输出设备可实现多种用途。例如在继电器系统中，一个指示灯指示一种状态，而在PLC系统中，很容易实现用一个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样一个指示灯就可指示两种状态，既节省了指示灯，又减少了输出点数。

  5.某些输出设备可不进PLC

  系统中某些相对独立、比较简单的控制部分，可直接采用PLC外部硬件电路实现控制。

以上一些常用的减少I/0点数的措施，仅供读者参考，实际应用中应该根据具体情况，灵活使用。同时应该注意不要过份去减少PLC的I/0点数，而使外部附加电路变得复杂，从而影响系统的可靠性。

  PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：一是PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；二是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。下面将介绍几种常用的减少I/O点数的措施。

1.分组输入

   一般系统都存在多种工作方式，但系统同时又只选择其中一种工作方式运行，也就是说，各种工作方式的程序不可能同时执行。因此，可将系统输入信号按其对应的工作方式不同分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号,所以各组输入可共用PLC的输入点，这样就使所需的输入点减少。

   系统有“自动”和“手动”两种工作方式，其中S1～S8为自动工作方式用到的输入信号、Q1～Q8为手动工作方式用到的输入信号。两组输入信号共用PLC的输入点X0～X7，如S1与Q1共用输入点X0。用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号的输入电路，并通过X10让PLC识别是“自动”，还是“手动”，从而执行自动程序或手动程序。

二极管是为了防止出现寄生回路，产生错误输入信号而设置的。例如当SA扳到“自动”位置，若S1闭合，S2断开，虽然Q1、Q2闭合，也应该是X0有输入，而X1无输入，但如果无二极管隔离，则电流从X0流出，经Q2→Q1→S1→COM形成寄生回路，从而使得X1错误地接通。因此，必须串入二极管切断寄生回路，避免错误输入信号的产生。

  2.矩阵输入

如图6-13所示为3×3矩阵输入电路，用PLC的三个输出点Y0、Y1、Y2和三个输入点X0、X1、X2来实现9个开关量输入设备的输入。图中，输出Y0、Y1、Y2的公共端COM与输入继电器的公共端COM连在一起。当Y0、Y1、Y2轮流导通，则输入端X0、X1、X2也轮流得到不同的三组输入设备的状态，即Y0接通时读入Q1、Q2、Q3的通断状态, Y1接通时读入Q4、Q5、Q6的通断状态,Y2接通时读入Q7、Q8、Q9的通断状态。

  当Y0接通时，如果Q1闭合，则电流从X0端流出，经过D1→Q1→Y0端，再经过Y0的触点，从输出公共端COM流出，最后流回输入COM端，从而使输入继电器X0接通。在梯形图程序中应该用Y0常开触点和X0常开触点的串联，来表示Q1提供的输入信号。

还必须编写对应的PLC程序。由于矩阵输入的信号是分时被读入PLC，所以读入的输入信号为一系列断续的脉冲信号，在使用时应注意这个问题。另外，应保证输入信号的宽度要大于Y0、Y1、Y2轮流导通一遍的时间，否则可能会丢失输入信号。

   3.组合输入

  对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入。如图6-14a所示，三个输入信号Q1、Q2、Q3只要占用两个输入点，再通过如图6-14b所示程序的译码，又还原成与Q1、Q2、Q3对应的M0、M1、M2三个信号。采用这种方法应特别注意要保证各输入开关信号不会同时接通。

 4.输入设备多功能化

  在传统的继电器电路中，一个主令电器(开关、按钮等)只产生一种功能的信号。而在PLC系统中，可借助于PLC强大的逻辑处理功能，来实现一个输入设备在不同条件下，产生的信号作用不同。下面通过一个简单的例子来说明。

当Y0断开时，按下按钮（X0按通），M0得电，使Y0得电并自锁；再按一下按钮，M0得电，由于此时Y0已得电，所以M1也得电，其常闭触点使Y0断开。即按一下按钮，X0接通一下，Y0得电；再按一下按钮，X0又接通下，Y0失电。改变了传统继电器控制中要用两个按钮(起动按钮和停止按钮)的作法，从而减少了PLC的输入点数。

  同样道理，我们可以用这种思路来实现一个输入具有三种或三种以上的功能。

   5. 合并输入

  将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，则并联输入。因此，几个输入设备就可共用PLC的一个输入点。

  6.某些输入设备可不进PLC

  系统中有些输入信号功能简单、涉及面很窄，如某些手动按钮、电动机过载保护的热继电器触点等，有时就没有必要作为PLC的输入，将它们放在外部电路中同样可以满足要求，

本文简述了国内水电厂计算机监控系统变化发展历史和变化过程，对计算机监控系统现地控制单元的结构发展方向进行了探讨。重点探讨了近几年开始应用PLC直接上网LCU结构及其特点，主要讨论了在该种模式下智能设备接入的方式、速率、可靠性、编程的复杂性、可接入设备的数量等方面的特点。本文通过比较分析的方法对这些问题作了比较详细的探讨，并得到下面结论：（1）PLC直接上网的LCU结构优于经过工控机上网LCU结构；（2）智能设备以直接接入PLC现地总线方式最好；（3）智能设备经串口转换接入PLC或经串口直接上网方式，具有普遍应用意义；（4）智能设备直接上网是很有前途的方式。本文也讨论了在PLC直接上网模式下，如何实现CPU、输入、输出、电源和机箱联接电缆等冗余策略，为大型、特大型水电厂实现无人值班的目标，提供了可借鉴的方法。

自从二十世纪八十年代中期，计算机监控系统在水电厂开始应用以来，它在水电厂应用越来越广泛。新建电厂大多数都采用计算机监控系统与新机组同步投运，绝大多数没有采用监控系统的老水电厂已经或正在进行以计算机监控系统为中心的综合自动化改造。计算机监控系统是水电厂创国内水电厂基础，更是创国际水电厂，实现“无人值班，关门运行'的前提条件。

随着计算机监控系统在国内水电厂应用不断扩大，计算机监控系统的结构也在不断地变化发展。近一二十年，计算机按照摩尔定律迅速发展，对监控系统结构的发展影响很大。论文作者从事计算机监控系统的现地控制单元（以下简称LCU）研制工作，愿意将近来LCU结构变化趋势与大家共同分析探讨，希望同行专家能多提宝贵意见。

1．计算机监控系统整体结构发展情况

在二十世纪八十年代初期，水电厂计算机监控系统处在探索阶段。其典型的结构是集中式结构。这主要受当时硬件资源的限制。当时可供选择的计算机设备种类少且价格高，限制了其它结构方式的发展。其主要缺点是灵活性差、可靠性差、实时性差。

到二十世纪九十年代中期，逐渐形成现在计算机监控普遍采用的模式：分层、分布、开放。目前，领先公司的产品已达到全分层、全分布、全开放、面向对象。所谓分层是指计算机监控系统按功能分成现地控制层、厂站控制层、梯调（或集中）控制层（根据实际需要设立该控制层）。现地控制层的功能是现地数据的采集并上送给厂站控制层及梯调控制层（以下将厂站控制层、梯调或集中控制层简称为上位系统），根据指令或自启动执行顺控流程。监控系统的实时性主要由现地控制层来保证，因此它要具有非常好的实时性和很高的可靠性。厂站控制层根据监控系统运行工况，由运行人员对现场设备发出控制命令（设备不成组），或根据负荷曲线或根据电网频率变化自动进行控制（设备成组情况）。梯调（或集中）控制层是厂站层的延伸，在流域梯级电站或电站群的情况下设立，负责所管辖电站的经济运行和统一调度。上位系统要求具有良好的人机联系手段，完善的功能，较高的运算速度，长期稳定运行的性能，较强的与其它系统联接或通讯能力。分布是指将现地控制层依据现场设备分成一个一个单元，每个单元建立相对独立LCU。在水电厂监控系统中，一般每台机组设一个LCU，开关站、公用设备、厂用电设备、大坝等依据控制设备的多少、设备的布置及资金情况设一个LCU或若干个LCU。

分布使监控系统功能得到分散，各层有各层的功能，根据各层功能要求设置各层设备，使不同层计算机设备的性能得到充分发挥。分布使现地设备的控制彼此独立，有利于设备独立运行、方便维护检修。分层、分布使计算机监控系统功能分配合理，可靠性提高，设备维护检修非常方便。开放（性）主要指监控系统的软件适应硬件的程度，以及监控系统的节点可扩展性。实践证明，计算机监控系统的分层、分布、开放的模式是正确的，是经得起时间考验的。
2．LCU结构及改进的必要性

到目前为止，普遍使用的LCU结构如下图所示：

图一中虚框内为LCU部分，可以看出LCU主要由工控机和可编程控制器（以下简称PLC）构成。扩展串口部分作为工控机串口的扩展提供与其它智能装置、设备通讯接口。PLC作为主控制器，采集LCU开关量输入、脉冲量输入、数字量输入、模拟量输入，根据给定的指令或流程自启动控制（开关量）输出，对设备进行控制。在有些情况下，LCU还要通过模拟量输出驱动指示仪表。从这种结构可以看出，PLC作为LCU数据采集与控制的中心，它的实时性、可靠性非常重要。从工程中使用较多的几家国外著名的PLC厂家如施耐德、通用电气、西门子、罗克韦尔、ABB等PLC产品上看，都是完全工业化的产品，可靠性高、实时性好，适于恶劣环境下使用。

这种结构中的工控机，是作为LCU主机而存在的。它的主要任务是将PLC采集的数据进行标度变换、越限报警、数据打包等数据处理功能，并将LCU的所有数据上送到上位系统。同时，上位系统的控制命令经工控机下达给PLC。工控机作为网络接口，起承上启下的枢纽作用，它的任何故障，都使PLC与上位系统中断通讯。它的数据处理能力强，可以做为现地LCU的人机联系手段，为现地维护和设备试验提供方便。工控机与上位系统数据交换的速率早期为10Mbps，现在多为100Mbps。10Mbps与100Mbps两种速率均能满足数据交换的要求，当然100Mbps速度更快一些。

3．PLC直接上网及智能设备接入问题

随着计算机硬件、软件的快速发展，特别是网络技术的快速发展，著名工控厂家及系统集成商都大力开发以太网产品，关注PLC的直接上网问题。现在国际上知名的PLC厂家产品均能够实现直接上网，如施耐德公司全线的Quantum系列、Premium系列等、通用电气公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西门子公司的有关PLC、罗克韦尔PLC的有关系列控制器等。

采用直接上网的结构，必须妥善解决PLC直接上网后智能设备的接入问题。采用直接上网的结构，坚持分层分布（单元）式的结构原则，就是要达到与LCU有关的各种数据采集和控制都必须由LCU来实现的目标。现在，LCU一般都需要与一定数量的智能设备进行通讯。在有工控机结构的LCU结构中，通讯实现是比较容易的，通讯的方式也比较灵活。但在采用PLC直接上网的结构后，就必须考虑各种PLC产品特性对接入LCU智能设备的影响。PLC与工控机相比，通讯接口少，方式比较少。LCU智能设备接入问题，解决的总的方法有两种，一种是直接或经转换接入PLC，一种是直接接入以太网。由于各种PLC产品分别产于不同的公司，它们的特性也各不相同，因此实现智能设备接入PLC的方法有多种多样。
在比较国外主要PLC产品特性基础上，在满足分层分布（单元）式的结构原则前提条件下，对智能设备接入LCU的方法进行分析对比，从它们的特性中，力图找出共性的方法，侧重于通讯速率、实现方式、是否需要编程、接入智能设备的数量、是否易于维护等方面。
3．1直接接入PLC

每种PLCCPU上的串口或一般通讯模块的串口所支持的普遍方式是从（Slave）方式，即使它支持主（Master）方式，相应通讯协议也是专有协议,不是开放的协议。对于一些PLC如GE90系列PLC，它有一种模块，该模块通讯方式为主方式，可以使用不同通讯协议编程，与智能设备通讯，这是解决方法之一。结构图见图二。

这种方法智能设备与PLC的数据交换的速率是串口的速率，智能设备采集的数据可以在PLC控制流程中使用。设备通讯协议一致且数量不多时，比较适合这种方式。因为智能设备多，总的通讯速度就会较慢，通讯协议不一致，就会占用该模块较多内存。

3．2通过现场总线直接接入PLC

对于部分PLC，一些智能设备可以通过现场总线直接接入PLC。这种方式较好，因为现场总线的方式，其可靠性、速率与直接插入PLC机箱的模块是相同的，而且接入的地点比较灵活，距离可以比较远。这种方式不需要编程，可以接入较多设备，非常方便，是一种很好的方法。参见结构图二。

3．3间接接入PLC

直接接入PLC的方法不具有普遍性，不是每一种PLC都可以实现的。下面两种方法可以在更大范围使用。尤其是经串口接入PLC的方法，是一种普遍的方法。

3．3．1经串口转换接入PLC

PLC一般具有丰富的通讯模块可供选择，多数PLC的CPU模块具有一到两个串口。由于这些串口多支持从（Slave）方式通用协议，智能设备也多为从方式，两者通讯不能实现。有些串口虽支持主（Master）的通讯方式，但通讯协议多为不公开的专有协议，智能串口设备很少能支持这些协议。因此，解决方法之一是采用一种装置，它一侧接入PLC串口，另一侧接入智能设备。该装置起协议转换作用，而且它对两侧都可以是主方式。这种方式可以接入较多串口设备。这是一种很有前途的、比较经济的方式，可以适用每一种PLC产品。其结构图参见图三。

3．3．2经转换接入现场总线进入PLC

为了解决PLC串口从方式不能直接接入PLC的问题，有些PLC厂家如施耐德，它开发一种网桥装置，一边接串口设备，一边接PLC的现场总线MB+。它有两种，一种支持同一种开放的协议如MODBUS，不需编程，另一种支持各个串口协议可以不同，但需要编程。参见结构图三。

3．4串口设备经转换（不经PLC）上网

几种方法都直接或间接通过PLC接入智能设备。现在，通过一种串口以太网转换器装置，它的一侧接入串口设备，另一侧接入局域以太网。串口设备侧不需任何改变，上位系统直接采集串口设备的信号。

这样一个LCU需要有几个IP地址。这种方式可以接入大量的智能设备。是一种很有前途的方法。其结构图见图四。
3．5智能设备直接接入以太网

随着时间的推移，越来越多的设备将可以直接上网，因此可以采取智能设备直接上网的方式,速率可以达到10Mbps或100Mbps，将会很有应用前景。但一个LCU需要有几个IP地址。其结构图见图五。

3．6几种方式的比较

将PLC直接上网模式下，智能设备接入LCU情况按速率、方式、编程进行比较，并给出总体评价，见下表：

特性

方式典型速率方式编程总体评价

1.直接接入

PLC9.6KBPS通讯方式需编程接入较多串口设备时，通讯速度要降低。部分PLC可以使用这种方式。

2.直接接入现场总线153KBPS,

1.0MBPS.现场总线无需编程速率较快。是一种综合性能比较好的方式。不足的是一般PLC现场总线开放的较少，支持各PLC现场总线的产品较少。

3.经串口

转换接入PLC9.6KBPS通讯方式需编程每一种PLC需要专门外购或开发转换装置。是一种比较经济的方法，可以接入较多的智能设备。

4.经转换

接入现场总线9.6KBPS通讯方式根据通讯协议而定只有在部分PLC可以使用。有两种转换装置,一种支持同一种开放的通讯协议，不需编程。另一种可以支持不同的通讯协议，需要编程。该转换装置一般是PLC配套产品。

5.经串口转换上网9.6KBPS通讯方式需编程可以进行工程化研究，很有潜力。值得关注与研究。与PLC相独立，不受PLC种类影响，应用范围广,接入设备多。

6.智能设备直接上网10MBPS,

100MBPS.以太网有待研究目前可以直接上网的智能设备较少，但很有发展潜力。与PLC相独立，不受PLC种类影响，应用范围广,接入设备多,通讯速度快。值得引起注意和关注。

上表给出了六种方式接入智能设备的方法，本文作者认为：

（1）PLC直接上网的LCU结构优于经过工控机上网LCU结构；因为LCU整体可靠性得到提高；

（2）智能设备以直接接入PLC现地总线方式从比较好，因为应用简单、速率快等，在可以选择直接接入现场总线的设备时，尽量采用这种方式。

（3）智能设备经串口转换接入PLC方式，是一种较优的方法，它虽然与PLC产品有关，但可以在每种PLC产品上使用，接入智能设备数量也较多，经济性能也较好。

（4）智能设备经串口转换上网方式和智能设备直接上网方式是很有应用前景的两种方式。因为这两种方法都与具体的PLC产品无关，是一种具有普遍意义的方法，值得引起注意。

4．结语

结合工程项目，不断加强现地控制单元（LCU）结构研究，有利于提高LCU的可靠性、稳定性、免维护性，有利于水电厂创际一流水电厂，实现“无人值班，关门运行”的目标。本文作者所在中国水利水电科学自动化所已经在实际水电厂中使用几种PLC利用几种方式实现了PLC直接上网，并较好解决了智能设备接入问题，在国内这方面，处于领先地位。通过继续研究，使LCU及计算机监控系统的结构更加合理，以最大程度满足水利水电用户的需要。

关于模拟量的控制本人认为用PLC有点费劲，虽然是可以实现但很繁琐，因为PLC算四则混和运算不是长项，例如你让PLC算A+B*C-D，它要分4步完成，无法一次全部处理完。运算的多了，编写程序就会很费劲，用语句编写还好点，若用梯形图因电脑屏幕有限很容易把程序员弄蒙！下面说说我对PLC模拟控制的一些想法：

一：模拟量的输入

实际工作中我都会将模拟量信号转为标准信号，如果它本身就是标准信号更好，否则我会给它加变送器，例如温度采集时，我就用温度变送器将热电偶的信号转换为4-20MA电流信号或1-10V电压信号。（好像有直接采集温度的模块，但我没用过）如果可以尽量采用电流信号，这样干扰会小一些。信号线采用有屏蔽层的那种。然后就要考虑滤波问题了，因为干扰的存在，所以必须滤波。滤波方法有很多种：求平均值法，低通法等大概有10种左右，有时候要多种方法一起用。这要看你现场干扰情况了，实在不行在输入端并个电容，硬件滤波。这样我们将得到一个比较平和的模拟量，也就是我们要控制的那个量，温度，压力，流量，电压，电流等模拟量都可以这么采集，频率我不知道是不是有频率变送器，没用过，但是频率在不是很高的时候可以由开关量输入端输入，频了可以采用高速计数器，再高了我就不知道了。

二：给定值的输入

可以采用人机界面直接将给定值写到PLC的寄存器，也可以用电位器将电压信号传给PLC，也可以用上位机（电脑或其他设备）经网络传过来。

三：控制过程

根据所控制的模拟量的不同，所选的元件也不同。例如说温度，分为加热和制冷，加热要用加热管，制冷要用压缩机。压力如果是液压站的压力可以选比例溢流阀，流量控制要用电动蝶阀之类的阀，电压和电流可以是步进电机带动电位器的方法实现。应根据模拟量的不同选则合适的元件。以烤箱为例说明：设给定值为100摄氏度。我们需要的主要元件有加热管，固态继电器。在开始工作的初期因为温度是20度左右这时候加热管可以全功率运行，我们可以以1秒为单位，控制加热的速度，比如说0.9秒加热，0.1秒停电加热会很快。如果0.1秒加热，0.9秒停电加热就会慢。根据反馈回来的温度信号，我们可以改变这个比例。如果温度高于100我们可以完全断电，温度低于80我们可以完全通电，当温度到达80和100之间时再用这个比例让温度趋近于100.即使PLC能实现这些但实际工作中我也不会采用，你也看到了这种控制多么复杂，没有100步也得有50步，我肯定会蒙圈的。

四：建议

再实际工作中我都是采用的这样的方法，PLC加专用仪表的方法，比如说温度控制，我就用一块温控表去控制温度，因为它也可以驱动固态继电器或是其他元件，而且相当专业，滤波效果好，比PLC好10倍。而且它是PID控制的，我不用考虑哪些复杂的运算过程，在这里PLC只是将一个触点连接到温控表的控制线上，这样只有PLC触点吸合，温控表才能控制固态继电器，固态继电器才能给加热棒供电。其他的模拟量也可以采用这样的方法。如果PLC需要哪些数据用来存储，可以让专用仪表将那个数发给PLC或是给PLC提供一个标准信号。PLC也可以把设定值传给专用仪表，一般仪表的面板上都是可以设定给定值的。这样PLC起到的作用有两个负责启动停止和存储数据。而控制过程交给仪表。（如果你想要具体PLC控制模拟量的算法，你必须把条件写的清楚些，例如具体多少度，多少流量，如果我把所有的模拟量算法都写出来估计100000字都够呛说明白，不好意思了，另外模拟量控制一般都是用PID,而且具体问题还得具体分析，不是随便写个数就能用的）

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