基于西门子PLC系统试验平台的设计与开发

刘德海 阮理想 王高芝 马 雷

(河南煤业化工集团 永煤公司车集煤矿，河南 永城 476600)

主提升运输系统作为矿山企业的关键设备，对矿山的安全高效运行具有及其重要的作用，为提升主提升系统的安全运行性能，其控制方式由传统的继电接触器控制系统向数字式控制系统转变，由于西门子PLC具有结构简单、编程方便、可靠性高、对使用环境适应性强等优点，在矿井提升系统中得到广泛应用，但是PLC控制系统对检修人员的素质要求较高，设备出现故障时要依靠厂家技术人员进行指导，不利于煤矿的提升系统的安全运行，为解决新技术与工人素质不高的矛盾，设计开发一台基于PLC控制系统的实验平台。

1 试验平台的组成

该试验平台由外部输入、输出设备，西门子S7-300PLC，终端显示器3部分组成。如图1所示。其中输入设备用来根据实际控制需要接收外部开关量、模拟量信号，输出设备用来显示程序执行后的实际效果，通过S7-300PLC通讯口实现计算机与PLC的通讯，上传下载应用程序。

2 功能设计

2.1 检验程序

将编好的应用程序输入到微机内，利用软件进行程序检验，起初有几处编程语法错误，经过几次认真修改后，程序无误。然后传入PLC内。

2.2 信号模拟

用实验台上的模拟开关模拟输入信号，接入相对应的输入端点。输入程序后，扳动开关，接通或断开模拟开关，用来模拟相应按钮动作及机械动作使检测元件状态发生的变化，并通过输入输出指示灯来观查输入输出端点的状态变化，经观察模拟开关与PLC连接正确。

2.3 按程序进行模拟运行

先对照输入信号表，设置好原始状态下所有输入信号的状态，再使PLC运行，按下相应按钮，按梯形图程序，观察输出情况，经观察符合程序设定的输出;按工步状态在一个工作循环里逐步转换的顺序依次发出状态转移指令信号，系统将结束一个工步状态转入下一个工步状态，将转换情况和已编的程序相比较，知转换情况与程序设定的输出情况相同，电气原理图仿真及程序调试成功。

3 硬件系统设计

根据矿井提升系统运输设备的控制特点及PLC控制的基本原理，该实验平台应具备开关量逻辑控制，运动控制，闭环过程控制、数据处理、通讯等功能。

外部输入开关量设备采用用转换开关，按钮作为PLC的输入设备，输出设备采用带指示灯的24V继电器作为PLC的外部输出，西门子S7-300应包括中央处理单元、电源模块、信号模块、接口模块、通讯处理模块导轨等部件。其硬件设计原理如图2所示。其中中央处理单元CPU用于储存和处理用户程序，控制集中式和分布式I/O，电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，信号模块使外部的输入输出信号与PLC内部的电平信号匹配。接口模块用于多机架扩展连接，通讯处理用于PLC与计算机之间的通讯，可以使PLC接入工业以太网，实现点对点通讯。硬件系统设计如图1所示。

图1 硬件系统设计示意图

4 输出电路设计

输出设备采用电磁继电器控制，电磁继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件，如图2所示：电磁继电器的工作原理是当它的电磁铁线圈通过一定数值的电流时，产生的电磁铁吸引力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合，常闭触点打开。当通过线圈的电流小于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态。它也具有控制电压低、驱动电流小、直流或脉冲电压均能作为输入控制电压的特点。

图2 电磁继电器控制原理

5 抗干扰设计

由于PLC系统在工作过程中会存在干扰，影响信号传输的精确性与灵敏性，针对干扰的来源，主要采用正确接地、隔离与屏蔽等抗干扰措施。

5.1 正确接地

接地保护是指通过接地保护设备和抑制干扰，是防止从接地系统传来干扰的常用措施。由于本测控系统中包含的设备较多，由多个设备公共地线串联接地而形成的环路，采用并联接地的方法来切断干扰。

5.2 隔离与屏蔽

隔离和屏蔽是抑制干扰耦合的有效措施，隔离变压器和光电耦合器是典型的隔离器件。由于干扰信号的电压较大，而电流很小，因此用隔离变压器减少对有用信号的影响，在电源变压器和低通滤波器之间加隔离变压器把工业电网和测控系统隔离开，消除因公共地电阻引起的耦合，减少负载波动的影响。

6 通讯系统设计

计算机具有较强的数据处理功能，配备多种高级语言，若选择适当的操作系统，则可提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示，实现PLC与计算机通讯使试验平台成功运行的关键，把PC开发成PLC编程终端，通过编程器接口接入PLC，进行编程、调试及监控。

6.1 西门子S7-300通讯协议

S7-300CPU支持的主要通讯协议有PPI、MPI和PROFIBUS协议。

PPI协议是点对点接口模式，属于典型的主从协议模式，这种协议模式对主站的数量有一定的限制一般不超过32个，但是对于任意一个从站与之通讯的主站的数量不受PPI限制，当从站接到主站发送的要求时，从站响应要求，但不发送信息。等待主站进一步信息。

MPI协议允许两种通讯模式，即主—主通讯和主—从通讯，网络设备通过任意两个设备的连接进行通讯。

PROFIBUS协议在于实现与分布式I/O的高速通讯，PROFIBUS网络包括一个主站和若干个从站，主站不断读写从站的数据，当一个DP主站成功配置了一个DP从站后，它就拥有了这个从站设备。

本系统计算机与PLC的通讯采用MPI协议与网络适配器实现计算机与PLC的连接，这种方式不需要增加投资，有较好的灵活性，适合本实验平台的控制要求。

7 结语

本实验平台的成功运用，提高了检修人员对PLC基本结构、程序编写、硬件组态的理解，提高了检修人员的维修技能，减少了主提升控制系统的影响时间，保证了矿井主提升运输的系统的安全运行。

［1］弭洪涛.PLC应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2007

［2］吕炳文.PLC应用技术(西门子)［M］.北京：机械工业出版社，2007

［3］王永华.现代电气控制及PLC应用技术(西门子)［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008

［4］张运刚.西门子STEP7视频教程［M］.北京：人民邮电出版社，2010