西门子6ES7223-1PL22-0XA8速发

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1、前言

    目前，在工业过程控利领域出现了一种新兴的控制技术，即现场总线（Fieldbus），它是在生产现场微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信系统，也既为开放式，数字化，多点通信的底层控制网络。现场总线技术顺应了“智能化，数宁化，信息化，网络化，分散化”的当今自控技术发展的主流，是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向，使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现的飞跃，形成厂新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），对传统的集散控制系统Dcs（Distribution Control System）造成了冲击。现场总线正逐步在过程自动化，制造自动化，智能楼宇，交通等各行业得到推广应用。

    2、现场总线
   
    2.1 Fieldbus产生背景

    现场总线技术起源于用户现场控制信息传递、维护管理等方面的要求，是20世纪80年代发展起来的。
60年代-70年代，处于企业生产过程底层的传统测控自动化系统，采用两线制电压电流模拟信号进行测量控制，70年代中期，形成集散控制系统DCS，采用三层结构模式，存在线路多，维护管理麻烦，且各开发商的DCS遵循各自的标准，不能互联，以及难于实现设备之间和系统与外界之间的信息交换等，严重制约了系统本身的发展。随着计算机网络及通信技术的发展，现场有越来越多的信息需要往上传，通信技术越来越往下延伸到现场，信息沟通联络的范围不断扩大。为实现企业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表向智能化仪表发展、工业控制分立设备向共享设备发展、计算机网络从TOP、MAP向现场级网络发展，终用户需要一种适应工业现场环境运行、性高、实时性强、造价低廉、结构简单、维护方便的控制系统，以形成工厂的底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、以及自动化系统与外界的信息交换。现场总线就是／在这种实际需求的驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计算机、通信、微电子为主要内容的一门综合技术，是当今技术发展的结果。

    现场总线把微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有丁立承担某些控制、数字计算和数字通信能力。提高丁信号的测量、控制、传输精度和速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质，如用普通电缆、双绞线、光纤、红外线、甚至电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统，在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其它网段，实现与信息共享，实现异地远程控制。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员好、深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

    2.2 Fieldbus技术特点

    (1) 开放性、互操作性和互换性

    遵循公开统一的技术标准，可实现设备互操作性和互换性。也就是说，用户可以把遵守相同标准的不同厂家、不向、功能相同的产品集成在同一个系统内，构成FCS，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。

    (2) 数字化通信

    现场设备具有数字通信功能。利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统性能。

    (3) 智能化与功能自治性

    智能化的现场设备可以实现多种的功能，如简单控制功能、检测、变换、诊断和运算等，可现场就地及时处理信息，不使信息过多地往返于网络上传递，提高传输速度和减小控制响应时间。

    (4) 高度分散性

    现场设备智能化，实现的分散控制，位控制系统功能不依赖控制室的计算机或控制仪表，而在现场完成，简化了系统结构，提高了性。

    (5) 适应性

    指对现场环境的适应性，含电磁环境，气候环境，机械环境。大部分现场总线结构是线状的，且采用两线制实现供电和通信，易解决网络供电、本安防爆等问题，具有较强抗干扰能力。
   
    3、DCS
   
    3.1 DCS的产生

    70年代工业的发展使生产过程日益复杂，规模加扩大，在生产中采用原来的集中控制系统，性差，出现事故时会中断生产，为提高性，满足生产过程控制要求，70年代初，美国利欧洲等国开始研制集散型控制系统（DCS）。 DCS是计算机、通信、CRT和控制技术的结合。

    3.2 DCS的技术特点

    系统的—些主要特点为：

    (1) 控制功能强。可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、优和非线性控制等，也可实现顺序控制。
    (2) 系统性高。
    (3) 采用CRT操作站有良好的人机交互接口。
    (4) 软硬件采用模块化积木式结构。
    (5) 系统容易开发。
    (6) 用组态软件，编程简单，操作方便。
    (7) 具有良好的性价比。

    DCS是以微处理器为，实现地理上和功能上相对分散的控制系统，通过数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能，目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中，测量变送，执行器一般由模拟仪表来完成，他们与控制室的监控计算机共同构成控制系统，是模拟和数字混合系统，可实现复杂规律的控制。
   
    4、PLC
   
    可编程控制器（PLC）是60年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，他以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。随着自动控制技术，计算机技术和微电子技术的迅猛发展，PLC的发展十分，一方面继续开发简易，价格低廉，小型产品，另一方面转向大型、多功能、系列化、标准化、智能化产品的研制。在单台设备的自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程自动化， PLC在其中充当着重要作用。
   
    5、发展应用
   
    当计算机网络技术，特别是互联网技术得到广泛应用后，人们对企业生产过程的控制提出了高的要求，企业与外界信息沟通的范围不断扩大，这就需要把大量的现场信息送到外面，又需要远程对现场进行诊断、维护务，实现从现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。现场总线顺应了这种要求的发展。

    现场总线的优点为：

    (1) 系统功能扩充、结构改型方便。
    (2) 降低系统部分成木。节省控制柜，大幅度减少导线、电线桥架、接插件等，系统结构简洁。
    (3) 系统性高。由于全数字化信号精度比传统的模拟信号高，高度分散控制使风险得到分散。
    (4) 系统可维护性好。智能化的现场设备具有自诊断功能，使设备的预防性诊断和维护得以实现。
    (5) 用户具有高度的系统集成主动权。在传统控制系统集成中遇到的不兼容协议、接口等问题得到了解决，用户可以自由选择不同厂商所提供的产品来集成系统。
    (6) 提供丰富的现场信息，能够深入地掌握现场生产过程情况、设备仪表信息。

    作为开放互连系统的现场总线，有统一的技术标准，但由于诸多原因，已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列，如基金会现场总线（FF）、LonWorks、 PROFIBUS、 CAN、 HART等。当然，多种现场总线之间的良性竞争，有利于FCS技术的提高和发展，也有利于产品价格的降低和用户系统投资成本的减小，但是，发展共同遵从的统一的标准，是现场总线的发展方向，也是广大用户的要求。

    现场总线是工业过程控制技术的发展主流，可以说FCS的发展应用是自动化领域的一场，也既要“革”传统仪表的命，同时向传统DCS发出了挑战。对于DCS的发展过程，因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响，造成各生产开发商的产品自成一体，较难实现互换和互操作，系统也难了与外界进行信息交换，这样对用户来说，使企业的信息集成存在一定的困难；另外， DC3的控制分散也并不是的分散，控制功能是通过各个集中的过程控制站如PLC来完成，许多方面的性能与FCS相比有较大差距。但是，DCS在当前情况下仍具有较强的生命力，其理由为：（1）近年来DCS技术的成熟以及广泛应用，DCS在性、开放性、标准化方面大大前进了一步。（2）DCS的价格大幅度下降。（3）DCS能够满足目前的生产控制要求，用户习惯容易接受。（4）FCS正在发展过程之中，某些方面还不是十分。比如说现场总线的线状结构，一旦总线某支路的电缆断了，这条文路的运行就瘫痪了。又如系统组态铰复杂，不易将系统设置到状态等。（5）目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较贵，硬要去追求潮流，将企业现有的运行良好的传统仪器仪表新成智能仪器仪表，以及将DCS改换成FCS不是很现实的。基于亡述原因， DCS现在仍是大多数用户选择的主流控制系统。FCS作为一个完整的控制系统，也需要具有类似于DCS那样的监控管理系统，FCS的发展不是对DCS的否定，既有在它们基础上对优点的继承，又具有自己特色的变革部分。虽然传统DCS属非开放式网络，但根据目前的实际情况，将出现通过特殊的网关将DC3挂接在现场总线网段上，或作为企业网络中的—个特殊的子网，形成现场总线与DCS并存的局面。传统的DCS在—个过渡阶段内，仍会在一个很长的时期内在工业控制领域发挥重要作用，而且，DCS如果能融合FCS的优势技术，将会是“柳暗花明又一春”。

    在FCS中，智能仪器仪表代替传统仪表，控制功能下放分散到现场，PLC的作用将被取代吗？是否定的。PLC是一种面向工业现场的控制装置，它的特点为：（1）高性和抗扰能力，可适应恶劣的工业现场环境。（2）I／O模块化，智能化，方便组合和扩充。（3）操编程方便。（4）完善的监视和诊断功能。我们应该看到PLC的直观、简单、价格低、易维护、高性等特点，并且现在的PLC不再是原来只能实现开关量控制和PID调节等功能的PLC，随着模糊控制、神经元网络、遗传算法等学科的日益成熟，PLC可以而且已经不断融合这些及其他的技术，佼控制、通信等功能不断增强，现在，模糊控制功能已植入到了PLC内，产品已经投放到了市场，控制功能加强大。再者，在FCS中，PLC作为FCS中的一个节点，可完成现场的一些复杂控制功能，使它不会受到FCS发展的影响而被淘汰，所以不管是在FC3中还是在DC3中， PLC还会在系统中作为一个重要的角色存在，而且发展前景将加广阔。
   
    6、结语
   
    现场总线代表了一种有突破意义的新的控制思想，它开辟了控制领域的一个新时代。FCS是工控领域发展的主流，DC3在很长时期内仍具有旺盛的生命力，而PLC通过不断的发展，将在工控系统中继续发挥它的强大的控制功能。作为终用户，希望的是选用顺应当前技术发展潮流，系统投入、运行，性高，管理维护容易，结构简单，易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。

  汽车传动轴固定节是汽车驱动系统中一个重要的零部件，传动轴固定节的端面，如图1示。由于固定节中6粒钢球由工人手工进行安装，有可能发生少装的情况，如不及时发现，将出现质量问题，影响产品的正常使用和企业的声誉。因此根据厂方要求设计了此套系统，系统采用无损检测，运用图象处理与模式识别技术，对CCD拍摄到的图象进行处理，作出漏装与不漏装判断，并对漏装工件进行声光报警。

图1 汽车传动轴固定节端面

    一、系统组成与控制过程

    1. 系统组成

    系统主要由机械部分、电气部分、控制部分组成。机械部分主要是完成零件的传送（从安装位置到检测位置，再送到下一个工序的加工位置）、定位（保证零件与摄像头的同心度）以及不合格零件的剔除；电气部分有传感器、汽缸等执行机构组成；控制部分采用PLC和工控机集成控制。系统硬件配置主要有工控机、可编程控制器、CCD摄像头、图像采集卡、I/O接口板、传感器等硬件及部分外围电路组成，它们的结构，如图2示。

图2 系统组成图

    2. 控制流程

    系统由工控机作为上位机，PLC作为下位机。系统的自动控制流程为：

工控机与PLC进行通信握手，表明一切就绪；

送料位置传感器检测到工件，发信号给PLC；

PLC根据测量位置传感器状态判断测量位置是否有工件；

如果测量位置没有工件，则PLC发信号驱动汽缸，放开送料挡块；

测量位置传感器检测到工件已经到达，发信号给PLC；

PLC进行延时，目的是让工件稳定有利于拍摄，然后发信号给工控机并延时，目的是让计算机进行图象处理与模式识别；

工控机执行程序由CCD摄像头摄取图像，由工控机实时处理图像，作出漏装或非漏装判断结果。把结果发给PLC；

PLC判断结果信息，如果全装且翻转位置无工件，发信号驱动汽缸放开定位挡块；如果漏装，PLC发信号驱动报和蜂鸣器，进行声光报警由工人手工剔除。

PLC判断下料槽是否可以下料，若可以则翻转工件进入下一道工序。重复顺序执行2～8，就达到了系统的自动检测。从执行过程中可以看到，前后两个位置都实现了互锁。系统控制流程

它是整个系统的，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

    2. 数据采集子系统

    用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

    3. 数据分配子系统

    实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

    4. 基本I/O子系统

    用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

    软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

    1. 上位机软件设计
   
    上位机软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

    (1) 初始化模块

硬件初始化

    对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化

    包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

    (2) 数据采集模块

    控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

    (3) 检测/控制模块

    对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

    (4) 中断管理模块

    针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

    (5) 显示管理模块

    用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

    (6) 时钟管理模块

    包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

    (7) 故障自诊断与处理模块

    它是提高系统的性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机软件主要程序流程