青岛西门子中国一级代理商CPU供应商

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1  引言

可编程控制器(简称plc)是以计算机技术为的通用自动控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术相结合，以其特有的功能强大、性高、编程简单、使用方便、体积小巧等优点，在工业生产的过程控制中得到了广泛的应用。

在以plc为控制器的工业过程控制系统中，除了大量的逻辑控制和顺序控制，还要对许多连续变化的模拟量信号进行控制，如常见的温度控制、压力控制、流量控制等等。要将这些连续变化的物理量变换成计算机能接受的数字量信号，就经过传感变送器将物理量转变成电压或电流信号，再经过plc的a/d转换模块变成数字信号送plc微处理器，而微处理器输出的数字信号也经过plc的d/a转换模块变成电压或电流信号来作为驱动信号输出。本文介绍的omron-plc模拟量i/o模块mad01，具有二路a/d输入和二路d/a输出。下面主要说明其使用方法。

2  模拟量i/o模块mad01的接线方式

mad01模拟量i/o模块具有二路a/d输入和二路d/a输出，其端子表如图1所示:

模拟量输入信号通过屏蔽双绞线输入到每个通道。如果输入的是电压信号，则将信号两端接到通道的电压输入(+)和(-)端，如果输入的是电流信号，那么须将通道的电流输入(+)与电压输入(+)端短接，然后再将电流信号接到电压输入的(+)和(-)端。

模拟量输出信号一般也通过屏蔽的双绞线将信号输出。如果采用电压输出，则将双绞线接到通道电压输出的(+)、(-)端，如果采用电流输出，则将双绞线接到通道电流输出的(+)、(-)端，其中电压电流输出的(-)端是合一的。

3  输入输出对应关系

3.1 a/d转换的输入/输出关系

mad01的a/d模拟输入信号可以是电压信号(1~5v，0~10v，-10~10v)，也可以是电流信号(4~20ma)，其模拟输入量与数字量之间的对应关系如图2所示:

3.2 d/a转换的输入/输出关系

mad01的d/a输出信号也可以设置为电压信号(1~5v，0~10v，-10~10v)或电流信号(4~20ma)，共4种方式，数字量与模拟输出量的对应关系如图3所示:

4  mad01模块的参数设置

omron-plc的cpu和模拟i/o模块交换数据是通过存储器的ir(内部继电器)区和dm(数据存储器)区进行的，一个mad01模块占用ir区和dm区的哪一组地址由模块上的一个旋转开关设置。旋转开关分为16档(0~f)，若控制系统中使用多个模拟i/o模块，注意开关位置不可重复，否则会出现i/o单元重叠错误。

4.1  ir区域分配及参数设置

每个模拟量i/o模块根据模块上旋转开关的位置在cpu工作区有对应的单元号(0~f)和ir字地址,一个模拟i/o模块占用10个字的工作区(irn~irn+9)。当单元号为0~9时，n=100+10×单元号，当单元号为a~f时，n=400+10×(单元号-10)。

正常模式的ir字和位的分配及参数设置如下:

irn:位5，输入2的峰值保持功能，“0”表示不使用，“1”表示使用。

位4，输入1的峰值保持功能，“0”表示不使用，“1”表示使用。

位1，输出转换2使能，“0”表示停止，“1”表示开始。

位0，输出转换1使能，“0”表示停止，“1”表示开始。

ir(n+1):输出1的设定数据格式，16位二进制。

ir(n+2):输出2的设定数据格式，16位二进制。

ir(n+3)，ir(n+4):未使用。

ir(n+5):模拟输入1的转换，16位二进制。

ir(n+6):模拟输入2的转换，16位二进制。

ir(n+7)，ir(n+8):未使用。

ir(n+9):位15~8，两位16进制错误码，“00”表示无错误。

位5，输入2断线检测，“0”表示连接，“1”表示断线(只适用输入信号为1~5v或4~20ma时，下同)。

位4，输入1断线检测，“0”表示连接。

位1，输出2设定错误，“0”表示无。

位0，输出1设定错误，“0”表示无。

4.2 dm区域分配及参数设置

模拟量i/o模块dm区域字地址也由其单元号确定，每个i/o单元占用14个字的固定数据区域(dmm~dm(m+13))，m=1000+100×单元号。

dm区域字及位的分配及参数设置如下:

dmm:位11~10，回路2的比例变换。“00”表示不使用，“01”表示使用正梯度变换，“10”或者“11”表示使用负梯度变换。

位9~8，回路1的比例变换(数值及表示的意义同位11~10)。

位5，使用输入2。“0”表示不使用。

位4，使用输入1。“0”表示不使用。

位1，使用输出2。“0”表示不使用。

位0，使用输出1。“0”表示不使用。

dm(m+1):位11~10，输入2的信号范围设置。“00”表示-10~+10v，“01”表示0~10v，“10”或者“11”表示1~5v/4~20ma。

位9~8，输入1的信号范围设置(意义同上)。

位3~2，输出2的信号范围设置(意义同上)。

位1~0，输出1的信号范围设置(意义同上)。

dm(m+2):位7~0，输出1在转换停止时输出状态设置。“00”表示，“01”表示保持，“02”表示大值。

dm(m+3):位7~0，输出2在转换停止时输出状态设置(数值及表示的意义同上)。

dm(m+4)，dm(m+5):未使用。

dm(m+6):输入1的平均值处理方式设置。

0000表示不进行平均值处理;

0001表示用2个缓冲器的平均值处理;

0002表示用4个缓冲器的平均值处理;

0003表示用8个缓冲器的平均值处理;

0004表示用16个缓冲器的平均值处理。

dm(m+7):输入2的平均值处理方式设置(数值及表示的意义同上)。

dm(m+8)，dm(m+9):未使用。

dm(m+10):回路1变换的比例系数a(bcd码，范围0~9999)。

dm(m+11):回路1变换的偏移量b(16位二进制数)。

dm(m+12):回路2变换的比例系数a(bcd码，范围0~9999)。

dm(m+13):回路2变换的偏移量b(16位二进制数)。

4.3 比例变换功能

mad01模拟量i/o模块为用户提供了模拟输入/输出变换功能。该功能是在模块内部完成的。变换分为正梯度变换和负梯度变换，由dm区域dm(m)字中设置。

正梯度变换的模拟输入/输出关系公式为:

模拟输出=a×模拟输入＋b

其中:

a:比例系数0~99.99(bcd码)

b:偏移量8000~7fff(16位二进制)

负梯度变换的模拟输入/输出关系公式为:

模拟输出=f－a×模拟输入＋b

其中:

f:输出大值

a:比例系数0~99.99(bcd码)

b:偏移量8000~7fff(16位二进制)

回路变换常数a、b在dm区域dm(m+10)到dm(m+13)中设置，其中:

dm(m+10):回路1输入常数a;

dm(m+11):回路1输入常数b;

dm(m+12):回路2输入常数a;

dm(m+10):回路2输入常数b。

5  应用举例

将0~10v模拟电压通过a/d转换输入1，转变为数字量存放在dm0001单元，再经过d/a转换输出1输出4~20ma电流信号。mad01上的旋转开关位置是0，所以单元号是0#。

1  引言

近年来，计算机控制已被地推广和普及，工业控制计算机、plc、变频器、触摸屏、机器人、柔制造系统广泛地应用于工业生产中。将不同的生产设备连在一个网络中，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理，是计算机控制系统发展的大趋势，所以，工厂自动化网络和plc的通信是工业控制中的重要研究课题。

通信的方式包括并行通信和串行通信。并行数据通信方式是以字节为单位的方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要通信双方联络用的控制线。并行通信的传输速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的传输，例如计算机于打印机之间的通信。

串行数据通信方式是以二进制的位(bit)为单位的方式，每次只传送一位，除了公共线外，在一个方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作通信联络的控制线，数据信号和联络信号在这个线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，少的只需要两根线（双绞线），适用于距离较远的场合。计算机和plc都有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。

2  西门子s7-200plc的rs-485通信

2.1 串行通信的接口标准

串行通信有三种接口标准：rs-232c、rs-442a和rs-485。

rs-485是rs-442a的变形，rs-442a是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。rs-485只有一对平衡差分信号线，不能同时发送接收。

图1  rs-485网络

使用rs-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统，系统中多可以有32个站，新的接口器件已允许链接128个站。

2.2 s7-200的网络通信协议

s7-200的网络通信协议包括：点对点接口协议（ppi）；多点接口协议（mpi）；profibus协议；tcp/ip协议；用户定义的协议（自由端口模式）等多达5种类型。

图2  s7-200plc内部rs485接口电路图

2.3 西门子s7-200plc的rs-485通信

串行通信是西门子工业网络通信中一种经济、有效的通信方式，rs-485是其重要的组成部分。

图中r1、r2是阻值为10欧的普通电阻，其作用是防止rs-485信号d+和d-短路时产生过电流烧坏芯片，z1、z2是钳制电压为6v，大电流为10a的齐纳二管，24v电源和5v电源共地未经隔离，当d+或d-线上有共模干扰电压灌入时，由桥式整流电路和z1、z2可将共模电压钳制在±6.7v，从而保护rs-485芯片sn75176（rs-485芯片的允许共模输入电压范围为：-7v～+12v）。该保护电路能承受共模干扰电压功率为60w，保护电路和芯片内部没有防静电措施。

2.4 rs-232与rs-485的转换

由于pc机的串口是rs-232接口，plc的串口是rs-485接口，所以二者的通信要用到pc/ppi电缆，rs-232接口与rs-485接口的引针对应关系如表1、表2。

表1  rs-232到rs-485dte的连接器引针

表2 rs-485到rs-232dte的连接器引针

3  常发生的故障解析

3.1 常见的故障现象

当plc的rs-485口经非隔离的pc/ppi电缆与电脑连接、plc与plc之间连接或plc与变频器、触摸屏等通信时时有通信口损坏现象发生，较常见的损坏情况如下：

（1）r1或r2被烧断，z1、z2和sn75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经r1或r2、桥式整流、z1或z1到地，z1、z2能承受大10a电流的冲击，而该电流在r1或r2上产生的瞬态功率为：102×10=1000w，当然会将其烧断。

（2）sn75176损坏，r1、r2和z1、z2完好。这主要可能是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于z1、z2的动作速度造成的，静电无处不在，仅人体模式也会产生±15kv的静电。

（3）z1或z2、sn75176损坏，r1和r2完好。这可能是受到高电压低电流的瞬态干扰电压将z1或z2和sn75176击穿，由于电流较小和发生时间较短因而r1、r2不至于发热烧断。

3.2 故障的原因分析

由3.1中的分析得知plc接口损坏的主要原因是由于瞬态过电压和静电造成，产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂，如由于plc内部24v电源和5v电源共地，24v电源的输出端子l+、m为其它设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压出允许范围。所以eia-485标准要求将各个rs485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起以保证各节点的地电位相等，地线环流。

（1）当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等电路中又存在诸多电感、电容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。基于此考虑，在进行通信接头插拔的时候，尽量使设备处于断电状态。

（2）连接在rs-485总线上的其它设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入到plc，总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。

（3）当通信线路较长或有室外架空线时，雷电是考虑的干扰。雷电是主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形叠加成随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲，这个能量的尖峰脉冲必然会在线路上造成过电压，造成plc等通信网中所连设备的损坏，应该加以避免或降低损坏程度，减少损失。

4  解决方法

4.1 从plc内部考虑

（1）采用隔离的dc/dc将24v电源和5v电源隔离，我们分析了三菱、欧姆龙、施耐德plc以及西门子的profibus接口均是如此。

（2）选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高挡次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，这些芯片价格一般在十几元至几十元，而sn75176的价格仅为1.5元。

（3）采用响应速度快、承受瞬态功率大的新型保护器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的钳制电压为6.8v，承受瞬态功率为500w，bl器件则可抗击4000a以上大电流冲击。

若使用不带故障保护的芯片,如sn75176，可在软件上作一些处理，从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于+200mv，并保持一段时间，使所有节点的产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

（4）r1和r2采用正温度系数的自恢复保险ptc，如jk60-010，正常情况下的电阻值为5欧，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过ptc和保护器件tvs（或bl），ptc的电阻值将骤然增大，使浪涌电流减小。

4.2 从plc外部考虑

（1）使用隔离的pc/ppi电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的pc/ppi电缆（6es7 901-3bf00-0xa0）是不隔离的，现在也改成隔离的电缆了。

（2）plc的rs-485口联网时采用隔离的总线连接器，如pfb-g，速率为0～1.5mbps自动适应，外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。

（3）与plc联网的三方设备，如变频器、触摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔离器bh-485g进行隔离，这样各rs-485节点之间就无“电”的联系，也无地线环生，即使某个节点损坏也不会连带其它节点损坏。

（4）良好的接地是工控系统运行的重要条件，对于工业通信网络是如此。在工业通信网络中，至少有三种分开的地线，通过一点接地。条是低电平电路地线（即信号地线），包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；二条是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；三条是机壳接地点，机械外壳、机身、机架、地盘使用，此地线应该和交流电源的地线相接。交流电源地线应和保护地线相连，以达到避免因公告地线各点点位不均所产生的干扰。

rs-485通信线采用profibus总线屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并后接大地。

（5）对于有架空线的系统，总线上设置专门的防雷击设施。

5  结束语

rs-485通信是工业网络通信的重要组成部分，其网络、接口故障是广大工程技术人员经常遇到的问题，也是影响工控系统稳定运行的主要问题之一。处理好这一问题，保证通信系统的稳定、运行，将打打提高工厂自动化的效率。本文的粗浅讨论希望能给工程技术人员在处理实际问题以一定的帮助。

1  引言

叠装系数测试仪是在硅钢生产中的检测仪器，本装置主要用于硅钢片的叠装系数测定。本测试仪是在吸收国内外同类产品优点的基础之上，根据测试标准的实际要求，为测量硅钢片叠装系数而专门设计的新产品。本装置具有手动操作与自动操作测定方式，即：试样的移动与测定部均为自动操作，送入试样后，由一套vipa 214 cpu组件通过控制由滚珠丝杆和直线轴承构成的垂直伺服系统完成自动进料，定位，退料等工序；通过控制由进口滚珠丝杆推拉机和压力传感器构成的水平伺服系统完成加压、测量、复位等工序，在规定的压力下由一组电子千分表所测得的硅钢片叠厚数据，本装置具有对试样自动测量宽度和称重的功能，也可手工输入宽度和重量数据。配合托料系统加装一套自动循环送料装置，可自动完成试样的放置和回收。所有数据经过计算机作相应处理从而完成整个测量工作，大大提高了采集精度和工作效率。

2  设计任务

2.1 工艺过程

启动，自检，复位，待料。放置被测试样至送料器。送料器送入被测试样。送料器将被测试样送入转料叉。转料叉将被测试样翻转90度。转料叉将被测试样送至预定位置。托料叉上行，托起被测试样。托料叉将被测试样送至测宽位，转料叉退出。被测试样进行宽度测试。宽度测量完毕，将被测试样送入电子称料叉，进行称重。重量测试完毕，托料叉上行，将被测试样送至叠装系数测试位。标准压块与测量平板将被测试样压紧，进行叠装系数测试。叠装系数测试完毕，托料叉上行，转料叉进入。托料叉将被测试样置入转料叉后退至待料位。

转料叉退出，将被测试样翻转90度平行于操作平台。送料器将被测试样送出转料叉。取走被测试样，待料。

2.2 主要测试功能

应加荷重范围0-10kn；叠层高度0-25mm。测定精度：附加载荷：压强(1.00±0.05) mpa。叠层高度：测定值的±0.2%。测定试样：爱普斯坦方圈试样：30mm×300mm。厚度测试尺：日本三丰，测定范围0-25mm，测定精度0.01mm；通讯机能：计算机自动读取测试需要测试的试样信息为上位机传来的信息，也可手工登记试样信息。多余的信息可。试样的重量由计算机自动从电子秤读取数据，精度为±0.1%。试样的宽度由计算机自动从宽度测试尺读取数据，精度为±0.1mm。也可手工输入宽度数据。自动进样。

2.3 叠装系数的测定

压强为(1.00±0.05)mpa，由计算机进行自动设定。压力设计成具有压力标准可修改的功能。自动进行载荷设定，具有压力限报警保护功能。自动进行数据测定和叠装系数的计算，数据可自动上传给上位机，并可用打印机打印。操作界面根据用户习惯采用表格形式，分为微机操作和触摸屏操作两个部分，均可立操作互不影响。标样测试具有单的标样测试画面，且可预先输入标样数值及上下限数据，对出上下限的测试予以警示。

2.4 数据处理

测量数据存入数据库中，并可随时调用。所有测量数据都能转换成excel格式文件。 具有打印、查询、统计分析功能。

2.5 其它功能

(1) 网络通讯功能：本计算机须接入局域网，与上位机之间具有双向通讯功能。本计算机数据库格式满足用户实际要求，并且根据用户实际数据库情况进行配置。上位机发送的信息日后可能会发生变化，应预留日后易于修改的格式。

(2) 故障报警功能：设备发生故障时，应该具有自诊断功能，显示故障大致部位及引起故障的原因和排除方法。

3  系统配置

升降、测厚电机均采用伺服电机，驱动器采用kinco的系列edp200 pa，操作和生产工艺参数显示采用eview的mt-501t触摸屏，全线控制采用 vipa公司的200v plc构成。vipa 214dpm的profibus和ed200 pa和mt-501t通讯。系统配置如附图所示。

 附图  系统配置图

3.1 硬件配置

电源模块vipa 207-1ba00；cpu+dp主站：vipa214-2bm02；模拟量输入模块：vipa 231-1bd53；通信模块：vipa 240-1ba20；开关量输入模块：vipa 221-1bf00；开关量输出模块：vipa 222-1bf00；开关量入/出模块：vipa 223-1bf00；操作面板：eview mt501t；驱动装置：edp200 pa；伺服电机：kinco 23s31。

3.2 软件组成

编程软件：sw-873(winplc7)；伺服组态软件：eco2win；组态软件easybuilder500。

4  系统设计

4.1 升降位置控制

升降用于试样宽度检测。电机采用交流伺服电机加伺服驱动器控制。升降速度、位置由速度电位器通过mt-501t送入vipa 214 cpu，再通过dp网由vipa 214 cpu加到ed200 pa上。由于测量精度的要求，升降的加速度不能太大，因此升降速度的设定采用pid运算。

驱动器类型:ed200 pa，0.4kw。设定：p6040＝06(停)或1f(运行)；p6060＝3；p6081＝1000；p6083＝100；p60ff＝0.8；p60f601＝8000；p60f602＝50；p60f606＝10。

4.2 测厚位置和速度控制

由于测厚速度需根据压力自动调节速度(u＝k*d*1/p)。

其中u：测厚速度，k：修正系数，d：两板距离，p：读取的压力值。所以测厚电机驱动器的设定由以下两个因素决定：

(1) 测厚位置通过旋转编码器测定，其信号通过驱动器的dp 口送入vipa 214dpm plc，plc测量高速计数器的计数值即为测厚位置。

(2) 压力设定通过mt-501t设定，在运行中不断读取压力值p并送入plc。

plc将上述两个参数相乘(压力的倒数)并乘以相应的修正系数(根据机械变速比决定)，需要注意的是，由于测厚电机在使用过程中需要高速换向，因此当收到换向信号时，电机需要高速的降速和升程，ecostep200 pa需外接制动电阻。

测厚驱动器类型：ed200 pa，  0.75kw。设定：p6040=06(停)或1f(运行)；p6060=3；p6081=3000；p6083=100；p60ff=1.5；p60f601=8000；p60f602=50；p60f606＝25。

4.3 技术特点

(1) 电工钢叠装系数的测量方法由传统的垂直下压方式改变为水平方向拉动加压，既简化了仪器的结构，又了直立式压力机构由于自重产生的压力偏差，提高了测量精度。

(2) 垂直伺服系统采用托料叉承载试样，使试样放置方便，，。

(3) 在托料系统上方加装测宽装置，在托料系统下方加装称重装置，则可一次完成测宽，称重和测量叠装系数三项工作，使仪器功能具有可扩展性，大大提高了生产效率。

(4)配合托料系统加装一套自动循环送料装置，可自动完成试样的放置和回收。

(5)预留了全自动生产线的机械接口和电气接口，使自动送料循环系统可在硅钢片试样的系列检测流程中与其他检测装置衔接，从而为生产线上前后设备的连接提供了方便。

5  结束语

该测试仪从2006年初投入使用，各个性能指标满足对硅钢片的叠装系数测定要求，不仅能完成自动进料、定位、加压、测量、复位、退料等工序，而且具有试样自动测量宽度和测厚功能，不用人工干预。其卧立侧压式的设计减少了压头自重所致的测量误差，提高了测量精度，并增加了自动测宽测厚系统，故障率低、维护简单，大大提高了数据采集精度和工作效率。可以相信vipa 214dpm和ed200 pa的优良性能和高的性能价格比使它们在测试仪器上具有广泛的应用前景。