西门子触摸屏6AV2123-2GB03-0AX0性能参数

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1、 开发可编程自动控制器(PAC)是发展的必然
    10多年前当Internet处于起步阶段，基于PC的仪器还没有出现，那时PLC

了整个自动化领域。即使是今天，那些使用数字I/O进行简单控制的工程师虽然感到PLC是他们的选择。但如果考虑到要使PLC增加视觉、运动、仪器和分析功能等的自动化领域，那只有新一代可编程自动控制器(PAC -Programmable Automation Controlle)才有可能会逐渐。这是当今设计与建立控制系统发展的需要。

    众所周知，设计与建立控制系统放时，工程师们总是希望能使用比较少的设备来实现多的功能。尤为当今，他们需要的控制系统不仅能处理数字I／O和运动，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，同时还能实时地处理控制算法和分析任务，并把数据传送回企业。也就是说，工程师们希望同时拥有PC的功能和PLC(可编程控制器)的性，而可编程自动控制器(PAC-Programmable Automation Controlle)就是这样的平台，它能结合PC和PLC两者的优势(见图1所示)，它提供了开放的工业标准，可扩展的领域功能，一个通用的开发平台和一些性能。是工业自动化领域中比较完善的新兴控制器。

    那“PAC是什么？” 它有什么特征和优势， 值此本文将从PAC的多个方面特征与PLC对比中分折出优势。为此，先述PAC是什么。

    PAC的含义

    PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器。该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的性、坚固性和分布特性。PAC采用现有的商业化技术(COTS)，非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。

    2、 PAC的平台

    快速增长的PAC平台是基于PXI。由于PXI结合了PCI总线的电路特性和Compact PCI坚固的欧罗卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年，当今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1，000多种特的I/O模块，包括模拟I/O、数字I/O、视觉、运动和数据采集。典型的有如下四种PAC硬件平台。
 
    *PXl对工业化PC做了改善，具有实时OS(操作系统)，标准的散热，可选的不旋转固态硬盘和内置的模块间。PXl标准要求所有的机箱能为每个模块插槽提供25W的空气流制冷，这样甚至在使用高功率继电器，高速PXl或CompactPCI卡时也不会使工作系统过热或者缩短寿命。

    *Compact FieldPoint使用工业级的部件来抗强冲击和振动，其工作温度范围为-40oC到70oC，并且具有Class 1 Division 11部和Lloyd's认证。它也采用传导式制冷来代替旋转风扇，由于不使用活动部件而提高了性。

    *Compact Vision系统是为机器视觉而专门设计的坚固的控制器。它使用IEEE标准1394FireWire接口，可以在视觉应用中和16台摄像机通信。

    *CompactRIO是新型的可重复设置的嵌入式系统，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW实时技术。CompactRIO系统采用具有3百万门的FPGA芯片来控制模块化的数字和模拟I/O。这些FPGA芯片可以运行嵌入在芯片里的代码，它的数字循环的速率高达1MHz，模拟循环的速率为150kHz。FPGA可以把信息传回到运行LabVlEWRT的浮点处理器以进行计算和数据记录和通信。由于有金属外壳和传导式制冷，该控制器非常适合用于严酷的环境。
 
    3、PACPLC的多种原因分析。
    之所以PACPLC，将从成本，功能，外形结构，控制器，I／O和软件等六个方面的特征作分析。
 
    3.1成本-为经济的选择
    采用了单一的控制器节省了成本。它具有单一的控制器和机箱，可用于处理数字和模拟I/O，具有运动、视觉功能和模块化仪器，因此不再需要花钱购买多个控制器。正因为如此，如果需要控制系统具有多种功能，如视觉或模块化仪器，那么采用PAC将是为经济的选择。

    3。2有多功能实时控制的功能
    *过程控制进行优化的控制

    由于能源或材料的成本很高的，对过程控制来说，工程师往往要对PID控制算法要进行优化，以地减少浪费。这些算法常常采用如模糊逻辑或神经网络等控制设计技术，从而可以大限度地降低过程控制的稳定时间。传统的PLC所能实现的PID控制算法并没有为特定的过程控制进行优化，若采用的控制算法不仅需要强大的浮点处理器，而且还要占用大量的内存，但若使用PAC平台则可以满足过程控制进行优化的要求。

    *监控的实时分析
    对机器运行进行监控的系统中，需要实时采集来自模拟或数字I/O通道的数据，从而能有效地检测故障状态。则可能需要进行实时的阶次跟踪和振动分析等复杂工作才能有效地检测机器的状况。然而对于这些应用，则可以使用PAC的平台来进行实时地分析工作。

    *控制系统与数据库和网络连接

    利用来自厂房内的实时数据，操作人员可以在控制室内根据所得的信息决策。然而，要使控制系统具有输出现场数据的功能是很困难的。企业系统一般采用标准的ODBC，ADO和XML以获得来自自动化系统的数据。PLC

只能通过标准的OPC进行通信，这意味着需要增加一台PC来采用OPC数据并使用如ODBC(开放数据厍互连)、ADO(数据自动化设计)和XML(可扩充描述语言)这样的标准把数据传送给企业。为了能有效地把现场数据传送到ERP系统中，控制系统能直接和外部数据库通信，据此，可以使用PAC来完成这些工作。

    *网络传送数据对数据加密
    在把控制系统与数据库和网络连接时，是需要考虑问题的。出于的利益，许多厂商选择不把自动化系统和企业数据库相连，但是对于大多数厂商而言，连接所带来的好处要远大于方面的顾虑。尽管可以对PLC加锁来防止他人入侵工厂的网络，但是由于PLC通过以太网发送非加密包，所以它并不适合用于防止入侵。PAC在通过网络传送数据时，可以对数据加密。尽管目前这还不是需要考虑的因素，但是在将来它将是厂房内分布式系统采用PAC的主要原因。

    *多种速度与多个循环的确定性应用
    PLC只能以固定的速度运行，而且它并不是为能以不同循环速率立进行处理所设计的。但如今，复杂的控制系统中常需要多种速率的确定性应用，它需要有多个循环，每个循环以不同的速率运行。这就要求能进行并行处理，而只有在PAC上运行的操作系统才具有这样的特性。

    3。3灵活坚固的结构
    *适合于工厂环境
    选择PLC的一个常见原因是它能在工厂的环境下正常工作。然而，绝大部分PLC是安装在向列箱内。然而在这样的环境里，PXI平台附加的冷却装置，坚固的外表面和增强的抗冲击和振动指标都使系统具有和PLC相同的性。

    *很强的扩展功能
    工程师很希望使用柔性的自动化系统来满足不断新的要求，所以他们需要控制系统具有模块化、灵活性和伸缩性。PLC系统由于受到了I／O的限制，只能在数字和运动方面具有伸缩性，而PAC不仅具有PLC的伸缩性，而且您还可以在系统上增加视觉，模块化仪器或高速模拟I／O。也可以通过以太网来使用多个PC并根据需要增加或减少PC的数目。

    *新或换模块方便
    对于现场工程师而言，大限度地减小故障时间是非常重要的。在对控制系统进行新或换I/O模块时，需要能地减少换或增加模块的工作量。PAC的模块化特性满足这方面的要求。

    3.4控制器
    *具备Pentium4处理器与G字节容量的RAM
    由于采用了现有的硬件来构建基于PAC的系统，所以PAC控制器可使用Pentium4处理器并具备G字节容量的RAM，这样可满足对机器高速状态进行监控时需要高速的处理器和大容量内存的要求。

    *信息存储功能
    PAC则可以根据的时间、方式和数据格式来记录数据。如果无法保存和查看历史信息，那么信息还有什么用呢？而PLC传统上就缺乏数据记录的功能。

    *数字I/O可以提供24V的电压，高达500mA的驱动电流和光学隔离
    传统上，PLC平台的数字I/O只能为工业传感器和激励器提供标准的电压驱动电流。然而，新的如N1 651x系列模块的数字I/O则可以提供24V的电压，高达500mA的驱动电流和光学隔离，并且它还具有定时器，可编程电源启动状态，用于提高性和性的输入滤波器等特性，而成本只有每通道5美元。

    *模拟输入速率可高达每秒200M
    目前某些PLC也具有模拟I/O模块，但是它们的编程十分复杂而且不适合用于高分辨率和大数据量的应用。而PAC所提供的模拟输入速率可高达每秒200M并具有24位的分辨率，这主要由于PCI总线技术速度快的原因，故可采用基于PC平台来提供模拟I/O。

    *高达8轴的运动方式
    在各种平台中，特别是当您需要两轴运动方式时，软件起着主要的作用。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式，而且可以使用NI运动助手对系统进行轻松地配置。

    *视觉应用
    速率是在PLC平台上提供视觉功能的大障碍。目前，无论是要自动监测零件还是检验的包装，都可以在PXI平台上使用用于视觉应用的模拟、数字和FireWire摄像机。可以在控制程序中集成多种视觉算法，如模式匹配，光学字符识别，颜色匹配，规格和颜色检测。

    *通过各种工业化的现场总线提供互联
    和PLC类似，PAC可以通过各种工业化的现场总线提供互联，如FOUNDATION  Fietdbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不仅能作为分布式I／O模块的主控设备，而且也可以作为从属设备添加到已有系统中。

    3。5软件
    *实时操作系统
    在PAC平台上可以使用如RTLinux，PharlapETS，QNX和VxWorks这些实时的操作系统(RTOS)。一般来讲，实时系统的编程很困难，但是使用如LabVIEW RT这样的软件可以变工程师开发实时系统的方式

。现在工程师可以把bbbbbbs上开发的程序下载到实时运载平台上，如PXl控制器。

    *HMI(人机接口)的图像显示
    特别是在混杂和过程控制工业中，大多数控制系统需要一个能连接控制系统的人机界面。一个HMI(人机接口)由一个触摸屏组成，它可以包含一个嵌入式控制器也可以没有。由于基于PAC的系统考虑到了用于I/O的相同控制器的使用，所以也就不需要添加额外的嵌入式控制器来实现HMI的图像显示。

    *容易的开发环境
    虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程，然而对于处理模拟I/O、运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序，为您提供了很大的灵活性，这些通用语言包括C，C++，VisuaI Basic，LabVIEW甚至是传统的梯形逻辑。

    4、从上看出PAC与PLC功能之差异，其PAC可执行较多的任务:
    *实时的振动分析、图像处理．运动控制和CAN；

    *执行自动调节的PID控制，或可调增益的PID控制．模糊逻辑；

    *使用内置Web服务器、FTP服务器和e-mail功能进行通讯。

    5、结束语
    PAC是新一代PLC，其优势可概括PAC有五大特点：

    *多种功能，在一个平台上至少有两个逻辑，运动，PID控制，驱动和处理功能；

    *单一的多规程功能开发平台，采用通用的标记和单个数据库来访问所有的参数和功能；

    *软件工具允许通过多台机器或处理单元处理流程来进行设计，可以结合IEC 61131—3，用户手册和数据管理；

    *开放的模块化结构，反映了从工厂机器布置到加工车间中单元操作的工业应用；

    *采用实际标准的网络接口、语言等，如TOP／IP，OPC，XML和SQL查询。

    由于PAC能为您增加所需的PC功能以用于控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的性。如果您不只是需要集成数字I/O和运动控制，或者需要快的计算机处理能力的话，PAC可能是非常好的选择。为此，当今的工程师除了PLC控制外，其PAC不失为是一种选择，它正自动化领域。而PAC概念将在当今和未来的工厂自动化中发挥重要的作用

西门子S7-400 PLC采用模块化结构设计。各种单的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

       西门子s7-400plc系统组成：

1-- 一个电源模块(PS)：

将 SIMATIC S7-400 连接到 120/230 V AC 或 24 V DC。

2-- 处理单元（CPU）：

可为不同的性能提供各种 CPU，其中一些集成有 PROFIBUS-DP接口。所有 SIMATIC S7-400 CPU 具有高的处理能力。很多 CPU可在一个单的控制器中以多 CPU 处理模式运行，这样可以提。由于具有有效的处理速度和较快的响应时间，所以 CPU可以缩短机器的循环时间。所有 CPU 都带有编程和 PROFIBUSDP组合接口，可在任何时间访问多 125 个 PG/PC、OP，或者其他控制器。该接口也可用于连接多 31 个分布式 PROFIBUSDP设备。

3-- 信号模板（SM），用于数字量（DI/DO）和模拟量（AI/AO）的输入/输出。

4-- 用于连接网络和点对点连接通讯处理器 (CP)。

5-- 功能模板（FM）：

用于解决计数、定位和凸轮控制等复杂任务的根据客户需要，还可以提供以下设备：

6-- 接口模板(IM)：

用于连接控制器和扩展机架。SIMATIC S7-400 的控制器可多与 21 个扩展机架同时运行。

7-- SIMATIC S5 模块：

可以寻址所有 SIMATIC S5-115U、135U 和 155U 的扩展模块。此外，SIMATIC S5 特殊的 IP和 WF 模块既可以在 S5 扩展机架中使用，也可以在 CC中使用(通过适配器盒)。

       西门子s7-400系列plc支持扩展以便于满足用户多个控制器需求：

1-- 多 21 个扩展机架（EU）连接到控制器（CC）。

2-- 接口模板(IM)：使用收发 IM 建立 CC 和 ER 之间的连接。发送 IM 插入到 CC中，相应的接收 IM 插入到下位 ER 中。CC中多可插入 6 个发送 IM（其中多 2 个可发送 5V），每个 ER 中插入 1 个接收 IM。每个发送 IM 有 2 个接口，每个接口可连接 1 条线路。一个发送 IM的每个接口多可连接 4 个 ER（不带 5V 传送）或 1 个 ER（带5V传送）。

3-- 电源模板的插槽规则：电源模块插在 CC 和 ER 的左边。

4-- 采用 ET 200 进行分布扩展：在进行异常大的安装时建议使用。使用 PROFIBUS DP 接口多可连接 125 个总线节点。CC和后一个节点间的大距离：23 km (通过光纤电缆)。

5-- 注意：S5 扩展机架与一个 S7-400 进行分布式连接时：IM 463-2 可用在 S7-400 CC 中， IM 314 可用在 S5 ER 中。下列 S5 ER 可连接到 S7-400 中。

    可通过 IM 460-1 和 IM 461-1 进行5V信号发送进行局部链接；带 MPI 和 DP主站的组合接口，集成在所有 CPU 中可同时连接到 PG/PC、HMI 系统、S7-200、S7-300 和其他 S7-400系统进行通信

----本例说明如何以自由协议实现计算机与S7-200的通信，计算机作为主站，可以实现对PLC从站各寄存器的读/写操作。
----计算机通过COM口发送指令到PLC的PORT0（或PORT1）口，PLC通过RCV接收指令，然后对指令进行译码，译码后调用相应的读/写子程序实现指令要求的操作，并返回指令执行的状态信息。

通信协议
----在自由口模式下，通信协议是由用户定义的。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）、接受指令（RCV）来控制通信操作。在自由口模式下，通信协议由梯形图程序控制。

 指令格式定义

计算机每次发送一个33字节长的指令来实现一次读/写操作，指令格式见表1 说明：

起始字符
----起始字符标志着指令的开始，在本例中被定义为ASCII码的"g"，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符以接收真对该PLC的指令。

指令类型
----该字节用来标志指令的类型，在本例中05H代表读操作，06H代表写操作。

目标PLC站地址
----目标PLC站地址占用指令的B2、B3两个字节，以十六进制ASCII码的格式表示目标PLC的站地址。

目标寄存器地址
----在PLC内部可以用4个字节来表示一个寄存器的地址（但不能表示一个位地址）。前两个字节表示寄存器类型，后两个字节表示寄存器号。

00 00（H）：		I寄存器区
01 00（H）：		Q寄存器区
02 00（H）：		M寄存器区
08 00（H）：		V寄存器区


例如：


IB000的地址可表示为		00 00 00 00（H）
VB100的地址可表示为		08 00 00 64（H）




读/写字节数M
----当读命令时，始终读回从目标寄存器开始的连续8个字节的数据（转换为十六进制ASCII码后占用16个字节），可以根据自己的需要取用，M可以任意写入。
----当写命令时，M表示的是要写入数据的十六进制ASCII码所占用的字节数。例如要写入1个字节的数据，数据在指令中以十六进制ASCII码表示，它将占用2个字节，此时应向M中写入"02"。同理，如果要写入5个字节的数据，M中应写入"0A"。

要写入的数据
----要写入的数据在指令中以十六进制ASCII码的格式表示，占用指令的B14-B29共16个字节。数据区填满，但只有前M个字节的数据会被写入目标寄存器。一条指令多可以写入8个字节的数据（此时M中应写入"10"，代表十进制的16）

BCC校验码
----在传输过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲，此时的指令当然是错误的，为了侦测指令在传输过程中发生的错误，接收方对指令作进一步的确认工作，以防止错误的指令被执行，简单的方法就是使用校验码。BCC校验码的方法就是将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或和，并将此异或和作为指令的一部分传送出去；同样地，接收方在接到指令后，以相同的方式对接收到的字符串作异或和，并与传送方所送过来的值作对比，若其值相等，则代表接收到的指令是正确的，反之则是错误的。
----在本例中，bcc为指令B1到B29的异或和，BCC为bcc的十六进制ASCII码。
----bcc=B1 xor B2 xor B3 xor B4 xor …… xor B29

结束字符
----结束字符标志着指令的结束，在本例中被定义为ASCII码的"G"，不同的PLC从站可以定义不同的结束字符以接收真对该PLC的指令。

PLC在接到上位机指令后，将发送一个21字节长反馈信息，格式见表2
说明：

起始字符
----起始字符标志着反馈信息的开始，在本例中被定义为ASCII码的"g"，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符，这样上位机可以根据信息的起始字符来判断反馈信息的来源。

状态信息
----该字节包含指令执行的状态信息，在本例中

01H		代表		读取正确
02H		代表		写入正确
03H		代表		BCC校验码错误
04H		代表		指令不合法

数据区
----反馈信息的B3到B18为读指令所要读取的数据，以十六进制ASCII码表示。

BCC校验码
----与上位机指令中的BCC校验码类似，它是反馈信息B3到B18的异或和。

结束字符
----结束字符标志着反馈信息的结束，在本例中被定义为26H。

指令中为何要使用ASCII码
----一条指令除包含数据外，还包含必要的控制字（起始字符、结束字符、指令类型等）。如果指令中的数据直接以其原本的形式传输，则不可避免的会与指令中的控制字发生混淆。
----例如本例中，指令的起始字符为"g"，其ASCII码值为67H，结束字符为"G"，其ASCII码值为47H。设要写入的数据中也有47H，并且数据直接以其原本的形式传输，则PLC会因为接收到了数据中的47H而停止接收，这样PLC接收到的指令将是一个不完整的非法指令，很可能造成PLC的误动作。
----为了避免这种情况的发生，可以用文本来传送二进制数据。通过以16进制ASCII码的格式描述数据，每个二进制的字节都可以表示成一对ASCII编码，这对编码表示这个字节的两个16进制字符。这种格式可以表示任何的数值，仅仅使用ASCII代码的30H到39H（表示0到9）和41H到46H（表示A到F）。ASCII码的其余部分可以用作控制字（起始标志、结束标志、指令类型等）。这样，数据中的47H以ASCII码的形式进行传送就变成了34H 37H 两个字节，从而避免了PLC因接收到数据中的47H而停止接收的错误。

表1 上位机指令格式

我们在设计小型的PLC控制系统时，常常会需要在外部改变PLC内部的数据，譬如Counter, Timer或者Data的值，以适应生产过程的需要。而且要求系统关机以后，这些数据还能够保存在PLC内部，当下次开机后，这些数据可以被调出继续使用。
现在许多小型的PLC都或多或少地提供了掉电保持寄存器，以便在PLC断电的时候，保存用户想要保存的数据。但大多数时候，PLC制造厂商为了节约成本，不可能提供足够数量的掉电保持寄存器供系统设计人员使用，所以当被调整的数据项目过PLC内部的掉电保持寄存器的数目的时候，我们不得不减少被调整的数据项目（固定或不用）或者购买具有多掉电保持寄存器数目的PLC，这样的话，就使得生产机械缺乏灵活性和适应性，从而降低产品档次或增加成本。
本人在设计服装厂用热风缝合机时就遇到了这种情况，下面就介绍解决这种问题的一种方法，以便大家设计时参考。
所用PLC：松下FP0－C16T，被调整数据：16个，PLC内部掉电保持寄存器数目：10个『8个数据寄存器（DT1652－DT1659：8个各16Bit）和2个字的内部继电器（WR61、WR62：2个各16Bit）』。如果按常规的一个被调整数据占用一个数据寄存器的方法，这显然不能调整16个被调整数据，而只能调整10个被调整数据。为此，本人专门分析了16个被调整数据的数据调整范围，发现多数数据的调整范围只需要从0～255，即0～28-1；而掉电保持数据寄存器DT1652等内部的数据大小为216-1，即256×256-1；所以我们可以将一个被调整的数据只用到数据寄存器的低8位，那么该数据寄存器的高8位就可以来存储另一个被调整数据。
下面就列出该部分的程序：
1、开机时，分开掉电保持寄存器中高8位和低8位至另外两个数据寄存器：
其中，R9013是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时只动作一个PLC扫描周期的脉冲继电器。
指令F65是一个字与指令，它的作用就是将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据与十六进制数FF进行字与，然后将结果送到一般数据寄存器DT0，这样就可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的低8位；
同样二行的字与指令可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的高8位。
指令F120是一个不带进位右移指令，即：对数据字进行右移时，对高位进行补零。K8表示右移8位。
指令F0是一个字传送指令，就是将一般数据寄存器DT10内的数据传送到一般数据寄存器DT1。
上述程序段的目的就是在开机时将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据分成两个被调整数据。

2、开机之后，将另外两个数据寄存器的数据合并至掉电保持寄存器的高8位和低8位：
  R9014是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时、二个PLC扫描周期开始动作的脉冲继电器。
指令F121是一个不带进位左移指令，K8即左移8位。
  指令F66是一个字或指令，将一般数据寄存器DT20内的数据与一般数据寄存器DT0内的数据进行字或，结果送掉电保持寄存器DT1655。
由上可以看出，在PLC运行的时候，可以任意改变一般数据寄存器DT0和DT1中的数据，而这些改变也同时送到了掉电保持寄存器DT1655，这样，当PLC掉电时，所被调整的数据也就被保存了。
通过同样的方法，我们可以视被调整数据的大小，灵活的使用掉电保持寄存器的每一个Bit位，从而使我们在不增加成本的情况下，提高小型PLC控制系统的性能。