西门子模块6ES7212-1BB23-0XB8介绍说明

西门子模块6ES7212-1BB23-0XB8介绍说明

 S7-200系列PLC的通讯端口支持多种通讯协议，此处可以采用的有两种。一种是西门子的PPI主-从协议，利用这种协议主站可以直接对从站，即控制系统中的PLC，发出指令，控制从站的各端口及功能。这种方式PLC的编程简单，不需要对原有从站程序进行修改。但是PPI协议不是一个公开的协议，在文献[4>中提到了一种通过串口侦听获取PPI协议从而利用主站编程控制从站的方式。另外一种通讯模式是自由口模式，利用自定义的PLC程序控制S7-200CPU的通讯端口，使用用户自己定义的通讯协议来实现与外界的通讯。这种模式支持ASCII和二进制协议。自由口模式使用简单、灵活，但需要对PLC进行专门的编程。因为无线遥控所需数据量不大，通过比较，选择了自由口通讯模式，以ASCII码的形式在手持操作器和PLC之间传递命令和反馈信息。在PLC内编写了专门的无线控制程序，实现无线控制状态下的数据通信及对机械手的控制。

    无线数传模块的功能仅为实现PLC与手持操作器的无线通信功能，对于PLC与手持操作器中CPU而言，通过无线数传模块的无线通信与通过串行端口直接相连的有线通信两种方式，在编程上是没有任何差别的。

    单片机与无线数传模块的通信接口则可以选择三种接口模式中的任一种，既可以采用简单的直接相连;为提高稳定性，也可以采用232或485芯片进行电平转换后再与数传模块相连。为保持更好的可扩展性，我们选择了RS-232接口标准。

    3.手持操作器的设计

    手持操作器的功能为通过处理器的数字IO及AD功能检测按钮及摇杆上的操作输入，并将转换后的数字信号进行编码后形成控制指令，通过无线数传模块发出。

    XC166系列单片机是英飞凌科技（Infineon）的16位微控制器产品，其优异的内核结构，的指令集，以及不断扩充更新的产品线，使其广泛应用于汽车电子、工业控制和信息技术领域。该系列单片机具有丰富的接口模式，如14通道10位AD变换器，同步/异步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模块，79个IO引脚等，并可与各种设备组成通讯网络。同时，该系列单片机适应于恶劣的工业环境，工作温度可在-40～125°C。[6>针对我们所设计的手持操作器的功能，我们选择了XC166系列中的XC164CS型单片机。这样只需附加极少的外围硬件，就可以实现所需的功能，同时，使该遥控器具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。

    手持操作器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操作产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操作状态和进行一些功能状态显示;通讯功能，即定时地将采集到的控制指令按规定的格式编码后通过串口以无线的方式发送。

    手持操作器由电池供电，XC166系列单片机及无线数传模块可以满足低功耗的要求。

    4.数据可靠性

    无线遥控操作系统必须保的高可靠性和控制的安全性，避免发生失控和错误控制指令现象，本系统主要通过以下几方面来保证：

    无线数传模块的高抗干扰能力和低误码率，前向纠错信道编码技术;

    串行通讯协议校验，一般采用奇偶校验;

    软件协议校验;通过软件编程，对发送的数据进行校验，可采用CRC校验、交互确认或多次发送对比的方式。在我们的程序中采用同一动作指令重复发送的方式，只有命令指令与确认指令完全相同，PLC才接受指令，否则忽略此指令。这样就完全避免了通信所产生的错误指令;

    PLC的“软件”;在PLC程序中设置定时程序，当超时未收到无线指令时，停止机械手动作，防止由于通讯中断而使机械手失控;

    通过以上四个措施，可以有效地保无线遥控的可靠性，防止产生错误操作指令或机械手失控。

    5.结论

    通过试验证明，这种采用PLC和无线数传模块的遥控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的工业化产品，可靠性高，，扩展性好，因此本方案具有较高的实用价值，简化了设计过程。但手持操作器中的单片机模块尚需进一步的工业化设计，以达到更高的工业可靠性要求，并实现总线通信、自检验等更多功能。

    本文作者创新点：通过设计一种新的架构体系，利用工业化的无线数传模块，将PLC控制与无线遥控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了成本、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求

    0.前言

    可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1>[2>

    在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3>。

    无线数传模块是一种集成式的**于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有可靠性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。

    目**些厂家推出了**的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对**工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。

    在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。

    1.总体方案

    该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向

 摘要：

    随着科学技术的迅猛发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的不断进步，又因为变频器所具有的率性能和良好的控制特性，目前在交流电动机的速度控制中较多采用。使用变频器一个**的优点就是节省能源，而且通过发挥其理想的控制特性，设备使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒压给水在节能和可靠性方面要作具体分析，从而选择更合理控制方式。本文介绍了西门子ECO变频器在在智能建筑中恒压供水方面的应用，对变频器的设计和使用特点做了详细阐述。

    一概述

    在智能建筑日益增多的今天，供水问题成为业主比较关心的问题，所以变频恒压自动供水便提上了日程。以前在一般建筑的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。一般情况下，恒压供水自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。这样变频恒压水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。另外由于水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。与可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

    本系统为可编程控制的变频水压控制系统。系统采用可编程控制器（PLC），可实现手动开环调节、自动闭环调节、远方控制及本地控制。每台电机设置单独的控制面板，具有水压显示、频率显示、工作状态显示功能，变频器故障、可编程控制器故障，可实现声光报警。变频调速器采用西门子公司产品，可实现电机的平滑调节，变频调速器加装交流电抗器及直流电抗器，确保变频调速器电源侧谐波分量小于5%。

    二变频控制恒压供水分析

    大家知道，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3

    N：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数。而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，较终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。

    变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

    由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

    三ECO变频器选用原则

    ECO变频器是SIEMENS公司推出的用于风机、水泵等设备调速节能运行的**变频器。其主要特点是：

    ⑴ECO变频器安装调试容易，维护和运行费用低。由于变频器的特定功能使其产品的成本降至较小，价格便宜，降低了整套系统的成本。

    ⑵ECO变频器能够精确地跟随设**，可使系统有更好的性能。

    ⑶内置PID调节采用了标准比例、积分、微分控制的闭环过程控制，并为反馈传感器提供了标准电源。

    ⑷在运行噪声的控制方面采用了自动开关频率优化，从而降低电机运行时的噪声。

    ⑸ECO变频器针对风机、水泵节能运行的需要，设置了能量优化控制程序，为在运行中搜寻较小能量消耗点，自动升高和降低电机电压。当电机达到稳**的速度（即加程结束时）时通用变频器即在这个速度下运行，而ECO变频器此时开始分析电机的功率消耗。然后开始微小地升高或降低变频器的输出电压来搜索较佳频率，即较低的功率消耗。如果ECO变频器出在升高电机电压时，功率消耗增加了，则变频器的控制策略（能量优化控制程序）就开始降低电机电压，以搜索较低的功率消耗水平，如果出在降低电机电压时，功率消耗增加，则升高电机电压。这样就可搜寻到效率较高，功率消耗较小点并在此处运行。用这种优化节能程序（典型）可节约2%～5%的额定容量的电能。

    ⑹在选择ECO变频器时，不能用它驱动额定功率比它大或者额定功率不足其一半的电机，否则会影响变频器的性能甚至造成损坏。

    四控制系统详解

    为了保持供水系统水压的基本恒定，需要变频器根据给定的压力信号与管网水压的反馈信号进行比较，以调节水泵的转速，达到供水、水压恒定的目的。

    当恒压供水系统处于自动调节状态时，自动控制指示灯亮，系统进入自动控制状态。系统由管网水压传感器作为系统的反馈信号，反馈信号采用4-20mA电流信号，恒压值的设定可在可编程控制器（PLC）中人为设定，通过使用ECO变频器内部的PID控制功能，启动水泵作变频调节运行，并达到恒定的压力值，开成一个动态平衡过程。若设定恒压值为Y0，过程压力值为Yi，当用水量增加Yi＜Y0时，则变频器输出频率上升，转速提高，供水量增大，仍达到恒定的设定压力值，从而开成一个新的动态平衡过程，实现系统的自动控制功能。

    此系统也可进行手动开环调节运行。如管网水压传感器出现故障时，人为将手动/自动开关置于手动位置，系统处于手动调节状态，手动控制指示灯亮，可在控制面板实现频率（液位）手动设定，并变频启动水泵。如所需水压值低于实际水压值时，可人为调整变频调速器的输出频率，达到所需的恒压值。

    系统控制图

    五变频器主要调节参数

    六结语

    在智能建筑中供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一产品。在给水系统中，用水管式传感器水泵输出管网压力，在现场控制器与设定值比较，比较后去控制变频器的输出频率，达到控制水泵转速的目的。如给水管网用户用水量增多，管网压力减少，控制器控制变频器输出频率增加，水泵转速随着增加，增加供水量以满足用户的需求。如给水管网用户用水量减少，管网压力增大，控制器控制变频器输出频率降低，水泵转速随着减少，减少供水量，从而达到节能的目的。