西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0介绍说明

西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0介绍说明1  引言

工程设备的数字化、信息化及施工管理一体化是当前工程设备的发展热潮，自20世纪90年代始，发达国家的制造业就已经开始进行相关技术的探索，大量应用于先进的工程设备设计中。同时,以微计算机为代表的智能控制器被大量采用，智能节点间的信息增加。将车载电子设备按照一定的协议联网，并加以有效地信息综合，使之达到资源和功能的共享已成为发展趋势。

现场总线技术是指把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通讯息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。CAN（Controller Area Network）总线,又称控制域局域网，属于总线式串行通信网络，较早由BOSCH公司在80年代提出，由于可靠性高、实时性强、灵活方便，便于检测维护，因而被广泛应用。在工程设备领域，美国CAT公司生产的CAT980G装载机，日本小松的WA380-3和WA500-3，日本川崎的KLD80ZⅢ等均采用CAN总线技术，提高设备的整体控制技术水平。

根据CAN总线的技术特点，本文设计了一种基于CAN总线的工程设备控制系统，通过分布式智能控制来提高工程设备的控制技术和信息化水平。

2  系统组成与功能特点

2.1  系统组成

传统的工程装备控制系统采用集中式控制，除主控制器外一般都不具备可智能化的条件。基于CAN总线的控制系统采用分布式智能总线控制，将各功能模块做成智能终端，再通过CAN总线连接，并辅之以一定的通讯协议，这样不仅提高了整个系统的可靠性及智能化水平，同时降低了系统的复杂程度。

系统由主控制器、操纵盒、传感器、执行机构和虚拟仪表等组成，各部件采用CAN总线互联。主控制器负责系统的信息协调与处理；作业终端是作业手对作业过程进行干预的主要手段；传感器负责感知系统的状态；执行器负责完成经主控制器处理后的动作；虚拟仪表提供了一种可视化的人机界面，用文字或图形的方式告知作业手器材当前的状态；调试诊断仪负责定位系统故障源。各模块都是自成一体的智能终端，各模块可以有多个，只要给它们分配不同的标识符（ID号）即可，各模块通过4芯屏蔽电缆并联起来，4芯电缆中2根（电源正和电源负）用于给终端供电，另外2根（CANH和CANL）用于终端间通信

2.2  系统功能特点

与传统的集中式控制系统相比，本控制系统具有如下功能特点：

（1）    防误操作功能。设计人员可以很地通过软件编程屏蔽掉本系统中可能出现的误操作，而只开放允许的操作，同时还可根据需要发出声光报警，告知作业手有操作错误；

（2）    作业向导功能。操纵盒的智能化和系统数据的共享使得设计人员可以根据作业过程，通过软件编程点亮相应的指示灯，告知作业手许可的操作。实现器材操作的“傻瓜”化；

（3）    系统自我诊断自我恢复。智能化终端可以方便地对自身的状态进行诊断，并向总线发送相关信息供其它智能节点处理用，使器材使用者不用掌握太多的专业知识就可以容易地判断问题所在；同时对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复

（4）    状态指示。通过虚拟仪表或操纵盒指示灯指示器显示系统当前状态。

（5）    数据共享，信息全面，可靠性高。系统的所有数据都可在CAN总线上接收到，可以很容易地实现信息共享，减少了数据的重复处理，降低了对主控制器的要求；同时CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。系统采用模块化管理，各模块按其功能分散布置，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力；

（6）    扩充性强，产品升级快，性价比高。

（7）    参数配置灵活。可以通过CAN总线进行参数配置，如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制极性(正负控)，模拟量可根据厂家提供的传感器性能曲线进行校正，相关位置量也可以方便地进行总线标定，缩短产品调试时间。

3  总线通讯协议设计

CAN 通信协议主要描述设备之间的基于基本CAN通信的应用程序信息传递方式。CAN 通信层的定义与开放系统互连（OSI）参考模型一致，但只定义了较下面两层：物理层和数据链路层。由于没有规定应用层，因此CAN协议本身并不完整，需要一个应用层协议来定义CAN报文中的标识符（11/29位）、8字节数据的分配与使用。目前国际上使用较多的高层协议有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程设备的控制节点一般不多，完全可以根据自身特点，设计的应用层协议。下面给出几个实用的设计方法。

3.1  报文ID的设计

在通信标识符，即ID号分配时，对于关重信息帧或要求快速响应的信息帧采用低号ID，如装备控制中需要实时反馈信号的各作业机构到位信号；对于传递仅用于监测而不参与实时控制信号的信息帧应采用高ID号，如油温、油压、车姿等状态信息。

另外，在验收滤波器中对验收代码寄存器（ACR）和验收屏蔽寄存器（AMR）正确设置可以屏蔽与该节点不相干的ID号信息，可以提高有效信息的响应速度。

3.2  报文的循环发送与查询发送

对于参与控制的重要信息帧一般应采取定时循环发送方式，保信息的实时刷新；而对于软硬件版本查询、参数标定等需要临时数据服务的则主要采用C/S（客户机/服务器）方式进行信息帧发送，即进行特定的信息帧定义，当服务器收到客户机的参数查询或标定请求后再处理并发送相应的回馈信息帧。

3.3  “心跳”检测

当数据源节点退出总线后（故障或人为退出），接收节点相应的接收数据缓冲区的数据必须进行复位，防止数据不一致造成非期望事件发生。因此，一般要求源节点定时发送“心跳”信息，即设计一特定的信息帧或把特定信息帧中的某一位设计成代表该节点的“心跳”，节点启动工作后每隔一定时间发送“心跳”信息帧或定义的“心跳位”高低电平变化一次，这样如果在一定的时间内没有收到该节点“心跳”信息，则可以判断节点不在总线上，进而做出相应的事件处理

系统构成

系统硬件构成框图如图2所示。本检测器主要由电流电路、A/D转换电路、AT89C2051和键盘显示部分组成。MAX472的SIGN端口与AT89C2051的P3.4相连,SIGN反映被测电流的方向。SIGN为低电平时,传感器两端的电压为负。

MAX472在电流测量电路中的应用

由于电流不能直接由A/D 转换器转换,因此必须先将其转变成电压信号,然后才能转换。所以,电流/电压转换电路在测试器中占有很重要的地位。

常用的电流测量方法是在被测电路中串入精密电阻,通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。这种方法的优点是测量简单方便。但当被测电流较大而串入的电阻阻值又较大时,电阻的压降对电路的带载能力将产生较大的影响;当被测电流很小时,从电阻上直接取得的电压值又可能太小,影响测量准确度。因而,这种直接测量的方法很难选择一合适的阻值,以适应电流变化范围较大的情况,尤其是较小电流的准确测量。由于检测电流须在系统工作的情况下进行,所以上述的串电阻直接测量的方法不能满足本系统的要求。本电路采用两探头触点并接到被测电流的电路上,达到测量的目的。

通过调研和实验,较后选用美国MAXIM公司较新生产的电流／电压转换器MAX472,其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想,且能适应大范围大电流的测量,经过验证和测试,很好地满足了设计的要求。

如需测量流经印刷底板某铜箔线中的电流,可将探针A和探针B并联在铜箔线上,而毋须切断铜箔或断开器件间的焊点串入电流表,并利用图3中Rsence与数厘米长的铜箔线并联,这样由于铜箔线AB段电阻RAB远远大于探头的输入电阻,从而强制将流经铜箔的电流分流至探头。经计算,Rsence =0.1 mΩ。设以1mm宽的印刷电路铜箔为例,测得其电阻率为2mΩ/cm,这样在AB探头并联在1cm铜箔线上时,流过铜箔线上的电流与探头电流之比为：

Iload / I铜箔=R铜箔/Rsence=20

因此,流过探头电流为铜箔线电流的20倍,检测误差为5%,若AB间距扩大到5cm,则检测误差为1%。

电流采样电阻Rsence的选择很重要,它决定了电压／电流的转换比例P。对于较小的电流,Rsence的选择须使得Ｐ较大,才能使得转换得到的输出电压不至于太小而影响测量的准确度。而图２所示的MAX472的应用电路,正是可以通过调整其中的RG1、RG2和Rout来调整P,从而获得较理想的P。理想P的获得是一个试凑计算的过程。 为获得较宽的测量范围,在实际电路中,通过量程切换,改变输入电阻。

随着科技发展，许多企事单位都纷纷安装了自动门，与普通门相比，自动门具有节省空间、方便卫生、美观适用、保密防盗（带门禁功能）等诸多优点。本文介绍的自动门控制器使用简单、工作稳定、廉，采用双速运行、动作迅速。除能实现自动开关门之外，还具有常开、常关、门禁、防误夹等多种功育琶。

一、工作原理

控制器的电原理见附图1，主控芯片采用89C2051，BI-B4是检测自动门所在位置的光电开关（安装示意见图2），其中B1、B4是开、关门限位开关，B2,B3是开、关门减速开关。G1、G2分别是自动门内、外两个开门感应器的常开输出接点，当S1置于自动状态，设门当前处于关闭状态，当有人由内到外或由外到内接近开门感应器时，其常开输出接点闭合，P32变为低电平，单片机检测到这一信号，使P13输出低电平，K2闭合，同时P34输出一定脉宽的PWM脉冲，当脉冲高电平到来时，V4截止，V3导通，V5栅极得到高电平而导通，脉冲低电平到来时，V3截止，V4导通，V5栅极的电荷被迅速放掉而截止。这样，V5工作在开关状态，直流电机以较快的速度正转开门，到达减速开关B2时，P34脚输出的PWM脉冲高电平宽度变窄，电机以较低速度运行，到达限位开关B1时，P13,P14输出高电平，K1,K2断开，同时P34输出低电平，电机停止运行。自动门在开门位置停留5秒后，自动进人关门过程，K1闭合，K2断开，P34输出PWM脉冲，电动机反转，当门移动到B3位置时减速运行，到达B4时关门停止。关门过程中，当有人需要通过而接近感应器G1或G2时，立即停止关门，并自动进人开门程序（在不同的位置以不同的速度开门）。在门打开后的5秒等待时间内，若有人接近感应器G1或G2，单片厂一－下机重新开始等待5秒后，才进人l卜关门过程，从而保证人员安全通｝｝过。M1、M2分别是内、外门禁器｝l的常开输出接点，当S1置于刷卡状态时，开门感应器失效，进出人员只有通过读门、卡才能开门，其原理与自动状态相同。当S1置于常开状态时，由于P32持续为低电平，自动门常开不关，适合于临时工作状态，如上、下班、搬运、清洁、外宾参观等时间段。当S1置于实验／常闭状态时，开门感应器、门禁器均失效，自动门处于常闭状态，适合于需要长时间关门的时间段，如晚上下班、节日放等，若此时按一下AN1，贝们会打开一次，5秒后自动关闭。该功能适合临时手动开门或安装过程中实验用。

防误夹功能可防止在开门感应器失效的情况下夹伤行人，图1中R9是电流取样电阻，当关门过程中夹到行人时，阻力增加，运行电流增大，这时单片机P11脚即内部精密比较器负输人端电压升高，当大于P10脚电压时，内部输出P37变为低电平。单片机在检测到这一信号并经过确认后，立即启动开门程序使门打开，确保人员不被夹伤。当然其他原因也会导致电流增大如果关门时累计3次出现过流或开开门时出现1次过流现象则自动门在打开之后（关门时）立即（开门时）停止工作故障灯LED1亮。提示维护人员进行检查此时故障很可能发生在传动机构、悬吊机件、导行装置、开门感应器等部位。AN2是故障复位按钮。

二软件设计

本装置软件主要有开门、关门、过流判断、定时、计数、延时等程序组成，片内主要RAM分配如下：30H,31H存放定时器TO定时扩展系数，32H,33H分别存放高速时脉冲高、低电平宽度，34H、35H分别存放低速时脉冲高、低电平宽度，3AH存放关门过流采样次数，3BH存放开门过流采样次数，3CH为关门过流发生次数，03H为定时到标志位，04H为关门时过流标志位，05H为开门时过流标志位。

三、其他问题

开门感应器选择微波型或红外线型均可，但必须是标准继电器输出，输出保持时间调节在1秒左右。安装之后应对电机抗阻能力进行调节，调节方法是在大门运行中，用手反方向推拉门体，若很容易停，则调节RPl使抗阻能力变大，反之调小。

    传统的顺槽带式输送机采用电机+偶合器+减速器联合拖动，整套系统由工作在额定转速的异步电动机，通过液力偶合器与减速器来驱动滚筒，通过滚筒与胶带间的摩擦力来带动胶带运转。系统的关键传动设备是液力偶合器，但因液力偶合器起动力矩小、动态响应慢，因此会出现一些不理想的现象，主要表现在:

（1）投入偶合器前要先将电机全频、全压启动后再加液压去偶合减速器。这种启动方式启动电流大，启动力矩小，投切时机械振动大，使胶带受冲击大而易断。

（2）液力偶合器存在机械磨损和老化、漏油、性能逐年降低以及故障率较高、设备维修费用高且难度大等问题。

（3）带式输送机效率低，损耗大，偶合器的投人造成了偶合性无功转差，浪费电能。

（4）液力偶合器故障时，无法切换到工频旁路运行，必须停机检修，且维修复杂，严重影响生产。

（5）液力偶合器不能解决电机同轴传动间的同步与功率平衡关系，造成不少的无功环流电耗。

    针对以上问题，经相关技术论证，淮南矿业集团张北煤矿决定改进工作面带式输送机控制方式，选用唐山开诚电器有限公司生产的ZJT-30型变频器来替代偶合器。

1 对变频器主要技术条件的要求

    由于变频器须安装在有瓦斯、煤尘、爆炸的危险环境中，因此要求变频器具有极高的可靠性和防护性。基于以上工作特点，变频器须满足以下主要技术条件:

（1）具有高可靠性、稳定性、防护性和长期运行的质量指标;

（2）具有工频运行的旁路功能，一旦出现故障，能够让电机切换到工频运行;

（3）能够使3台电机同步软启动、软停止，且启动、停止能按所设定的特性曲线运行，在运行过程中能够自动地实现转差调节和功率平衡调节;

（4）输出力矩不小于电动机额定力矩的2倍，满足负载变化大的承受能力和煤炭压带时的再起动能力;

（5）具有制动能量和电机的转差再生能量的利用功能;

（6）须满足煤矿电控系统的功能接口和监控要求;

（7）带式输送机在煤量不大和安装胶带的情况下要求降速运行;

（8）启动过程要求平稳，无冲击。

2 ZJT一30型变频器主要技术参数

（1）输人电源电压AC660 V/AC1140 V，频率50Hz;

（2）电压允许波动范围一15%一+10%,频率允许波动范围土2.5%;

（3）输出频率范围0一50 Hz连续可调;

（4）起动延时时间0-180。可调;

（5）功率因数cos 0 > 0.95;

（6）变频器设有过压、欠压、过流、过载、功率元件过热和电机缺相等保护;

（7）内含有RS-485通信接口，可与矿网联网。

3 变频器控制与运行

3.1 系统的控制

    系统控制可分为集中控制、远方控制、就地控制3种控制方式。

（1）集中控制方式 这是一种带式输送机保护投入使用、系统由胶带保护进行控制的方式，此时变频器不投人使用。

（2）远方控制方式 此时胶带保护不投人使用，是备用应急开车状态，系统由变频器进行控制。

（3）就地控制方式 此时保护不投人使用，是变频单机点动试运行状态，由变频器就地控制。

    故障状态:当系统不能启动时，可能是系统非正常停车造成的，造成非正常停车的原因有变频器故障、馈电开关掉电、控制接线有问题、3台启动方式不同等。

    双拖状态:当系统中某台电机的控制系统有问题 （馈电开关不能使用、变频器不能使用、电机不能使用、机械系统有问题等），系统可利用其他台电机在减负荷的状态下双拖使用。

3.2 系统的运行方式

    本系统有工频运行、变频运行、变频启动工频运行3种运行方式，其转换由安装在变频器本安腔内部的3挡转换开关控制。工频运行控制方式是一种备用方式;变频运行控制运行方式是试运行的方式，一般情况下不接线，不能使用;变频启动工频运行控制运行方式，是设备的主要运行方式。