西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8库存优势

西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8库存优势

 电动转椅分为水平旋转系统、摆动系统和控制系统三部分。水平旋转系统、摆动系统分别用伺服电机作为运动执行部件，由两台伺服驱动器控制电机的转速和转动方向来实现现转椅的转动和摆动。

1 引言

航天员在载人航天飞行时要遇到多方向的复合旋动。要适应这些复杂的运动，航天员在上天前必须进行严格而艰苦的训练。电动转椅是用来对航天员进行前庭器官适应性训练的主要设备之一。为了向大众普及前庭刺激的效果和感受，我们为某科技馆研制了能够同时旋转和摆动的复合电动转椅展品，以s7-200plc为核心设计了该展品的两自由度控制及与上位机通信功能。

2 功能要求

转椅要求能够在水平面上顺时针和逆时针旋转，旋转角速度可选择在60～180°/s五档，角加减速度限制在5～10°/s2，达到设定转速后保持匀速旋转；垂直面内的摆动幅度±30°、±45°两档，摆动频率0.1hz、0.2hz两档。转椅效果如图1所示。



3 控制系统方案

电动转椅分为水平旋转系统、摆动系统和控制系统三部分。水平旋转系统、摆动系统分别用伺服电机作为运动执行部件，由两台伺服驱动器控制电机的转速和转动方向来实现现转椅的转动和摆动。正常运行情况下由操作人员在控制台上通过人机界面设置转椅运行旋转速度和摆动角度、运行时间等参数，确认后按下控制台启动按钮启动设备，运行时间结束自动停止在初始位置。如受试者感到不适则可按下转椅扶手上的报警按钮，操作人员在控制台接收到报警信号后按下停车按钮，转椅可在5～10秒内停止；如设备出现异常，操作人员按下紧急停车按钮，转椅可在1秒内紧急停止。在转椅水平旋转初始位置设置位置传感器以控制转椅旋转停止在初始位置，分别在转椅垂直角度0°、±30°、±45°共五个位置安装型位置传感器以限制摆动角度。控制系统采用西门子公司的s7-200系列plc作为核心控制器，型号为cpu224xpcn，本机集成14输入、10输出共24个数字量i/o点，保证了系统需求且有一定冗余，而且该型号plc集成2个较高100khz的高速脉冲输出（hsc），对应端口q0.0和q0.1，可用于控制步进电机或伺服电机。上位监控机采用研华工控机，与plc通过自由口方式通信，人机界面设计工具为microsoft vc6.0s7-200提供三种方式的开环运动控制：脉宽调制（pwm）、脉冲串输出（pto）、位控模块。本项目采用pto方式控制座椅的旋转和摆动，即组态plc的两个数字输出（q0.0和q0.1）为占空比50%的脉冲串输出，用于控制旋转和摆动伺服电机的转速。每个脉冲信号可使伺服电机旋转一个固定的角度，脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定旋转速度，即脉冲频率与旋转速度成正比，脉冲周期则与转速成反比。使用plc的q0.2和q0.3作为方向信号控制旋转和摆动伺服电机旋转方向，q0.4和q0.5则分别作为两台伺服电机的使能信号输出，以上plc输出端分别连接至两台伺服控制器输入端。简单的pto运动控制可通过step7-microwin组态软件提供的位控向导完成，由于转椅要求旋转速度及摆动速度可调且运行时间可调，因此采用自定义pto包络参数来设计控制程序。同时本系统为开环控制，对于旋转控制需要确定较高恒定转速对应的脉冲输出频率，以及计算加减程中的脉冲周期增量值，对于摆动控制需要确定摆角及摆动频率所对应的旋转速度及脉冲输出数。已知伺服控制器单位脉冲位移角度参数，得出的旋转的输出脉冲周期与角速度对应关系，

1 引言

可编程控制器是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性较高、耐恶劣环境能力强、使用较为方便等特点，与机器人技术、cad/cam并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是上世纪60年代发展起来的被国外称为“先进国家三大支柱”**的工业自动化理想控制装置，是近年来发展较为迅速，运用面较广的工业控制装置，现已广泛运用于自动化的各个领域。

2 可编程序逻辑控制器（plc）

plc 英文名programming logic controller即可编程序逻辑控制器，是较早于汽车制造行业应用并发展起来的一项技术，用于代替继电器完成机器和设备的自动控制，它的较大的特点是可编程，即根据控制逻辑和控制要求的变化可重新编制程序，而不用象继电器线路一样需要重新更换原器件和重新接线。今天plc已集成了许多高级计算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模块如位置控制、速度控制、过程控制等，并具有了与计算机系统的集成和连网的能力，plc自发明以来在工业自动化、交通控制、电力运输、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。

3 plc发展历史

自1969年世界上**台可编程控制器在美国dec公司诞生以来，plc走过了30余年的发展历程。回顾其发展历程，可将plc技术分为3个阶段：

（1） 传统plc阶段。它是plc的较初阶段，也是现代plc的基础。

工作原理

plc的工作原理是：首先读取输入接点的状态→然后执行程序→然后根据程序的执行刷新输出接点的状态→然后再读取输入接点的状态→读取输入接点的状态，如此循环执行。

由plc的工作原理可以看出：从输入端的信号状态发生变化到输出端的信号变化，中间需要执行程序（用户程序、系统程序），程序的执行需要时间，而且这个时间是不可预测的，在某些应用场合这是不允许的，如位置控制、速度控制、需要高速响应的控制，这就使得plc在这些场合不能使用或需配置昂贵的**模块。plc系统的核心是微处理器（cpu），为防止系统程序跑飞，产生误动作，必须采取一系列硬件和软件的措施去克服这一问题，同时由于plc使用的是梯形图语言，系统本身必须带有功能强大的编译器，这样就使得plc构成的系统具有较高的价格。而且程序跑飞、编制的程序出现死循环等依然是存在的隐患问题。

（2） open plc阶段。open plc又称pc base plc、soft plc，是较近几年提出的一种概念，它是基于开放式pc平台和开放式开发软件的plc，它能方便的与其他软件集成及网络集成。

open plc只是在它的开发环境方面提出了一个新的概念，即开放性、标准化，它的运行原理方面与传统plc相比具有实时多任务运行机制，但仍然是基于程序执行这样的基础。因此它并没有从根本上解决传统plc存在的问题，在其实现的系统中依然存在。

（3） 现场集成阶段。也就是hard plc阶段，它是一个全新的代名词，也是一个plc的较新发展动向。它采用现代可编程逻辑器件cpld/fpga（complex programmable logic devices & field programming gate array）作为硬件平台，采用eda（electronics design automation）开发工具配与硬件描述语言hdl（hardware debbbbbbion lange）做为开发软件平台，象传统plc一样它同样是可编程的。

hard plc则抛弃了传统plc“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，而编程改变的也只是其芯片内部的硬件连接，而不需运行软件程序，因此自然没有程序跑飞、开机复位及自带语言编译器等问题，其完成的功能与传统plc相同，而系统的造价仅是传统plc系统的十分之一，甚至更少。在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，而且信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，所以可用于精确控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图像处理、高速机械等。它从根本上解决了传统plc存在的不足，代表了传统plc的较终发展方向。

4 plc的发展趋势

随着微处理器技术、**大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展，可编程序控制器也得到了迅速发展，其功能已远远**出了其定义所指的范围，其概念也日趋模糊，现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面：

（1） 用高性能器件，尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如，德国festo公司的ipc（industrial pc）由一系列符合工业标准的模块组成，它与微机兼容且具有plc的功能。

（2） 丰富i/o模块，使plc在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。

（3）进一步强化网络功能，以实现信息管理自动化。例如ipc型控制器具备多种现场总线接口。如festo总线、profibus、as-i、can等，以及各种网络连接模块，如novell等，从而使plc与plc、plc与pc、plc与现场设备之间建立通讯联网。

（4）多种编程语言并存，互补不足。ipc型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外，还可以用iec1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及c、basic等计算机语言进行编程。

（5） 硬件结构集成化、冗余化。随着**集成电路（asic，application specific integratedcircuits）和表面安装技术（smt，surface-mout technology）在plc硬件设计上的运用，使得plc产品硬件元件数量更少，集成度更高，体积更小，其可靠性更高。同时，为了进一步提高系统的可靠性，plc产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择cpu单元、通信单元、电源单元或i/o单元甚至整个系统的冗余配置，使得整个plc系统的可靠性得以进一步加强。

5 可编程控制器现场集成技术研究的意义

现行的可编程控制器均是由专门的生产厂商设计生产的，用户选用他们提供的**控制器时，可能只用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，而且**控制器价格高，不经济。而使用现代可编程逻辑器件来实现具有如下优点：

（1） 用户可以根据需要设计控制器的功能，不会造成太大的资源浪费;而且不用带自身**的编译器，从而大大降低了系统的价格。

（2）用户逻辑和接口部分可以做在同一个器件内，因而让接口和用户逻辑更紧密地结合;用fpga/cpld芯片组成的系统，很自然地避开cpu的程序跑飞、死循环、复位不可靠等缺点，*采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。

（3）fpga作为控制器的核心，其灵活的现场可更改性、可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上可以进一步提高系统的性能，也就是完成硬件的在系统升级;在线编程是fpga/cpld**的特点，它*改变芯片外部i/o口的连接线，可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对fpga/cpld器件编程，这就打破了使用一般数字器件和plc先设计后装配的惯例，而可以先装配后编程，用在实际系统后还可以反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术的新一页。此外，还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、internet进行在线编程。这些功能在远控或军事领域上有特殊的用途。

（4）fpga的性能价格比很高，用它实现的控制器的价格，几乎只是和它具有相同输入/输出端子市售可编程控制器价格的十分之一;而且其逻辑实现是并行工作的，其速度远远大于plc，这在实时系统中是非常有优势的。

（5）它抛弃了传统plc“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，而且信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，所以可用于精确控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图象处理、高速机械等。

从以上优点我们可以看出，基于fpga/cpld的hard plc能更经济、更稳定、更方便地适应用户的需求，而且其实时性、灵活性远远优于传统的可编程控制器（plc）。因此，可编程控制器的现场集成技术应用非常广阔，具有很强的工程实用价值

Profibus是目前工控系统中较成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口协议进行信息的交换。Profibus-DP（DistributedI/OSystem-分布式I/O系统）是一种经过优化的模块，有较高的率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。Profibus-DP现场总线系统可使许多现场设备（如PLC、智能变送器、变频器）在同一总线进行双向多信息数字通讯，因此可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。济钢鲍德彩板有限公司是济钢集团总公司2003年投资兴建的年产20万吨大型彩板生产基地，其生产线中的固化炉、导热油炉、煤气制氢中的煤气系统必须对煤气通过煤气加压机进行二次加压才能满足生产工艺要求，煤气加压机控制系统采

用Profibus-DP过程现场总线通讯技术方案，自动化控制单元与变频器采用不同厂家的产品，分别采用西门子的S7-300PLC和ABB公司的ACS600变频器。

2系统配置及通讯协议

（1）系统配置

该系统以西门子公司和ABB公司的相关产品来实现全数字交流调速系统在Profibus-DP网中的通讯及控制原理。附图为该系统的Profibus-DP网的网络配置图，其中PLC为西门子公司的SIMATICS7-315-2DP，变频器为ACS600系列，NPBA-12为与变频器配套的通讯适配器。编程软件为STEP7V5.2软件，用于对S7-300PLC编程和对Profibus-DP网进行组态和通讯配置。上位机画面操作采用WinCC5.1进行画面编程和操作，与PLC通讯采用以太网通讯方式。

（2）通讯协议

在本系统中，S7-300PLC作为主站，变频器作为从站时，主站向变频器传送运行指令，同时接受变频器反馈的运行状态及故障报警状态的信号。变频器与NPBA-12通讯适配器模块相连，接入Profibus-DP网中作为从站，接受从主站SIMATICS7-315-2DP来的控制。NPBA-12通讯适配器模块将从Profibus-DP网中接收到的过程数据存入双向RAM中，的每一个字都被编址，在变频器端的双向RAM可通过被编址参数排序，向变频器写入控制字、设置值或读出实际值、诊断信息等参量。

变频器现场总线控制系统若从软件角度看，其核心内容是现场总线的通讯协议。Profibus-DP通讯协议的数据电报结构分为协议头、网络数据和协议层。网络数据即PPO包括参数值PKW及过程数据PZD。参数值PKW是变频器运行时要定义的一些功能码；过程数据PZD是变频器运行过程中要输入/输出的一些数据值，如频率给定值、速度反馈值、电流反馈值等。Profibus-DP共有两类型的网络PPO：一类是无PKW而有2个字或6个字的PZD；另一类是有PKW且还有2个字、6个字或10个字的PZD。将网络数据这样分类定义的目的，是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。

3STEP7项目系统组态及通讯编程

（1）使用STEP7V5.2组态软件，进入HardwareConfigure完成S7-300PLC硬件组态；

（2）选定S7-315-2DP为主站系统，将NPBA-12的GSD（设备数据库）文件导入STEP7的编程环境中，软件组态NPBA-12到以S7-315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型，本设计使用PPO4，设定站点网络地址。在变频传动装置Profibus的结构中，ABB变频器使用Profibus-DP通信模块（NPBA-12）进行，主要是周期性的：主机从从站读取输入信息并把输出信息反送给从站，因此需要在PLC主程序中调用两个系统功能块SFC14和SFC15来读写这些数据，实现到变频器的通信控制；

（3）在主PLC程序中建立一个数据块，用于于变频器的数据通信；建立一变量表，用于观测实时通讯效果。

4变频器运行设置

变频器与PLC应用Profibus-DP现场总线连成网络后，除在PLC自动化系统中进行编程外，在每个变频器上也要进行适当的参数设置。

通讯电缆联接后，启动变频器，完成对变频器通讯参数的

4.1基本设置

（1）51.01—模块类型，本参数显示由传动装置探测到的模块型号。其参数值用户不可调整。如果本参数没有定义，则不能在模块与传动之间建立通讯。

（2）51.02—本参数选择通讯协议，“0”为选择Profibus-DP通讯协议。

（3）51.03—本参数为Profibu

s连接选择的PPO类型，“3”为PPO4，但变频器上的PPO类型应与PLC上组态的PPO类型一致。

（4）51.04—本参数用于定义设备地址号，即变频器的站点地址，在Profibus连路上的每一台设备都必须有一个单独的地址。本次设计中两台变频器分别为2、3号站。［1］

4.2过程参数的连接

过程参数互联完成NPBA-12双端口RAM连接器与变频器相应参数的定义和连接，包括主站（PLC）到变频器的连接和变频器到主站（PLC）的连接两部分。在变频器上设定下列连接参数。

（1）从PLC发送到传动装置变频器的PZD值

PZD1—控制字，如变频器的启动使能、停止、急停等控制命令；

PZD2—变频器的频率设定值。

（2）从传动装置变频器发送到PLC的PZD值

PZD1—状态字，如报警、故障等变频器运行状态；

PZD2—变频器的速度实际值、电流实际值等。