西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8选型手册

结合开放式数控系统的研究开发，提出了将外置PLC与数控系统上位机及多轴运动控制板卡配合使用，以提高其安全性和可靠性的方法。并介绍了它们之间的结构和关系研究并采用串行中断工作方式实现了主机与PLC之间的实时通信介绍了IPC与PLC之问的串行通信锝议和通信方法，并通过所开发的非标数控机床对JPc与PLC之问通信程序的开发进行了详细阐述实际应用表明.所开发的IPC、PLC、PMAC三方之间通信程序完全满足数控机床的工作要求.

关键词：数控机床;数控系统;PLc通信技术;串行通信;中断

数控机床上应用PLC一般有两类：一类是内置型PLC.NC和PLc之问的信息传递是在内部总线的基础上进行，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道.另一类是外置型PLC它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC，一般采用专业化的PLC厂家的产品，它在输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等方面均能满足数控机床的要求.在本数控系统内部的多轴运动控制器提供了内置的PLC，但考虑到它们共用一个CPU，大量的PLC程序运行时占用的伺服循环扫描时间过多，会影响运行过程中的数据运算和位置控制.

同时，机床运行过程中如果CPU出现运算忙或意外的死机会产生极为严重的后果。所以，在本系统中使用了外置型的PLc.独立的PLC可以方便地实现I/O扩展和同上位机连接;且独立的PLC具有独立的CPU及控制电路、程序存储器、I/O接口、通信接口、电源等设备，能够独立于IPC和多轴运动控制器之外工作，既不占用PC和多轴运动控制器的运行时间及资源，也不受二者运行忙和故障的影响，可以更加安全、可靠地保机床运行.

1基于主从式数控系统硬件结构

1.1数控系统的结构

在本数控系统中，作为主机的工控机lPC完成数据的采集、存储、分析处理及显示输出等功能，实现对系统的实时监控，同时完成对现场的实时控制.多轴运动控制器完成电机位置和速度的实时控制、补偿、插补运算、曲线轨迹计算及螺距补偿等工作.下位机的PLC现机床数据采集、工作状态判断及指令输出控制等功能，完成控制机床加工和监视机床运行状态的任务.PLC是数控系统与外部协调工作的一个重要接口，它通过接收IPc传来的指令或向外传递信息，或由DMP的输人单元床操作指令，监控机床的状态，并根据这些输入信息运行时先编制好的机床工作逻辑程序，将通过输出口直接驱动电器控制系统执行相应动作，同时将信息送MMI/CRT进行实时显示.

1.2 PIC与IPC硬件连接

PLC本文选用松下的FPl系列产品的C72和扩展单元E24.采用点对点的通信方式，连接方式如图2所示.PLc与计算机的通信为R显32串行方式，利用PLC和计算机各自的RS232串行通信口.通信线路采用9芯屏蔽电缆

2 PLC与主机的通信

2.1 PLC的串行通信方式设置

PLC的通信端口有一个串行口和一个编程口.编程口也是遵循RS232C协议的串行口.通过串行口实现数据的上传和下载，也用于实现人机界面通信.IPc与PLc建立通信时，为保证通信正常，通信口必须作初始化处理，即IPC、PLC及人机界面必须采用相同的传输格式和波特率.

在PLC上用户不用编写通信程序，但在进行通信之前，必须用编程终端与编程软件对PLc的部分系统寄存器进行初始化设置.系统寄存器412，413，414，417和418用于设置串行通信规格.No.412：选择“∞mputer 1ink”方式;No.413：选择1个停止位，奇校验，传输位数为8位;No.414：传输速率设为9 600 bps.选计算机的串行口coMl作为与PLc的通信端口.

2.2 PLC的通信协议

当上位计算机或其它带串口设备需要同松下电工FP系列可编程控制器通信时，松下电工提供了一套完整的**通信协议给用户以便完成通信的工作，此协议称为“MEwT()”.通信开始先由上位计算机发出呼叫，它包括一些特殊标志码、PLc站号和呼叫字符等，其格式如下：

1)发送命令桢格式

由上位机首先发出，它包括起始码“%”、目的站号、特征码“#”、命令码、块校验码“Bcc”等组成.

现读取继电器ⅪI000的状态，则其发送桢格式为：

“%01#RCSXoo001DCR”，RcS为读单个接点，x0000为发送的文本，lD为校验码.

2)响应桢格式

PLC接收到计算机的呼叫后，首先判断是不是一个完整的信息，然后检查呼叫站号是不是自己的站号，若是呼叫自己，则发送相应信息，否则不予理睬.

设当前输人状态为“l”，则其响应桢格式为：

“%Ol$RCl20cR”，1为X()000的接点状态，20为校验码，

2.3块检查码程序BCC

块校验码是为提高上位机与同PLC通信的可靠性设置的，按照通信协议，上位机也必须进行相应的和校验.将每一个命令帧中的**个字符到该帧中正文的较后一个字符作“异或”运算，井将异或的转换为两个ASCII码，以此为该命令帧的Bcc.接收端计算出收到的帧的BCC,果与发送端传送的BOC不同，可以判断通信有误，并输出校验错误信息.BCC算见BCC函数.

3上位机通信程序的开发

3.1通信方式的选择

FPl是非主动性通信模块，所有通信都需要主计算机发命令控制IPC与PLC之间的通信采用主从应答式，IPC始终处于主动地位，根据需要向PLc发出读/写命令;PLc处于被动状态只能响应IPc的命令，*编程，通信模块自动进行应答，它没有请求发送权.由于监控信息出现的随机性，IPC并不知道何时去读取.因此，通信方式的选择对系统的实时性有一定的影响.

主机接收PLC串行数据可采用查询和中断工作方式实现旧J.查询工作方式是指在程序中主机定期读取PLC的有关信息，当监控点的状态发生变化时，采取相应的处理程序.这种方法虽然简单、易于实现，但由于主机始终扫描串行口，它的工作效率较低，而且对双方通信的实时性产生很大的影响.采用串行中断工作方式接收数据，主机对串行口进行必要的初始化设置后不必再始终监控串行口的状态.在PLC中建立一个通信请求标志位，只有当篮控点的状态发生变化。才被置“l”，表明串行口有数据到达，主机在串行中断服务子程序中读取标志位，执行相关的数据接收和处理任务，主机的处理速度很快，工作效率大大提高.

3.2 lPc与pLC间的串行通信程序的开发在本系统中使用串行通信编程的MS(‰通信控件【”J.MScC¨m控件是微软公司开发的在windo、ⅣS下串行通信编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了串口进行数据输入和数据输出的能力.在vB6.0环境下，通过对MSC[】ITIm控件串行中断属性的相关设置，主机提供了完善的串行端口中断功能，使常见的串行通信中断能力得以大大提升.

MSCc“m控件提供两种处理通信的方式：查询方式和事件驱动方式.比较简单的通信任务可通过查询串口获得相关的信息并进行相应的处理比较复杂的通信任务应该使用事件驱动方式，事件驱动通信是处理串行端口数据接收和发送的一种很有效的方法.Rthreshold和sthreshold属性决定数据发送、接收的方式.当Rthreshold=0时，接收数据不产生OnComm事件，通信程序必须定时主动查询接收数据缓冲区.在RThfeshold=l时，则接收到1个字符就产生()11comm事件，通信程序可以立即响应，从缓冲区中读取数据并执行响应的处理程序.由于通信程序在发送数据时不用进行相应的处理，只需等待，sthreshold属性可以设置为O.在上位机通信程序中，采用中断接收、周期查询发送的方法，可以及时响应通信事件，保证通信的正常进行。

4结论

在机床数控系统开发过程中，由于PLC的稳定可靠而被作为机床逻辑动作的核心控制部件使用.但它自身的信息管理能力较弱，特别是不能给用户提供一个友好的交互界面，妨碍了运行过程的实时跟踪与故障诊断.利用上位机与PLc相结合的办法可以有效地解决上述问题，即PLC完成对系统底层的控制，而IPc则完成系统的监控与信息管理基于VB6.O具有良好的面向对象设计方法、友好的用户界面、简易方便的串行口操作特点，实现PLC与IPC通信的方法，并用于实际的工程项目.

安全PLC需要得到第三方专业机构的安全认证，满足苛刻的安全性和可靠性国际标准。必须彻底地采用系统方法，来设计和测试安全PLC。

在设计安全PLC时，要考虑到很多因素，需要很多的特殊设计。比如：一台安全PLC更强调内部诊断，结合硬件和软件，可以让设备随时检测自身工作状态的不适；一台安全PLC具有的软件，要使用一系列的特殊技术，能确保软件的可靠性；一台安全PLC具有冗余功能，即使一部分失效，也能够维持系统运行；一台安全PLC还具有外加的安全机制，不允许通过数字通信接口随便读写内部的数据。

安全PLC与常规PLC的不同还在于：安全PLC需要得到第三方专业机构的安全认证，满足苛刻的安全性和可靠性国际标准。必须彻底地采用系统方法，来设计和测试安全PLC。德国的TUV*和美国的FM*会提供对安全PLC设计和测试过程的、第三方独立的确认和验证，

特殊的电子线路，细致的诊断软件分析，再加上对所有可能失效进行测试的完整性设计，确保了安全PLC具有测定99％以上的内部元件潜在危险失效的能力。一种失效模式、影响和诊断分析（FMEDA）方法一直指导着设计，这种方法会指出每个元件是怎样引起系统失效，并且告诉你系统应该如何检测这个失效。TUV的工程师会亲自执行失效测试，把它作为他们认证过程的一个部分。

严格的国际标准软件应用于安全PLC。这些标准需要特殊技术，避免复杂性。更进一步的分析和测试，细致地检查操作系统的任务交互操作。这种测试包括实时的交互操作，比如多任务（当使用时）和中断。还需要进行一种特殊的诊断，被称为“程序流控制”和“数据确认”。程序流检查能确保基本功能能按正确的顺序执行，数据确认使所有的关键数据在存储器里进行冗余存储，并且在使用前进行有效性测试。在软件开发过程中，一个安全PLC需要附加的软件测试技术。为了核实数据完整性检查，必须执行一系列“软件失效注入”测试，也就是人为对程序进行故意破坏，来检查PLC的响应是否运行在预计的安全方式。软件的设计和测试带有详细的文件资料，这样第三方的检查员就能够明白PLC的运行原理，而多数软件开发没有使用这种规范的操作流程，这也正好说明为什么众多的垃圾软件会出现那么多的臭虫而无法发现了。 实践证明，该系统设计合理，，减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，为唐钢取得良好的经济效益以及通过产品结构调整增强市场竞争力提供了技术上的**。同时也充分地表明，西门子S7-300PLC在唐钢连铸电气控制系统中的应用是非常成功的。

冷床处于自动工作方式时，如果冷床在推钢机退回后马上动作，则会与推钢机发生碰撞，造成设备损坏，所以，程序中设计推钢机退回动作一段时间后，冷床方可连续正转。另外，应根据冷床电机转速、减速机减速比及主令控制器减速比等技术参数精确计算冷床正转动作时间，以确保冷床连续正转8周，从而完成一次较多8根铸坯的输送工作。程序设计还保证了主令接点的闭合动作将立即停止冷床，从而避免了在控制冷床停止时，电机的惯性造成主令接点旋即打开从而使得冷床继续动作而无法停下来的情况。

5 结束语

连铸系统的控制要点及难点主要有两个方面：（1）确保操作安全。如前所述，在引锭杆的控制中着重考虑了这一点，因此在程序设计中采用了限位开关和时间联锁的双重控制方案，即在正常情况下，由限位开关的动作控制引锭杆存放电机停止；当限位开关失灵时，则由计时器完成这一功能，从而确保了控制的可靠性。S7-300PLC功能齐全的计时器指令为这一功能的实现带来设计上的便利。（2）各部分之间存在着复杂的联锁关系。如必须在闭锁现场操作箱和平台操作箱的前提下才能在操作台进行自动送引锭操作，而当引锭杆工作方式转为手动时，应该自动解除对现场操作箱和平台操作箱的操作闭锁；又比如，为了避免推钢机推头动作时与正在翻钢过程中的翻钢机冲突，在翻钢机的控制中，设计了翻钢机翻钢后的动作自锁和推钢机完成一个推钢周期后对翻钢机的操作解锁。诸如此类的复杂联锁关系还有很多，在此不作一一赘述。借助于S7-300PLC的闭锁及解锁指令可以很方便、灵活地实现这些复杂的联锁任务，从而确实保证了控制的严谨与可靠。

另外，S7-300PLC丰富的网络功能可以充分满足不同控制系统的需求。S7-300PLC既有快速响应远程I/O的Profibus-DP网络，又有采用西门子内**化协议─S7functions协议的Profibus-S7网络，等等。在该系统中，由于公用PLC与流用PLC在控制功能上相对独立，而且彼此之间需要互相传送数据，因此不宜于采用主从方式的DP网络结构，故采用了Profibus-S7网络。公用PLC与流用PLC的CP314*处理单元均由CP342-5模块建立与网络的连接，因此，2台公用PLC、16台流用PLC及2台上位机均为Profibus-S7上的主站，各站之间的通信由FDL（fieldbusdatabbbb）完成，通过FDL便利的连接组态和简单的编程工作，很容易地实现了连铸控制系统的要求。

实践证明，该系统设计合理，，减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，为唐钢取得良好的经济效益以及通过产品结构调整增强市场竞争力提供了技术上的**。同时也充分地表明，西门子S7-300PLC在唐钢连铸电气控制系统中的应用是非常成功的。