西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8使用方法

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1　引　言
在过滤嘴生产线上，包含纸加热、预加热、缝喷嘴、胶水容器温度等6路温度信号。它们对温度的要求很高，要求温度保持在140℃左右的恒温状态。实践表明，常规的PID控制器因为**调量过大、易受环境的影响，不能满足实际要求。经过不断研究，人们提出了自校正PID控制器和基于模糊推理的自校正PID控制器设计方法。**种方法需要在线辨识过程模型，计算量大；后一种方法的参数可校正范围过小。在该文中提出了一种新型PID控制算法。该算法计算量小，易于软件实现，在实践中取得了良好的控制效果。

2　系统介绍
系统由1台上位机和3台下位机组成。上位机使用KINGVIEW软件进行编程，实现了实时数据更新、历史曲线和实时曲线显示、报警、数据存储、查询和备份等功能。下位机使用了SIEMENS公司的S7－300 PLC。S7－300采用了模块化设计，在一块机架上可安装各种模块。每块机架板上较多可安装8个模块。若多于8个模块，就必须扩展另一块机架板。两块机架板之间的通讯通过安装通讯模块来实现。3台下位机分别控制装盘机HCF、过滤嘴成型机KDF2和开松上胶机AF2。总的控制点数为200多点。
Step7的PLC网络有以下几种：接口网络（MPI）、工业以太网、PROFIBUS现场总线网、TCP／IP协议网络等。该系统采用了PROFIBUS－DP现场总线网。现场的PLC把分散的数据采集上来，并通过PROFIBUS现场总线送到上位机。

3　新型PID控制算法的原理




图3—1中：yr是给定值，u是控制量，e是偏差，y是输出值。
图3—2中：a、b为所允许的较大误差范围。根据采样时刻的公式：





在每个采样时刻，采集到信号yk后，求出ek及ek。若控制信号是模拟量，根据系统控制原理和模糊控制方法，通过适当加大控制力度或减小控制力度（或提前增加阻尼），使系统输出量趋于给定值。在这里，控制对象是6路电烙铁，它只有上电和断电两种情况，故控制量是数字信号。当反馈值远大于给定值时，就停止加热。这时，输出值开始下降。当降到一定值时，为防止输出进一步下降，向相反方向偏离给定值，就及时开始加热。当反馈值远小于给定值时，就开始加热。这时，输出值开始上升。当上升到一定值时，为防止输出进一步上升，向相反方向偏离给定值，就及时停止加热。通过这种方法，可以使输出值在较短时间内达到给定值。具体处理方法如下（见图3—2）：
（1）在t1和t4阶段：若ek＜－a，则停止加热；若ek≥－a，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：
a）当在t1阶段时，则开始加热。在这里提前加热，是为了防止输出量继续下降，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；
b）当在t4阶段时，则维持原状态。
（2）在t2和t3阶段：若ek≥b，则开始加热；若ek＜b，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：
a）当在t3阶段时，则停止加热。在这里提前停止加热，是为了防止输出量继续上升，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；
b）当在t2阶段时，则维持原状态。

电子时间引信系统从火控计算单元提取的射弹飞行时间数据需要实时可靠地传送给编程装置，为保时间信息传送的准确、及时，我们采用了CAN总线间信息的传输。CAN总线具有**的可靠性和实时性，适合在复杂的战场环境下工作，基于CAN现场总线的时间信息数据接口，可充分保时间信息传送，并为电子时间引信系统提供标准的数据接口，便于应用在其它防空系统的嵌入式改造或未来数字化防空系统中。
CAN现场总线概述
     CAN(Controller Area Network)总线诞生和发展于汽车工业自动控制领域，是两线制“多主对等”总线型拓扑网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，是一有国际标准的现场总线(Field Bus)，目前发展到CAN2.0B规范，应用范围较为广泛。
     CAN总线用“显性(Dominant)”和“隐性(Recessive)”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”，总线接口上同时发送显性和隐性位时，总线值是显性，实现逻辑与。CAN总线的位速率与其传输距离有关，传输距离在40m以内速率较大可达1Mbps，较大传输距离10km上的位速率为5kbps。根据ISO/OSI参考模型，CAN的层次划分为：(1)数据链路层(Data bbbb Layer)，包括逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层()；(2)物理层(Physical Layer)。
     CAN总线的信息以几个不同的固定格式的报文发送，报文传输有四种不同类型的帧：数据帧(Data Frame)、远程帧(Remote Frame)、错误帧(Error Frame)和过载帧(Overload Frame)，数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2种不同格式，不同之处在于标识符域的长度分别为11位和29位。CAN的帧(Frame)由不同的位域(Bit Field)组成，以较重要的数据帧为例介绍帧的结构，数据帧包括7个不同的位域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结尾(如图1所示)。

为了获得的数据发送，CAN总线采取强有力的措施来进行错误检测和处理。报文传输过程中有5种错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、格式错误和应答错误，对于故障的界定有3种状态：“错误”、“错误认可”和“总线关闭”。

智能节点接口技术
     CAN总线采用总线型网络拓扑，实际应用中也可采用具有支线的“树型拓扑”。节点是CAN网络上信息的起点和终点，智能节点是指具有微处理器的节点，它在可靠性、兼容性、信息处理能力等方面具有优势。
     智能节点硬件设计包括CAN控制芯片与MCU的连接和CAN控制芯片与PC机的连接。典型的智能节点结构为“MCU+CAN控制器+CAN驱动器”，具有CAN模块的微控制器（MCU）将前2者合二为一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，操作使用更加方便。PC机上的智能节点设计多采用CAN适配卡，由ISA接口、双口RAM、嵌入式微处理器、CAN控制器、CAN驱动器组成。智能节点软件设计的核心内容为CAN节点初始化、报文发送和报文接收，还包括CAN总线错误处理、总线关闭处理、接收滤波处理、波特率参数设置和自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算。
采用PIC18F458微控制器设计的智能节点如图2所示。

 时间提取单元和编程装置的设计实现
     时间提取单元和编程装置是电子时间引信系统的重要组成部分，两者协调工作完成射弹飞行时间的隔离提取、数据共享和编码发送，设计实现上采用“功能电路+数字接口”的方案，作为节点连接在CAN总线上。两者的机械结构设计要充分考虑与现有装备的机械兼容性和电磁兼容性，不能影响现有装备的结构和工作状态。

时间提取单元的设计实现
     时间提取单元的任务功能是从系统火控计算单元中提取射弹飞行时间，并将其发送到CAN总线上。其电路结构如图3所示，主要由射弹飞行时间数字量隔离提取电路、射弹飞行时间模拟量隔离提取电路、A/D转换电路、控制信号(开关量)隔离采集电路、数字接口、隔离型DC/DC电源模块等部份组成，可以提取16位的射弹飞行时间数字量或1路射弹飞行时间模拟量、8位控制信号，输出为CAN总线信号，使用双绞线在1km的范围内得到高达70kbps的传输速率。光电隔离电路采用双光耦构成电流串联负反馈电路实现模拟信号的线性隔离传输，即用两个相同型号的光耦输入端串联，组成差分负反馈，来补偿光耦的非线性电流传输系数，通常使用双光耦芯片可以得到较好的一致性，使电路传输特性更好。典型的双光耦芯片(如HCNR200)内部结构及其应用电路如图4所示。A/D转换使用ADC0809芯片完成，隔离型DC/DC电压变换器选用爱立信的电源模块PKV3211PI，其输入电压范围为9V~36V，输出电压5V，输出功率2.5W，模块化设计，小体积砖形封装，可以满足要求。 
     视火控计算单元和提取位置的不同，时间提取单元的机械结构设计可采用转接头或总线卡等的不同形式。对于向量式瞄准具，将时间提取单元电路板与射弹飞行时间求取电路板通过接插件直接连接，共同放置于安装盒内；从火控计算单元内部连接件上提取数据时，使用相同型号的连接件(包括公头和母头)作为附加装置，内部将两端对应位置连线，从连线上提取所需数据信号给光耦电路；火控计算机数据总线提取数据，将电路设计成接口卡的形式，直接插在计算机主板空余的插槽上。

编程装置的设计实现
        编程装置的任务功能是从CAN总线上获取射弹飞行时间数据，进行数据编码，并通过射频模块转换为射频信号发送。其电路结构如图5所示，由数字接口、微控制器、无线射频模块和监控电路组成。微控制器AT89S51为电路的核心，完成数据接收、数据编码、射频模块控制、数据串行发送等诸多功能，大大简化了电路结构；监控电路采用X25045，监控微控制器的工作状态，防止程序“跑飞”；数字接口与时间提取单元相同；无线射频模块采用原厂提供的标准电路板(设置为发送状态)，其天线为腐蚀在PCB板上的铜线，在天线外2~20m的范围形成射频编程窗口。

        编程装置电路板安装在长方体形盒里，外部通过接插件分别与CAN总线(两芯插头和插座)和无线射频模块(7芯的插头和插座)相连接。整个编程装置盒固定于炮箱上方，距炮口约2.5m的位置，且将射频模块PCB板有天线一侧朝向管身方向，以便获得较好的射频性能

以计算机在工业控制和管理中的应用为主要标志的工业自动化技术在过去20年间有了长足的进步。进入20世纪90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（Field Bus-FB）技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有性的新技术。

随着物流管理的迅猛发展，物流管理理念很快进入汽车制造行业，而企业生产物流的管理又是现代物流管理环节中的重要一环。对于一个汽车制造企业如何而有序组织各个生产车间各工位材料并及时送到*地点是十分重要的。近年来国际行的汽车生产物流系统就是专门用于现代化生产现场的对流量、物料、质量、设备测量和监控的信息系统，是一个柔性的自动化控制系统。该系统不仅可以使物流通畅及时，实现仓库较小库存，而且可以使管理者及时了解整个企业的生产和物流状况，从而为企业管理层决策提供依据。现场总线技术具有高可靠性和强大的诊断功能，非常适合于物流的控制和信息传输，为汽车企业各生产车间之间生产物料的管理开辟了一种新的思路。

汽车生产物流系统中的现场总线技术

汽车生产物流系统要求信息传输和控制系统具有反应速度快、稳定性好、可扩充性强、可维护性好等功能，采用硬接信号线的方法不但烦琐、昂贵，而且稳定性、诊断性、可维护性、可扩充性差，因此，采用现场总线技术能很好地解决上述问题。

按照国际电工**IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。”现场总线向人们展示了一种全新系统集成的思想，它在自动化系统中，如制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的应用前景十分广阔。作为工业网络体系，现场总线系统的**特点在于：系统的开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与自诊断功能、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等。

现场总线具有节省硬件数量与投资、安装费用、维护费用等优点，用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性。此外，由于它的设备标准化、模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

CANBUS较初是由德国的BOSCH公司为汽车检测、控制系统而设计的。CANBUS为多主方式工作，网络上任意节点可在任意时刻主动的向网络上的其他节点发送信息，它采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，按**级高低接收。CANBUS的传输速率较高可达1Mbs/40m。

INTERBUS（Interbus Fieldbus）由德国Phoenix Contact公司1990年推出，应用于汽车行业、行业、过程自动化等行业。INTERBUS采用集总帧型的数据环通讯，这种通讯保证了的同步性和周期性，全双工的通讯方式和2M的一致速率保了数据通讯的实时性，差分信号传输和专门的总线环路检查保证了强大的抗干扰性和设备实时监控。

INTERBUS总线的各种I/O模块、功能模块可根据生产线的工艺结构实现分布式安装，从而实现分散控制。控制器与现场传感器/执行器之间通过一根总线电缆相连，替代了PLC系统的并行布线，大量降低电缆的使用。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误诊断、组态存储等功能。

INTERBUS是面向I/O的国际标准总线，其恒定的2M传输速率，集总帧的方式，保了的可靠性，使得控制系统与现场I/O设备之间的数据交换具有很高的实时性，是国际上公认的高速总线。INTERBUS具有强大的总线组态、监控、故障诊断功能，在总线控制板、现场I/O设备以及CMD软件上都能对每一个总线设备的状况进行监控，对故障的诊断快，从而较大地提高了控制系统的易维护性和可靠性。 INTERBUS是一种简单器件级简单网络，是一种开放的串行总线系统，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需的网络。因此，INTERBUS总线在汽车生产物流系统中有*特的优势和吸引力。

汽车生产物流系统结构

汽车生产物流系统用于支持同步化物流的需求，系统能使物料供应及时、，同时节省线边占用空间，减少线边库存，并自动统计缺料次数的时间与频次、原因，可有效防止不必要的延误、等待时间甚至由于物料短缺产生停线的问题。整个系统由监控管理部分、主控部分、呼叫部分和应答部分组成，如图1所示。监控管理部分采用工业控制计算机，负责整个系统的监控管理、人机交流、数据通讯和数据保存。主控部分IBS RFC430控制器采用586CPU，提供了一个基于嵌入式技术的硬件平台。集成了总线控制板、程序控制器和Ethernet的标准接口 ，实现了设备层的数据采集，控制层的逻辑控制，直到与管理层的信息交换的三位一体的体系结构。通过Ethernet可以直接对总线系统进行组态和监控。呼叫部分通过现场总线I/O模块（SAB模块），SAB模块具有IP67的防护等级，可直接安装于车间现场，采集检测现场工位呼叫情况，再通过现场总线送到主控部分（远程总线控制器（RFC430））处理，处理信息再送到应答部分（带现场IO INLINE BK中继器模块和串口RS232通讯模块），通过串口RS232通讯模块送到LED显示屏显示所需要的工位材料。

工业软件组态王与现场设备的无缝联接

为了实现上位机工业软件和现场设备信号连接问题，我们利用OPC（OLE for Process Control，过程控制中的对象连接嵌入技术）技术。OPC是一项技术规范和开放的工业标准接口，它采用微软公司的OLE、COM（component bbbbbb model）和DCOM（distribute component obiect model）等技术，并受到众多自动控制设备制造商的支持。OPC作为自动化系统、现场总线、现场总线设备和办公管理应用
程序之间的有效连接方式，使办公室和现场设备之间的数据交换简捷化、标准化。

汽车生产物流系统中往往需要使用各种不同的供应商的自动化设备，以前为了与各设备通讯，必须设计一个**的通讯接口，而且各工业软件必须与每一设备建立单独联接。而采用OPC技术后，由于各自动化设备对OPC的支持和OPC基于OLE、COM、DCOM技术的特点，就能将所有自动化设备都与同一OPC Server连接，而各工业软件都使用COM和DCOM技术与OPC Server连接，通过OPC Server与各个自动化设备通讯。通过采用OPC技术，较大地简化了系统的结构，使原来错综复杂的体系结构变得简单清晰，各工业软件只需注意与OPC Server之间的数据交换，而不必担心具体设备的连接问题。INTERBUS OPC Server是Phoenix公司为INTERBUS总线系统专门开发的OPC Server，工业软件通过它可以很方便的与INTERBUS总线的现场设备通讯