西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0量大从优

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随着测试和测量领域中计算机技术的不断渗透，仪器系统中将更多地采用目前流行的总线类型，如通用接口总线(GPIB)和串行接口总线，以及新近出现的以太网、USB和IEEE 1394等通信总线，本文介绍这个领域的发展趋势。

采用结构化的仪器系统可以很方便地将目前甚至将来的I/O总线集成在一起，因此可以很好地保护已有的软硬件。提供这种通用结构的关键在于软件。利用一些工业标准软件如虚拟仪器软件结构(VISA)和可互换虚拟仪器(IVI)可以将不同的I/O总线集成到一个系统中，并提供抽象层以升级到新的总线，而这一切对用户来说是透明的。采用这种先进结构不仅可以使先期投资继续发挥效能，还能在*了解低层细节的基础上充分利用较新技术。

利用现有常用总线来拓展连接性能

GPIB和RS-232串行总线一直是多年来被广泛采用的通用I/O接口总线。仪器厂商在他们数千万的仪器仪表中应用GPIB接口(主要用于仪表控制设备)的历史已经有几十年。调制解调器和打印机中广泛应用的串行通信规范RS-232也同样被广泛用于各种仪表控制设备。这两种接口的不同点在于：采用GPIB总线的每个控制器较多能够控制14个仪器，而通过RS-232接口只能连接和控制一个设备。

新型总线的优越性能

较近越来越多的独立式仪器开始采用以太网、USB或IEEE1394作为可选的通信接口。基于以太网的仪器控制设备利用了这种总线的*一**的优越性，比如可以实现对仪器的遥控，甚至不同用户可以在不同地点实现对仪器的共享访问。通过以太网实现对仪器的控制已有**的协议(VXI-11)可供使用。

每种总线都有其特点。USB总线是一种即插即用型总线，主机可以对连接到这种总线上的设备进行自动检测和自动配置，因此通过USB接口可以方便地将一些外围设备如键盘和鼠标等连接到PC机上。由于目前USB接口已经成为PC机的标准配置，因此应用人员*再去购买**的控制器。另外值得一提的是，由于通过USB进行仪器控制还没有现成的协议可以利用，因此需要从仪器制造商处获得专门的处理设备。

IEEE1394是苹果公司开发的一种高性能串行总线，虽然微软的视窗98/2000支持该总线，但Inbbb的PC外围芯片目前仍未配备支持该总线的电路，因此在大多数情况下PC机仍要采用IEEE1394控制器。IEEE1394行业协会已经定义了通过1394控制仪器所需的整套协议。

保护投资的桥

由于在采用新型总线方面仪器制造商总要比PC制造商来得慢，因此除了在仪器上直接增加新型总线外，桥的应用成为可行的*二种选择方案。桥本身是一种硬件产品，它提供二种总线类型，主要完成总线间信号的转换，因此原有设备利用桥就能方便地提供新型总线功能。桥能保护人们在硬件、软件方面作出的投资，并能节省大量时间，因此成为一种较佳的透明解决方案。举例来说，如果希望用“以太网到GPIB总线桥”替代GPIB插入式控制器，那么原来用于GPIB插入式控制器的那些代码仍可以不作任何修改地加以利用。

创建灵活的软件结构

A. VISA标准基础知识

为了实现工业化软件的兼容性，VXI即插即用系统联盟开发了**于I/O软件的标准VISA。当该联盟在1993成立之时，业界就存在许多与VXI、GPIB和串行接口有关的非标准实用商业I/O软件。对于这些总线来说，VISA提供了一个公共的基础平台，用于高层多供应商系统软件组件的开发、传送与互通，比如仪器驱动器(driver)、软面板以及应用软件等。虽然VXI联盟定义了这样的VISA标准，但在实现具体的VISA程序的过程中，不同供应商有不同的实现方法。

由于VISA定义了用于仪器通信的应用编程接口(API)，因此当需要升级到新的接口总线或采用混合I/O系统时，可以很好地保护软件方面的已有投资。比如NI-VISA标准就不仅能兼容VXI、GPIB和串行总线，还可兼容PXI和以太网接口。

B. 利用通口模型简化VISA实现

过去的模型存在一个问题，那就是每个供应商设计的VISA标准都是针对厂商自身的控制器开发的，它们不能用于其它厂商的控制器产品。另外，为了适应新接口的需要，不得不安装一套完整的VISA库，有时，来自于不同供应商的VISA库就不能兼容已有接口。

为了解决上述问题，国家仪器公司(NI)采用“通口(passport)”插入式模型重新开发了VISA标准，它对每种不同的总线定义了不同的通信端口或通口。核心VISA库包含各种流行的高层VISA API，NI通口模型负责从核心VISA库中分离出用于连接总线的**通信装置。采用这一模型后，每种不同的总线都需要通过相应的通口才能连接核心VISA引擎，因此在不影响现有接口的情况下能方便地提升新型总线的兼容性。

另外, 利用这一模型能够实现多供应商和多接口系统。与其它仍依赖于组件对象模型(COM)技术的解决方案相比，多平台ANSI-C技术仍将是这种通口模型的基础。除了VISA目前所支持的接口类型外，NI公司承诺将在VISA中增加所有将流行于测试和测量设备的其它兼容性总线接口。

C. IVI的多功能性

IVI组织正在积极为建立在VISA基础上的仪器驱动器(反映了底层通信细节的软件模型)定义合适的标准，以期提供一个功能强大的高性能易用仪器通信协议。这些根据基本标准创建的仪器驱动器包含高层函数，如配置测量或读取波形的函数，这些函数内部已包含了底层的VISA读写功能。结合VISA的功能特点，IVI提供了一种功能强大的体系结构，在此基础上能够较好地实现多供应商多平台的混合I/O测试系统。

D. 软件架构提高互连的性能

随着多供应商多接口系统的普遍应用，人们急需一种能够轻松处理这些系统以及能较大化软件复用的软件架构，而基于VISA的软件架构恰好能满足这方面的要求，并具有以下优点：

1. 可兼容多种连接总线，能方便地设计出包含新旧总线在一起的系统。另外，插入式模型还能提供升级到未来总线的较佳途径，其中也可能包括蓝牙技术。

2. 能够有效地保护硬件投资，并且利用桥产品顺利地将现有硬件合并到原系统中去。采用多接口结构后，*更换所有仪器或等待它们提供新型总线功能就能轻松地使用新型总线技术。

3. 保护系统中技术含量较高的软件投资。在应用桥产品升级到新的控制总线后，可以在不修改代码的情况下控制原有设备。对于仅工作于新型总线的仪器来说，采用VISA的系统仍能照常工作。

4. *再学习过程。虽然采用新型总线对仪器进行编程可能需要设计人员学习全新的API技术，但类似的API仍能与VISA通口模型一起工作。

5. 能兼容目前较流行的仪器操作平台。VISA API目前能很好地工作于bbbbbbs、Linux、Macintosh、Solaris等多种平台。

本文总结

未来的测试系统将由测试硬件加上混合I/O接口组成。在系统的有效寿命期间，保护软硬件投资的较佳途径就是采用一个稳定的能够与多供应商、多接口和多平台系统协同工作的软件架构。

在工程实际中，应用较为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术较为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，较适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 
比例（P）控制 
比例控制是一种较简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 
积分（I）控制 
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 
微分（D）控制 
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“**前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重**调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
    在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是较理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。
    增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的**调，并产生振荡，使稳定性变坏。
    增大积分时间I有利于减小**调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差时间变长。
    增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统**调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。
    在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。
    首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、**调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。
    如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。
    如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。

三菱系列PLC时钟运算应用指令是对时钟数据进行运算和比较的指令，另外还能对PLC内置实时时钟间校准和时钟数据格式化操作。
    一、时钟数据比较与区间比较指令
    时钟数据比较TCMP指令将源操作数S1，S2，S3构成的时间与源操作数S起始的3点时间数据相比较，根据大、小、一致输出驱动目的操作数D起始的3点ON/OFF状态。
    二、时钟数据加法与减法指令
    时钟数据加法TADD指令将保存于源操作数S1起始的3点内的时钟数据同S2起始的3点内的时钟数据相加，并将其结果保存于以目的操作数D起始的3点元件内。
    三、时钟数据读取与写入指令
    时钟数据读取TRD指令将PLC实时时钟的时钟数据按”年（公历）”、”月”、”日”、”时”、”分”、”秒”、”星期”顺序读入目的操作数D起始的7点数据寄存器中，读取源为保存时钟数据的特殊数据寄存器D8013～D8019，分别为“秒”、“分”、“时”、“日”、“月”、“年（公历）”、“星期”。  浮点运算应用指令能实现浮点数的转换、比较、四则运算、开方运算、三角函数等功能，浮点运算应用指令大都为32位指令。
    一、二进制浮点比较与区间比较指令
    二进制浮点比较ECMP指令比较源操作数S1与源操作数S2内的32位二进制浮点数，根据大小一致比较，对应输出驱动目的操作数D*软元件开始的连续3个位软元件的状态，
    二、二进制浮点数与十进制浮点数转换指令
    二进制浮点数转换为十进制浮点数EBCD指令将源操作数S*元件内的二进制浮点数值转换为十进制浮点数值，存入目的操作数D*的元件内。
    三、二进制浮点数四则运算指令
    二进制浮点数加EADD指令将两个源操作数S1和S2内的二进制浮点值相加后，作为二进制浮点值存入目的操作数D中。
    四、二进制浮点数开方与整数变换指令
    二进制浮点数开方运算ESQR指令将源操作数S*元件内的二进制浮点值进行平方根运算，运算结果作为二进制浮点值存入目的操作数D中。
    五、二进制浮点数三角函数运算指令
    二进制浮点数三角函数运算指令包括浮点SIN运算、浮点运算及浮点TAN运算指令，其功能分别是求源操作数S*的角度（弧度值）的正弦、余弦及正切值，并传送多到目的操作数D中。
    六、上下字节变换指令
    上下字节变换SWAP指令实现源操作数S上下字节交换。16位指令将源操作数S低8位与高9位交换；32位指令将源操作数S及相邻的下一元件S+1各个低8位与高8位交换。  PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工**（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（sequential   function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（structured text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
梯形图是使用得较多的图形编程语言，被称为PLC的**编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
梯形图编程中，用到以下四个基本概念：
1．软继电器
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
2．能流
如图5-1所示触点1、2接通时，有一个想的“概念电流”或“能流”(Power Flow)从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图5-1a中可能有两个方向的能流流过触点5（经过触点1、5、4或经过触点3、5、2），这不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图5-1b所示的梯形图。
 

 
图5-1  梯形图
a）错误的梯形图       b）正确的梯形图
3．母线
梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。
4．梯形图的逻辑解算
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的