西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8库存充足

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1  引言

在近代工业生产中，可编程逻辑控制器（PLC）以其高可靠性、高稳定性和易编程特性，在大多数设备上一直处于主控*处理器（CPU）的地位。但现代工业发展速度惊人，同时对设备控制提出的要求越来越高：现场大量数据的采集存储，大量高精度浮点数的运算处理，运行速度要求更快，这些在现有PLC构架上都存在较大的瓶颈。计算机（PC）技术的发展正好弥PLC在这方面的缺陷，可以预见，PC和PLC组合控制的设备将更加容易实现设备对控制的要求，PLC在设备控制中将由主控CPU的地位逐步转换为简单逻辑控制和终端执行IO。在这种设备控制构架上，软件的开发显得尤为重要。怎样开发出PC与PLC的通讯驱动程序？怎样分配PC与PLC的运算执行任务？这些是设备控制工程师急需解决的问题。本文开发了Microsoft VB（VB）与常用PLC的驱动程序、采用ACCESS数据库实现了PLC内存数据的实时监控存储以及自动化软件的常用显示控制功能；列举了一些VB自动化软件在工业控制中的应用实例。 

  图1 系统网络拓补结构 

2  VB的特点与工业设备对自动化软件的要求

2.1VB的特点[1]

VB具有可视化、面向对象和事件驱动三个主要特点。

可视化编程能提供较多的界面素材，并且可以直观、动态的调整界面元素的风格和样式；面向对象的编程方式则使程序易于阅读、理解和修改，同时对象能重复多次使用避免了同类型代码的重复编写，节约了开发成本，缩短了开发周期；事件驱动使得用VB编程没有必要建立明显的开始和结束程序，子程序的运行与结束完全取决于驱动事件，这样既节省了CPU资源又加快了运算速度。

2.2工业设备对自动化软件的要求

工业设备一般工作环境比较恶劣，操作人员水平有限，故对自动化软件有其特殊要求：

  (1)界面清晰明了，简单可靠：这是保操作人员掌握设备操作技巧，设备出现故障时能快速找出问题关键所在。

  (2)长期稳定可靠运行：工业设备一般以生产为主要目的，稳定可靠的设备自然是工厂的可以选择。

  (3)数据存储功能：设备运行时的各项参数正常是产品合格的有效保证，如何实时监测并保存设备运行时的参数是现代工业对设备提出的新的要求；对于检测设备为了保证产品质量数据的可追溯性，实时检测保存产品检测数据也是设备制造过程中必须解决的问题。

  (4)部分复杂数据的运算功能：由于受PLC内存的大小及运算速度限制，过多的浮点数运算对PLC来说也不堪重负，自动化软件必须分担部分复杂浮点数运算任务，这样才能使PLC运行更快更稳定。

  (5)操作权限功能：设备的作业是为满足工艺的要求，工艺上的秘密是很多工厂为了保证自身利益不受侵犯的有效，设备在完成工艺作业的同时也应能保守工艺秘密。操作人员权限就是为了这种作用而设置的。 

图2 报警显示查询 

3  基于VB的自动化软件设计

3.1系统网络结构

整个系统采用以太网加设备现场总线网实现，如图1所示.

其中：服务器上安装数据软件，实时PLC现场数据并存入数据库；

办公室终端安装客户端软件，能监视现场设备的运行状态，并查询服务器数据库数据；

操作站安装HMI软件，能实时监视现场设备运行状态，操作现场设备。

以上3种软件均由VB开发。

3.2VB与PLC的通讯

 由于各厂商PLC型号不统一，通讯协议各异，通讯方式也有所不同。

现以OMRON PLC为例，通讯参数：

  (1)传输格式：以太网（速度较快，距离长）或RS232（速度较慢，距离短）。

  (2)传输速率：1Mbps或更高（以太网），较高38400bps（RS232）。

  (3)通讯协议数据格式：

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。

图1 两自由度电动转椅效果图

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CPU224XP CN，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 VC6.0。控制系统组成如图2所示。

图2 转椅控制系统组成

4  运动控制

S7-200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，如表1所示。

脉冲周期增量计算如下式：

式中：

p：脉冲周期增量，单位μs；

S1：初始角速度，单位°/s；

S2：较高恒速角速度，单位°/s；

α：角加速度，单位/s2；

h1：初始脉冲周期值，单位μs；

h2：恒速脉冲周期值，单位μs；

摆动控制有四种模式，如表2所示。

摆动输出脉冲周期与角速度对应关系，如表3所示。

在PLC组态中首先初始化PTO0（对应Q0.0）和PTO1（对应Q0.1），在其**寄存器中设置高速脉冲输出控制字，配置其属性为允许PTO输出、单段管线、允许更新输出脉冲数、允许更新脉冲周期值，装入初始脉冲周期值和脉冲计数值，并建立和打开事件联接中断。初始化完成后根据控制台按钮指令和计算机输入的控制参数执行旋转和摆动控制输出。两自由度运动的包络曲线如图3所示。

图3 电动转椅两自由度运动包络曲线

5  通信接口设计

PLC与上位计算机之间采用自由口通信模式，在PLC中调用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）、接收指令（RCV）来控制通信操作。本项目中采用自由口通信，通信协议自定为9600波特、8位数据位、无校验，因此将初始化代码16#09写入**寄存器SMB30。对于数据发送，采用**发送指令XMT TABLE PORT，其中TABLE为发送缓冲区的首地址，存储要发送的数据长度，其后的地址中保存要发送的数据；对于数据接收，使用接收指令RCV TABLE PORT，通过制定端口（PORT）接收信息并存储于数据缓冲区（TABLE）中。为了PLC能够成功地接收和识别上位机传送的运动控制参数，分配和定义了接收缓冲区，如表4所示，运动控制参数VB102中每一位的含义图4所示。

6  软件程序设计

转椅控制系统上电后，PLC首先进行系统初始化，然后判断转椅在水平和垂直方向上是否处于初始位置，如否则自动低速调整到初始状态。接收到上位机的控制参数并收到启动按钮命令后，转椅首先按照设定角加速度加速旋转至设定转速并保持，转速到达设定转速后开始按照摆动角度和频率设定执行摆动运动，运行时间结束后转椅自动恢复垂直初始位置，同时旋转速度下降并较终停止在水平初始位

1引言

 可编程序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化装置，是为工业控制应用而设计的。由于其可靠性高、适合于各种恶劣的现场环境,其控制程序可变,因此在工业生产中得到了广泛的应用。随着工业生产规模的不断扩大，对生产管理集成的信息化、集成化需求不断提高，PLC控制系统也逐步从单机分散控制向着多机协同的网络化控制系统发展，plc的具有了灵活的通信能力，PLC的通信包括了PLC之间、PLC与上位机之间，以及PLC与其他智能设备之间的通信。

 随着现代电子技术及微电脑技术的迅速发展，微机技术逐渐应用到天平领域，出现了电子天平。电子天平具有数字显示，直接读数、快速称量、操作简便、重量轻、抗干扰能力强等特点，广泛应用于各行业的质量计量。电子天平一般都带有外接通讯接口，以便用户用来接打印机或与其他设备进行通讯，进行在线测量或控制。

 在工业生产过程中，很多时候是由电子天平称量的数据来对做分析和对其他设备形成控制条件，越来越多的用户希望能够将电子天平和PLC之间能够进行通信，形成能够控制电子天平的开机、关机、称量、清零等操作以及称量数据存储和分析等。

2S7-200系列PLC的自由口通信方式

S7-200系列PLC支持多种通信模式。点对点接口(PPI)、多点接口(MPI)、PROFIBUS、自由口通信等，它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、奇偶校验位和一个停止位。在自由口模式中，用户自定义与其他串行通信设备通信的协议，通过使用接收中断、字符中断、发送指令（XMT）和接收指令（RCV），实现S7-200PLC的CPU通信口与其它设备的通信。

 通过将SMB30和SMB130的协议选择域置1，将通信端口设置为自由口模式。SMB30用于设置端口0的通信波特率和奇偶校验的参数，SMB130用于设置端口1的通信波特率和奇偶校验的参数，如附图所示。

 附图 特殊存储器字节AMB30和SMB130 

 只有PLC处于RUN模式时，才能使用自由口模式，当CPU处于STOP模式时,自由口模式被禁止，自动进入PPI模式，可以与编程设备通信。为保证CPU处于RUN模式时进入自由口通信，可以采用S7-200 PLC的特殊寄存器位SM0.7来控制自由口通信方式的进入,当SM0.7为1时，CPU处于RUN模式，进入自由口通信模式。通过向SMB30或SMB130(SMB30用于设置端口0,而SMB130用于设置端口1)的协议选择位置1，可以将通信端口置为自由口通信模式。SMB30或SMB130还用于设置通信波特率、奇偶校验位、数据位。

 发送指令XMT可以方便的发送1～256个字符，如果有中断程序连接在发送结束事件上，则在发送完数据缓冲区的最后一个字节后，端口0会产生中断事件9，端口1会产生中断事件26。可以监视发送状态完成状态位SM4. 5和SM4. 6的变化。在自由口模式下发送指令XMT将数据缓冲区(TBL)的数据通过*的通信端口（PORT）发送，TBL*发送区的格式如图所示，起始字符和结束字符是可选项，**个字节“字符数”是要发送的字节，它本身并不发送出去。

 接收指令RCV可以方便的接收一个或多个字符，较多接收255个字符，如果有中断程序连接到接收结束事件上，在接受最后一个字符时，端口0产生中断事件23，端口1产生中断事件24。可以监视SMB86或SMB186的变化，而不是通过中断进行报文接收。SMB86或SMB186位非零时，RCV指令未被或接收已经结束。在自由口模式下接受指令RCV通过*的端口（PORT）,将接收的数据信息存储在数据缓冲区（TBL）中。

3电子天平的通信

 电子天平选用了美国奥豪斯CP系列CP153型号高精度电子天平，其通讯接口为RS232方式，可以采用ASCII码方式与相关的设备进行通信，可通过串行通信方式向电子天平发送控制命令，从而实现电子天平的称量和数据的传输，CP153电子天平的常用命令的ASCII字符串和电子天平的返回信息如附表所示。

附表 电子天平常用命令

命令（ASCII字符串） 命令含义 电子天平返回信息

ON+回车 开机 OK!

OFF+回车 关机 OK!

P+回车 称量 返回当前称量值

T+回车 清零 将当前电子天平的称量值清零 

4电子天平和S7-200 PLC的通信

如何实现对电子天平数据进行采集、处理和控制已成为工业控制中经常遇到的问题。电子天平一般采用ASCII码方式与相关设备进行通讯。

由于电子天平通讯接口为RS232方式，不适宜远距离传输，而通过有源模块RS232转RS485转换后，将RS232信号转换为RS485信号，即完成与S7-200 PLC的RS485信号进行通信，又实现了远距离信号传输。

在S7-200 PLC的自由口通信模式中，用户可以定义通信口的波特率、每个字符的位数、奇偶校验等参数发送数据。根据实际情况的需要，将S7-200PLC和电子天平之间的通信协议数据设置为波特率9600，数据位8位，无校验位，1位停止位。电子天平可以通过其自身的菜单导航可将这些数据设置。

将电子天平和S7-200 PLC之间通过一个RS232转RS485模块，实现了两者之间的硬件连接。

5S7-200 PLC的发送和接收部分程序

S7-200 PLC的发送程序分为设置其自由口通信参数的程序和发送电子天平能够接收的开机、关机、称量和清零命令的程序，该程序由S7-200 PLC的特殊功能寄存器SM0.1上电初始化完成。

 系统上电后，S7-200 PLC写入其自由口通信的各个参数，设置为串口1通信，波特率为9600，数据位8位，无校验位，1位停止位，使其与电子天平的通信方式一致。并且发送接收信息的控制字节，设置接收信息的起止字节为16#68和16#67（ASCII字母h和g），接收字节数为20个，程序如下：

 LD   SM0.1  //

 MOVB   16#09, SMB130 // 串口1，无校验位，八位数据位，自由口通信

 MOVB   16#E0, SMB187 //接收信息控制字节， 

 MOVB   16#68, SMB188 //设置接收信息起始字节 16#68 （ASCII h ）

 MOVB   16#67, SMB189 //设置接收信息结束字节 16#67 （ASCII g ）

 MOVB   20, SMB194 //设置接收字节数为 20 个

S7-200 PLC上电的同时写入发送电子天平能够接收开机、关机、称量和清零命令的地址和该命令的ACSII码对应的十六进制字符：

 LD   SM0.1

 MOVB4, VB200  //发送命令 on开机  

 MOVW   16#6F6E, VW201

 MOVW   16#0D0A, VW203

 MOVB   5, VB210   //发送命令 off   关机

 MOVW   16#6F66, VW211

 MOVB   16#66, VB213

 MOVW   16#0D0A, VW214

 MOVB   3, VB220  //发送命令  p称量

 MOVB   16#70, VB221

 MOVW   16#0D0A, VW222

 MOVB   3, VB230  //发送命令  t清零

 MOVB   16#74, VB231

 MOVW   16#0D0A, VW232

S7-200 PLC在发送称量命令时采用了通信口1的中断事件24接收信息完成和中断事件26发送完成的方式，其发送命令程序为：

 LD I0.2  //发送称量命令

 EU

 XMTVB220, 1

 ATCH   INT_0:INT0, 26 //串口1发送完成中断

 ATCH   INT_1:INT1, 24 //串口1接收完成中断

 ENI   //中断允许控制命令

S7-200 PLC的接收数据是在发送电子天平的称重命令以后，电子天平称量的一个稳定数据后发出的一个称量值。串口1发送完成中断，将接收的数据存到VB250存储数据空间，并且重新启动发送称量命令指令，

 LD SM0.0

 LPS

 RCVVB250, 1 //存储数据到VB250存储空间

 NOT

 XMTVB230, 1 //重新启动发送称量命令

 LPP

 DTCH   26  //无条件返回中断指令

S7-200 PLC在接收到电子天平传回的数据后，在经过一段简单的编程将数据提取出来即得到其电子天平称量的物品的重量值。

6结束语

在工程设计设备调试过程中，我们利用了自由口通信方式将电子天平和S7-200 PLC结合到了一起，实现了双向可靠的通信，通过触摸屏可对电子天平进行直观的控制和称量的数据在线显示储存，较终导出报表,并将该设备应用到了工业控制领域。