西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8大量库存

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以三种液体混合控制为例，利用PLC 的强大功能，对液体混合搅拌进行了自动控制设计，以液体混合控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程(包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等)均作了详细阐述，旨在对传统的液体混合控制工作进行自动化改造。

在现今、食品、化工等行业中，多种液体混合是的工序，而且也是生产过程中十分重要的组成部分。但是，由于这些行业中所用到的材料，多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致于现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作;另外生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠、工作效等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以，为了帮助相关行业特别是中小型企业改进液体混合工序，从而达到液体混合自动控制的目的，笔者根据所学知识，以三种液体混合为例，设计出以PLC 为核心的液体混合自动控制系统。

本设计主要利用PLC 来实现对多种液体混合的自动控制，系统中的电磁阀、搅拌机和液面传感器通过PLC 按所设定的参数动作运行，从而完成液体自动混合。其要求是将三种液体按一定比例混合，在经过电动搅拌、等待达到一定的温度后，才能将混合的液体输出容器。整个工作过程形成循环状态，在按停止按钮后，系统依然要完成本次混合才能结束。该系统的特点是，对于已经接好的线路，可以通过改变PCL 的程序来改变控制逻辑和参数，具有灵活的运用方式。

1 系统控制要求

本方案采用的是PLC 控制系统来实现控制要求。如图1为液体自动混合装置，其中，Y1，Y2，Y3 是顺序控制液体注入的3 个电磁阀，注入液体分别用A，B，C 来表示。Y4 是混合后液体排出的1 个电磁阀;L1、L2、L3、L4 是混合罐内依次向上的液位传感器，当液体浸住液位传感器时，传感器闭合，否则断开;M 是搅拌电动机。T 是温度传感器，温度**某一设定值时，T 闭合;H 为加热电炉。

1.1 初始状态

容器是空的，电磁阀Y1、Y2、Y3 和电动机M 均为OFF，液位传感器L1、L2、L3、L4 均为OFF。

1.2 启动操作

按下启动按钮，开始下列操作：

(1)电磁阀Y1 先打开，开始注入液体A，并开始在PLC中计时，以控制液体的总流，当液面升至L1 时，L1 为ON，停止注入液体A，关闭Y1。

(2)开启电磁阀Y2，注入液体B，当液面升至L2 时，L2为ON，停止注入液体B，关闭Y2。

(3)开启电磁阀Y3，注入液体C，当液面升至L3 时，L3为ON，停止注入液体C，关闭Y3。

(4)开启搅拌机M，搅拌时间为预先设定为10 s(可以在工程需要时进行调节);10 s 后M 为OFF，搅拌停止。

(5)开启加热器(H 为ON)，开始加热，待加热到T 温度传感器设定值C 时，T 闭合，加热器H 为OFF，加热过程结束。

(6)Y4 打开放出混合液，至液体高度降为L1 后，再经5 s延时(以利于液体全部放出)停止放出。

1.3 停止操作

按下停止按钮，在当前的操作处理完毕后，停止操作，回到初始状态。

1.4 液位报警功能

L4 为安全限制液位传感器，平时为OFF，当液位到达或**过L4 时，L4 为ON，则停止一切活动并报警给工作人员检查系统故障，即该系统具有液位传感器损坏报警功能。

2 系统设计方案

2.1 输入和输出点分配

输入和输出点分配如表1 所示。

2.2 主要器件选择

PLC———根据I/O 的使用点数，拟采用三菱FX2N-48MR型PLC。

供电电源———额定功率为7.5kW，额定电压为380V，额定频率为50Hz。

液面传感器———广州市广盟计量仪器贸易有限公司的GWT-1 接触式水浸传感器。

温度传感器———佛山市顺德区佛诚电子有限公司的FC-Z 型电阻式温度传感器。

2.3 I/O 接线图

I/O 接线图如图2 所示。

2.4 梯形图

梯形图如图3 所示。

3 系统控制过程

3.1 系统控制流程

系统控制流程如图4 所示。

3.2 具体分析过程

(1)当按下SB0 按钮(X0)时，系统启动，Y1 得电并自锁，注入液体A;当液位传感器L1(X1)得电时，Y2 得电并自锁，注入液体B，此时Y1 失电，停止注入液体A;当液位传感器L2(X2)得电时，Y3 得电并自锁，注入液体C，此时Y2 失电，停止注入液体B;当液位传感器L3(X3)得电时，停止注入液体C，同时Y0 得电并自锁，搅拌机开始搅拌，定时器T0 开始计时10 s;10 s 后，T0 得电闭合，Y5 得电并自锁，加热器开始加热，当X5 闭合，即温度T 升高到设定温度C 时，Y4 得电并自锁，开始排放液体;当液位降到L1 时，X1 失电，X1 常闭触头断开，定时器T1 开始计时5 s，5 s 后，Y4 失电，停止排放液体。

(2)在工作过程中，当按下SB6 时，Y1、Y2、Y3 均失电，但Y0、Y4、Y5 继续得电，整个工作过程继续运行到结束。准备下一个循环过程。

(3)在工作过程中，当液位达到L4 时，X4 得电，其常开触头闭合，Y6 得电并自锁，报警器N 报警，同时对Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5 复位，停止一切工作，等待工作人员检查故障。

4 结束语

随着PLC 技术的飞速发展，人们可以对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理等多方面要求。按照本设计组成的液体混合控制系统，采取了一系列可靠的设计方案，利用PLC 实现了对混合过程的精确控制，提高了工作过程的稳定性和自动化程度，具有很高的可靠性与实用性。因此具有广阔的市场前景，适合于各种液体的混合调配。

当然，在该系统设计中尚有许多不足，有些地方的设计思想还不成熟。但是，随着可编程逻辑控制系统的日益发展，相信这套系统在不久的将来，会有良好的发展前景，被我们更加合理的应用于生产实践当中，并带来经济效益。

 针对国内数控改造所面临的一个实际问题，首先提出以PLC 为控制核心的控制系统的总体方案，然后详细地描述了控制系统软、硬件的具体设计步骤，最后成功地实现了X-Y 数控工作台的PLC 精确控制，并通过实验验证了该控制系统的可行性。 

  0 前言

X-Y 工作台运动控制设备的硬件部分是比较成熟的产品，当中很多零部件都是标准件。目前市场**行的产品绝大多数是使用单片机作为控制核心的，使用PLC 作为控制核心的还很少。但在一些老工厂的普通机床数控改造时，以PLC 作为控制核心相对来说更简单。本文提出的X-Y 数控工作台控制系统， 采用三菱公司的FX2n-48MR 主机以及扩展模块FX2n-32ET 作控制核心，PLC 主机通过RS422 口与计算机通讯。设计目标为该系统控制下的工作台工作稳定可靠，系统的分辨率为0.01 mm，工作台的较大移动速度为3m/s，而且工作台具有手动和自动功能。

1 总体方案的确定

PLC 输出低电压、低电流的信号不能实现对步进电机的驱动，需要进行功率放大，再者，PLC 生成的脉冲要完成驱动步进电机必须要有环形脉冲分配，而这些功能可以用步进驱动器来实现。因此确定总体方案如图1 所示。

2 控制系统硬件设计

编写好的控制程序可以通过计算机或编程器经通信电缆写入到PLC 主机， PLC 主机产生高频脉冲信号经过步进电机驱动器输入到电机。本系统的控制电路如图2 所示。

考虑到本控制系统要求多输入点的特点，采用三菱公司的FX2n-48MR 可编程序控制器， 通过连接一个FX2n-32ET 扩展模块一起使用，可以很好地满足系统的要求。本文所选用的步进电机是57HS13，步进驱动器是M535，并且选择30 V 的直流电源对驱动器供电，具体接线如图3 所示。

因为本系统所使用的步进驱动器M535 只有A+、A-、B+和B-共4 个输出端，但步进电机57HS13是8 线的步进电机，必须进行串联或并联接线以扩充输出端。具体接线方法如下：

串联：A+接(A+); C+接(A-); B+接(B+);D+接(B-);A-、C-相接并悬空; B-、D-相接并悬空;

并联：A+、C-接(A+); A-、C+接(A-); B+、D-接(B+); B-、D+接(B-)。

说明：“( )”里代表的是步进驱动器M535 的接口。具体接线如图4 所示。

3 控制系统软件的设计

模块化编程方法是根据控制要求把PLC 编程需要完成的控制任务划分为几个较小功能块，然后对每个功能块分别进行编程，这样各模块之间相对独立、功能单一，具有清晰的结构，大大降低了难度，避免重复劳动，同时获得较高的程序质量。

本控制系统的软件模块主要分为：键盘指令的输入模块、点动模块(连续点动和距离点动)、点定位模块、直线插补模块、圆弧插补模块、系统停止模块、系统提示模块。

(1)这个模块主要是使用“TKY”十键键盘输入功能，使用“输入”键调用“ZRST”功能对各辅助继电器复位，以实现这个模块的循环扫描。

(2)点动模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出，当寄存脉冲总数的寄存器数值为“0”时，就实现连续点动，当寄存脉冲总数的寄存器数值为正数时，工作台走完*的步数就会自动停下，实现距离点动。

(3)点定位模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出， 寄存脉冲总数的寄存器数值分别为“X”、“Y”的坐标值，而点定位的方向由“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”按钮决定方向信号的输出。

(4)直线插补程序是本系统设计的重点和难点，PLC 的功能强项是开关的动作控制， 对轨迹控制功能相对较弱。与点定位模块不一样的是，点定位只要求走到规定的点就可以了， 但直线插补要求中间过程一定要走直线，所以这2 种算法有区别。直线插补程序不可以使用“PLSY”指令完成。因此本系统采用了逐点比较进行编程。程序每运算1 次，输出1 个脉冲，直到走到规**才停止。程序总使用“CMP”指令完成走“X”、“Y”方向的判断，通过“PLS”指令输出一个脉冲， 然后还要对一些过程量进行运算。

再使用“CMP”对终点的判断。本系统较创新的地方是使用1ms 的定时器完成速度控制，这样输出的速度可以上到1 000 Hz。还有用2 个辅助继电器，完成程序的工作和停止， 使程序可以输出连续的脉冲。

(5)圆弧插补程序编程原理和直线插补基本一样，但圆弧插补算法所使用的坐标系和使用的G 代码坐标系是不同的。这样，本系统就要设计一个坐标转换程序，然后才进入正式的圆弧插补程序。

(6)系统硬件部分设有几个限位开关，当某方向限位开关按下，该方向的运动停止工作，但其他方向不受影响。系统设有总停止开关，该开关按下，整个系统停止工作。

(7)系统设有7 个LED，当限位开关按下，该方向的提示灯就会提示。还有自动功能提示，正常运行提示和停止提示。

本系统使用数据线SC-09 将计算机或者编程器连接，把PLC 主机打到RUN 状态，然后就可以使用编程软件MELSEC-FFX 进行写入。其步骤是：PLC(菜单栏)-传送-写出-范围设定(输入程序所占的范围)-确认。

4 结语

本文描述了一种利用PLC 作为控制核心，PLC生成的脉冲通过环形脉冲分配以及步进驱动器驱动步进电机，带动滚珠丝杠转动，从而控制工作台按照预定的线路移动。实验验证，本系统控制下的工作台能够实现手动连续点动、手动距离点动、手动停止以及自动点定位、直线插补、圆弧插补和自动停止等功能。工作台的定位精度达到0.012 mm,较大速度能达到2.96 m/s。

本文成功地设计出以PLC 作为控制核心的数控工作台控制系统，并且在实验室里通过实验验证了其可行性和正确性，为许多老企业传统机床的数控改造提供了参考，同时，也可利用本系统开发出的有创新性和综合性的计算机运动控制的教学实验，使学生能够更加深入地了解PLC 的性能以及使用方法。

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随着计算机网络及现场总线技术技术的发展， PLC 及触摸屏在工业控制和楼宇自动化中的应用非常广泛。现场总线技术及其总线接口模块、智能仪表、控制设备等组成的综合监控系统已成为当前自动化技术发展的一个重要方向。在工控领域，ＰＬＣ与触摸屏结合运用的技术已越来越为工程人员所了解与熟悉 , 由于触摸屏具有操作简便、界面美观直接、编程容易掌握、与ＰＬＣ通讯良好、抗干扰能力强等等特点 , 它正迅速地渗入各个行业 , 发挥自动化控制的较大优势。
     PROFIBUS 提供了两种通信协议： DP 、 FMS ，富士 UG 系列的触摸屏支持其中的 DP 协议。富士触摸屏具有很强的兼容性， 可以与近 30个厂家的 PLC通讯，兼容性较强，而且还可以和计算机通讯（开放式通讯协议）。
    通过接口单元、 UG031-P 通讯卡及总线的连接， UG 触摸屏可以作为从站和作为主站的西门子的 S7-300 或 S7-400 系列的 PLC 通信（网络结构示意见图一）。

1 系统结构

    本文的背景为某食品加工厂某控制系统包括原料混料线、薯饼生产线、包装线等构成的主线系统，以及蒸汽锅炉系统、水系统、压缩空气系统、照明系统、通风系统和消防系统等构成的辅助系统。各系统位置比较分散，控制点较多，其中包括 140 多台电机， 29 台变频器， 15 个温湿度控制点。
    由于系统比较复杂，控制采取分层控制策略，由两台上位机完成工厂级的监控及数据管理功能，触摸屏和 PLC 完成现场级的控制，采用 Profibus 现场总线的方式进行通讯。上位机留有接口，可连接局域网和广域网，以利于进一步的开发。其中数字输入点有 900 多点，数字输出有 400 多点，模拟量输入 20 个。
下面以这个食品加工厂为例，组成一个集中控制系统。
    其中 PLC(1) 用于主系统， PLC(2) 用于辅助系统。辅助系统的组成与主系统相似，因此图中省略了其构成。 PLC 选用 S7-300 系列的 CPU315-2DP 和 S7-200 系列的 CPU226 ， PID 模块为 FM355C ，通讯模块为 CP342-5 ，扩展模块为 IM153-1 ， I/O 模块则使用到：数字输入模块选 SM321 、数字输出为 SM322 、模拟量输入为 SM331 。上位机选用西门子的工控机，它内置了 PCI 接口的 CP5611 卡用于与PLC 通讯。
    选用 S7-300 系列的 CPU315-2DP 是为了能进行扩展 I/O 模块以满足控制点数的要求，而用于扩展的 IM 模块的选型则是依据 IM 模块与中央控制器 CPU315-2DP 的距离。
    由于所有的 I/O 模块均放在同一组控制柜里，因此选用了通讯距离在 5 米范围内的 IM153-1[1] 。当 IM 模块与中央控制器的距离较远时可以选择通讯范围为 100 米的型号的 IM 模块。
    触摸屏选用富士 UG420H-SC1， 10.4英寸、 128色 STN显示，基于 bbbbbbs95/98/NT操作平台下的**组态软件，界面友好直观，易学易用，大大节省产品开发周期。编程软件中备有大量的图形库（开关、灯、棒图等）供选择，还可以根据用户需求编辑所需要的工艺图形，能够转换 BMP文件和 AUTO中的 DXF文件。

2 触摸屏的通讯设置及界面设计
    在硬件连接完成后，需要在组态软件中*系统的硬件配置以及设置一些通信参数等等。首先制定所使用的触摸屏的类型，这里选择默认的 UG420 （ 640*480 10.4inches ）；下一步*和触摸屏通讯的 PLC 类型及型号，这里选 SIEMENS S7-PROFIBUS ；最后一步*系统参数，首先是读区和写区，读区是指作为从 PLC 读入数据的缓冲，如果系统中需要显示趋势图的话那么读区应当设大一些，一般设 1000 个字就可以了，写区用于显示存储屏幕的状态、页码、画面层叠以及报警状态等等。另外在对话框 No.of Word Setting for I/O 中需要指出触摸屏的 MPI 地址，以及传输的帧长度， MPI 地址在 PLC 的硬件组态里已经定义好了，两者必须一致，否则会出现通信错误。另外帧长度为 32 字节； 奇偶校验为奇校验；数据长度 8位；停止位 1位；通讯方式 RS-485。
    UG00S-CW 具有非常完善而强大的组态功能，在开发组态的时候，开发者可以不去考虑通信协议的问题，因为富士公司已经将这一切的技术细节都屏蔽掉了，它具有智能的寻址功能。在建立一个按钮时，这个按钮在 PLC 中的预先有定义（在西门子 PLC 中，无论是数字量还是模拟量的定义都是在 DB 块中）。设这个按钮的地址是 DB2.DBX2.0 （它的含义是* 2 个 DB 块中* 2 个字节的* 0 位），触摸屏中按钮的地址应表示为 DB2 ： 2-0 。我们可以看到，除了地址的书写方式有所不同以外，你几乎*作其他的工作，你*去定义变量、更*去理会通信的帧结构等等。
    对于模拟量同样如此，只不过在模拟量中你需要指出模拟量所占的字节个数，其他的同数字量一样简单。
   可以说， UG00S-CW 在处理基本的模拟数字量的时候非常简单、方便，但是在处理一些较为复杂的情况时却遇到了意想不到的问题。在这个食品生产线的集中控制系统，其中就涉及到富士触摸屏和西门子 PLC 中的通信格式的兼容问题。
    系统中有些 PID 控制的模拟量需要用趋势图来显示， UG00S-CW 中显示趋势图并不复杂，首先点一下趋势图的图标，在弹出的对话框中选择趋势图的类型，然后选择每条曲线对应的地址即可。但是在联机调试时却总是出现 comunication error （通信错误）信息，经过排查发现问题出在趋势图上，如果将趋势图从程序中去掉，则一切正常，后来我就尝试先将西门子 PLC 中的对应的模拟量数据读入触摸屏的缓冲（即内部存储区），然后将趋势图每条曲线的地址改为对应的内部地址。经过联机调试，发现不再出现 comunication error 信息，但是趋势图的曲线的显示却较不正常。经过观察，发现除了当模拟量的值为零时曲线显示正常，而为非零时曲线则指向无穷大。这个问题曾让笔者百思不得其解，后来终于想到有可能是西门子
PLC 和富士触摸屏在存储格式上可能会不兼容。原来富士触摸屏中趋势图中的模拟量一般都是双字（ 4 字节），它从西门子 PLC 读取的顺序是将**字读为高字，*二个字读为低字，而西门子 PLC 中模拟量的存储为先存低字再存高字，这样富士触摸屏从西门子 PLC 中读入的数据刚好都是高低字颠倒的。因为一般模拟量的值都比较小，所以高字都为零，这样相当于将原来的值乘了一个 2 的 16 次方的数，远远**过了模拟量的上限，所以才出现了以上情况。
    为了解决以上问题，需要将 PLC 中的数据读入，然后依次高低字颠倒，然后再将趋势图的曲线地址指向存储修正数据的内部地址即可。为了完成这个功能，需要用到 UG00S-CW 的宏指令，富士 UG00S-CW 平台提供了丰富的宏命令集，
主要有以下几类：
屏幕类，当打开一个界面时可执行的 OPEN macro ，当关闭一个界面时可执行的 CLOSE macro ，当打开一个界面后不断循环执行直到这个界面关闭为止时停止的 CYCLE macro 。
按钮类，当按下一个按钮时可执行的 ON macro 和当松开一个按钮时可执行的 OFF macro 。
宏模式，即宏指令程序段受某一个比特位的控制，当这一位为 1 时执行，为 0 时停止，这个比特位可以是 PLC 中的地址，也可以是触摸屏的内部地址。
    富士 UG00S-CW 的宏命令集和汇编语言非常相似，不过此外还增加了许多系统命令功能和辅助功能，使得开发程序更加方便快捷。触摸屏中的存储格式是字，地址用 $u 来表示，例如 $u1000 就表示* 1000 个字， $u1000-14 就表示* 1000 个字的* 14 位，触摸屏中没有用来表示字节的地址表示方式。在这个食品生产线上有多个 PID 控制回路，每个回路对应一个趋势图，以**个回路为例，它占用 Buffer1 （较多有 12 个 Buffer 可供使用）趋势图有三条曲线 PV 、 SP 、 OP ，它们所对应的 PLC 地址分别为 DB10 ： DBD0 ， DB10 ： DBD4 ， DB10 ： DBD8 ，然后将调整后的地址存入定为 $u500~$u505 ，程序段如下：

/* 首先将模拟量读入触摸屏内部，使用块赋值 BMOV 指令，即将 DB10 ： DBD0~ DB10 ： DBD8 赋值到 $u500~$u505*/
$u500=DB0010 ： 0000  C ： 12 （ BMOV ）
// 下面将各个量的高字和低字颠倒
$u600=$u500 （ W ）
$u500=$u501 （ W ）
$u501=$u600 （ W ）
$u602=$u502 （ W ）
$u502=$u503 （ W ）
$u503=$u602 （ W ）
$u604=$u504 （ W ）
$u500=$u505 （ W ）
$u505=$u604 （ W ）
    然后将此程序段拷贝到每一屏幕的 CYCLE macro 中，然后将 buffer 地址初始地址指向 $500 ，抽样模式定为： Constant Sample ，曲线条数（即 No. of Word ）定为 3 条，存储长度为 500 ，其他的设置为默认值，趋势图中对应三条曲线的地址改为 $u500,$u502,$u504 ，这样才能保证触摸屏中的数据和 PLC 中的数据同步更新。将程序下载到触摸屏，经过联机测试，一切正常。

3 结束语
    富士触摸屏以及西门子 PLC 由于其产品具有很高的稳定性，而且在软件开发上非常快捷，因此在工控方面，两者相结合是一个很不错的选择，能够充分发挥两者的优点。但是由于两者毕竟不是同一厂商，所以难免会在某些细节的兼容性上会有纰漏，这是我们在设计工控系统时特别要注意的地方，硬件漏洞软件补是
IT 界永恒不变的方法，在开发商还没有使他们的产品尽善尽美之前，我们应当运用我们自己的智慧来完善我们的系统。