6ES7211-0AA23-0XB0技术介绍

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现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2、灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。

4、线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证**的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来大的方便。

5、稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6、精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用**量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

      根据系统运行和控制要求，选用富士的micrex-sx spb系列plc，其使用简单，功能强大，较优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能；并提供了方便、简洁、开放的通信功能；可直接连接pod；使micrex-sx spb系列plc可以很好的满足控制要求。人机界面选用富士ug221系列触摸屏，黑白，5.7寸。进行参数的设定、显示。伺服系统采用武汉迈信的伺服驱动器和华大电机。变频器选用富士的frenic multi系列变频器。

3 增量式剪切控制

3.1控制原理

      板材定尺和增量式剪切部分是整套设备的关键，剪切是在材料停顿时刻进行的，也就是说，切口分离时，控制系统启动，送料长度由plc、伺服驱动器联合进行控制。触发开始后，系统直接以预设的加减速率、较高速度、目标长度以及所设增量为基本参数，计算出运转速度曲线，直接驱动伺服电机送料，若设定单位脉冲的移动量和编码器每转一圈的脉冲数，当夹送辊的直径一定时，夹送辊每转一定的角度或圈数，板料的移动长度也就确定了。当plc“指示”伺服驱动器所发出的脉冲数达到所设定的脉冲数(即长度)时，plc发出信号，交流伺服电机停止转动，同时，剪切系统的电磁铁通电，气缸执行剪切动作。剪切机构的每一次剪切使接近开关获得一个脉冲，此脉冲作为计算剪切数量。依次循环，自动地将卷材切割成一定数量的定尺或增量式长度的板材。

3.2参数设置

(1) 主轴转速(自动运转时，下同)的确定:确定主轴的转速要兼顾两个方面：一是生产能力；二是转动惯性。转速不是越越好，太快，转动惯性大，达不到精确停止的要求，剪切长度精度不高；慢了，达不到生产率的要求；在此系统中有一个合理的速度范围供用户选择。

(2)脉冲当量的确定:在本例中，之所以能进行高精度定尺和增量剪切，实际上就是精确的控制夹送辊每个脉冲转动的角度(脉冲当量)。当夹送辊直径一定时，它转过一定的角度，就对应转过一定的弧长，即为板料移动的长度。从理论上说，脉冲当量越小，剪切长度精度越高，但对控制系统的要求也越高，不经济。一般情况下，脉冲当量比加工精度高一个数量级即可；本系统剪切长度一般在2cm～200cm之间，要求精度为0.01cm。伺服电机主轴转四圈(50mm/圈)，夹送辊转一圈(200mm/圈)，所设脉冲当量为0.01mm/脉冲，等够满足精度要求。

4 系统软件设计

系统软件的设计包括触摸屏的软件设计和plc的运行控制软件设计两部分。

4.1 人机界面的软件设计

      本系统人机界面所有画面均用ug00s-cwv3软件进行设计，有四幅画面组成：开机画面、手动画面、自动画面和信息显示画面。经ug00s-cwv3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面，如果与plc的通信能正常进行，并且plc侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过rs422通信电缆直接与与plc编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施plc内部存储器的读写操作。plc完成处理后，回送答复给外部设备。plc侧不用特意编写通信程序。这里只给出手动，数据输入和自动画面。

(1) 手动画面：手动画面主要完成板料安装时或剪切完后对主要机械部分的控制调整。

开卷和收卷按钮，按下后做做开卷和收卷动作，松开后停转；进料和退料按钮，按下后伺服进料和退料，松开伺服停转；左冲按钮：按一下冲头左冲，如果冲头不动，说明冲头在左边；右冲按钮：按一下冲头右冲，如果冲头不动，说明冲头在右边；拉料开按钮：按一下切片送料运行；拉料关按钮：按一下切片送料停止；返回按钮：返回开机画面

  变频器与plc的连接

       plc s7-200与三菱变频器通信采用rs485接口的串行方式。s7-200侧为九针接口，三菱变频器为rs485端子，采用二线式连接。

3  通讯系统设计

3.1 plc的自由口通信模式

       s7-200支持自由口通信模式。自由口模式使s7-200可以与许多通信协议公开的其他设备和控制器进行通信。波特率为1200～115200 b/s(可调整)。

       自由口模式的数据字节格式总是有一个起始位、一个停止位，用户可以选择7位或者8位数据，也可以选择是否有校验位以及是奇校验还是偶校验。

       在自由口模式下，通过使用发送中断、接收中断、发送指令(xmt)和接收指令(rcv)，为所有通信活动编程。在自由口模式下，通信协议完全由用户程序控制。

3.2 三菱变频器**协议

       在自由口模式下，plc与变频器通信遵循三菱变频器**协议。首先，按照变频器通讯规格对变频器参数进行设置(具体参照变频器手册)。其次通信采用以下步骤：

       向变频器发送要求数据(变频器不会自动发送数据)，经变频器等待时间后，从变频器向plc发送返回数据，等待变频器处理事件后，进行再处理。plc与变频器通信以ascii码(16进制)进行。plc对变频器进行运行状态监控、运行频率设置、启动、停止等操作。这些数据的收发采用不同的数据模式。如运行频率采用附表所示数据模式。

 

3.2控制系统的特点 

      安装有wincc软件的scada(supervisory control and data acquisition:数据采集监控系统)上位机通过工业以太网和plc(cpu-416-2dp)进行连接，利用工业以太网的高速特性将大量的设备实时数据从plc中读取，同时在生产的任何时刻都可以高速稳定的依据操作员的操作进行工艺配方的重新下载。具有大量数据的多个工艺配方存储在上位机的硬盘中，其数量只取决于pc机硬盘的内存空间，任何时刻plc只运行一的工艺配方。这样可以大大节省plc的内存空间。各种设备的实时状态通过高速以太网从plc迅速及时地传回上位机，通过wincc的报表系统将各种数据分类存档，供erp及下游下设备进行访问。plc通过profibus的各种外设i/o、伺服驱动器、流量计收集各种设备状态并对设备进行控制。 

(1)控制器 

系统使用的plc控制器为s7-400系列的cpu 416-2dp，cpu 416-2dp具有2.8mb的大容量运算内存，指令执行周期0.04us，较大寻址空间16kb，其背板k总线提供了高速。强大的自诊断功能可以帮助现场调试迅速的找到故障点并及时解决故障，通过扩展ip功能模块cp-443-1，cpu 416-2dp实现了工业以太网接口功能，使系统的实时通讯能力大大加强。 

(2)i/o模块 

系统并未选用西门子公司的分布式i/o模块，而是选择了德国倍福公司的分布式i/o模块，主要原因是同样点数的分布式系统，倍福公司的现场总线端子具有更紧凑的布局和更强大的功能。 

通过现场耦合器的一次简单运算可以帮助cpu完成一些基本的数学、逻辑运算，这样大大减轻了*处理器的运算量，使系统的反应速度大大提高。其总线端子对模拟量的处理也有其闪光之处，强大的故障诊断功能，短线保护的精准判断，系统运行的稳定性都是选择其作为现场基础总线端子的原因。 

(3)上位机系统 

系统上位机scada界面软件采用西门子的wincc系统软件，此软件为西门子公司开发的基于bbbbbbs的上位机软件，用于开发和运行人机界面的应用程序。scada系统用来显示输送系统状态/报警信息。操作员可以凭此监视和控制设备的运行。 

scada系统经由industrial ethernet网络经由cp-443-1和cpu-416-2dp交换系统信息。scada 系统主动从plc取得信息，而plc是被动的，也就是说，当一个事件产生时，plc不会主动的发送信息到scada系统。所以，scada系统利用它本身的软件功能来实现事件信息记录和报警功能。 

(4)编程及组态软件 

cpu 416-2dp控制器编程采用step 7编程软件包，具有完善的数据处理、易于使用的i/o寻址方法、自由灵活的程序编辑环境、图形化的控制管理器及i/o组态对话框。 

3.3 系统网络设置 

      系统所使用的profisbus是一个实时的现场总线控制网络，用于高速传送实时的i/o数据和控制指令，profisbus是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接换息，适用于传输中小量的数据。其物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。而工业以太网是为工业应用专门设计的，而且已经广泛的应用于生产和过程自动化，适用于大量的和长距离通信。其物理传输介质可以是同轴光缆、双绞线、光纤或无线通信。西门子工业以太网可以将控制网络无缝集成到管理网络和互联网。本例就是如此。 

      通过西门子step 7的netpro网络组态软件进行profibus现场总线的组态配置，通过被组态器件厂家的gsd说明文件可以很方便的将其进行组态，经过简单的参数设置就可以完成系统的组态。在实际编程中设计人员可以将伺服驱动器、远端阀岛、流量计的参数可控制指令当作简单的数字量、模拟量进行编程，大大的简化了设计人员的劳动强的，缩短了设计周期。 

      上位机的网络组态通过wincc和西门子公司的simaticnet软件实现对industrialnet支持，通过固定ip地址对plc，erp客户机上、下游几台客户机等ip站点的访问。和相关客户机归档数据的传输通过opc控件的使用实现，这大大减轻了程序员编程的时间；通过wincc自定义的通讯协议及外部变量实现同plc的实时通讯。 

4 控制系统工作描述 

      上游设备在载片篮随传送带传送至清洗机上料台后，其上位机会将相关工艺选项号，加工号，批号等基本信息通过工业以太网实时传送给清洗机的上位机，清洗机上位机通过工艺选项号从硬盘数据库中调出相应配方并将其通过工业以太网传送至plc。 

      plc在接到新的配方并进行确认后进行与设工艺流程。设备分为多种清洗槽，每个槽又可以实现一个或多个清洗功能，其工作顺序由配方决定，在清洗槽中的水温按照预设的配方工艺进行加温并保持，其pid控制使用西门子系统pid功能块实现。在清洗过程中水流的循环流速是通过水泵的变频控制器实现的，变频控制器的输出频率由plc按照配方要求运算后，通过profibus总线传送，变频器的状态和实际输出频率通过plc的系统功能块进行定期读取。机械手的位移是通过festo公司提供的s7功能块运算控制，控制方法是位置控制，通过将各槽的装、卸载位置通过相应功能的运算后传送给伺服控制器控制伺服电机运转，在程序里对机械手的状态进行控制和监视。反应时间、所使用的配方、工艺选项号、工号、批号通过opc模块传送给相关客户机。整个控制协调流畅，从而完成高度的自动化任务。 

5 结束语 

      本系统是高度集成自动化系统，综合了plc控制、计算机、网络信息和现场总线技术.。特别是对通信有较高的要求，同时通信一直是工业控制中的一大难点，本系统正是利用了西门子公司提出的ti(totally integrated automation：全集成自动化)技术较好地完成了控制。从而也证明tia技术的成熟和完善。相信随着国家对信息自动化产业进一步发展，对自动化装备要求会越来越高，肯定会有越来越多的高度集成自动化系统设备面市。本系统于2004年7月投入运行，目前，系统运行稳定可靠。为公司创造了较大的社会效益和经济效益。

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