6ES7221-1BF22-0XA8技术介绍

6ES7221-1BF22-0XA8技术介绍

配置：cp1h-x40dt-d（2台）、3kw g5伺服（2台）、2.5kw g5伺服（1台）、

1.5kw g5伺服（2台）、1kw g伺服（1台）、1kw松下a4伺服（2台）

现场问题：通过cp1h发送的脉冲数与伺服实际走的脉冲值不等，经常发生伺服轴与限位开关相撞的现象。

3、问题研究分析

程序排查：客户使用的是pls2指令，通过mov语句将发送的脉冲数以及频率等数值赋给d区的通道内，排查后发现在执行pls2指令的过程中d区内的发送脉冲数并未发生变化，程序上编辑无误。

发送脉冲数监控：以cp1h的0号脉冲输出通道为例，使用pls2指令发送10000个脉冲，通过对a276、a77通道的监控确认发送的脉冲数确实为10000；通过将g5伺服上的528号参数设为6监控“指令脉冲总和”发现，伺服实际输出的脉冲数为80000~90000不等，说明问题出在plc脉冲输出到伺服之间的线路上。

线路排查：

1）、cn1侧电缆排查：客户使用的cn1电缆为上海三竹代工产品，该电缆将cn1侧50个管脚都接上了，并且留出很长一部分方便客户接线；但客户现场只使用不到10根线，其余的线都散放在电柜内，在调试过程中发现偶尔将不用的两根线短接即使没有pls2指令触发伺服，伺服都会自动走几个脉冲。建议客户自己焊接cn1侧电缆，只焊接需要的管脚，不用的管脚均留空，完成后干扰现象有所减少但并不十分明显。

2）、24v排查：由于客户的都带有抱闸，客户由于没有伺服使用经验，将抱闸的24v电源与脉冲输出电源以及cn1侧的其他24v电源共用一个。将抱闸电源单独摘出之后，干扰现象减少的十分明显，发送10000个脉冲时伺服实际走的脉冲数与发送脉冲数相差1000左右。

3）、动力线接线排查：客户由驱动器侧给电机输出电源的动力电缆均由端子排在电柜内转接后连在电机上，并且该端子排为国内品质十分不好。将电机动力电缆直接连在伺服驱动器上之后，干扰现象减少的十分明显，发送10000个脉冲时伺服实际走的脉冲数与发送脉冲数相差30左右。

4）、pe排查：客户现场将所有的pe线均与电柜箱体连接，但电柜本身并为单独与地线连接。从客户厂房的钢构架上引出一根2.5cm?的地线与电柜连接，并且将所有24v电源的pe悬空并与电柜底板分离，完成后干扰现象有所减少但并未完全，发送10000个脉冲还是差10多个。

5）、电源品质排查：通过检测发现，由变压器转换后给24v直流电源的220v电压不时有杂波产生，从而导致直流电源输出的24v电源也有杂波产生。在变压器与直流电源之间加上一个滤波器后，干扰现场。

4、伺服干扰解决办法小结

1)、伺服的cn1侧电缆以及电机动力电缆等都进行*式连接，不要经过端子进行短接。

2)、脉冲输出回路的dc24v电源要单独供电，避免伺服驱动器和抱闸回路对其产生影响。伺服驱动器和抱闸回路需另加dc24v电源。

3)、直流电源的电源不能从车间的ac380上直接扯出，由于车间有其他设备在进行工作，会导致ac380电源的三相电压不平衡，中性线n会带电势，应该加装ac380转ac220的变压器，必要时在变压器的输出侧加装滤波器。变压器的pe线要接地良好，24v电源的pe悬空。

4）、所有的pe线要汇总到一起进行单点接地，不要多点接地，以免造成电势差。

5）、必要时更换性能稳定的高品质电源

6）、在客户允许的情况下将cp1h-x更换为cp1h-y，y系列plc输出的差分信号抗干扰能力更强一些

对经济型数控舰床在加工过程中，引起步进失步的原因进行了全面分析，并提出了相应的解决方法。

步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，因其简单的结构、低廉的价格和可靠的性能，在经济型中得到了广泛应用，在我国机床行业的数控化进程中占有重要的地位。步进电动机经常被用于精确定位的场合，因而保证电动机不发生失步至关重要。

失步及其危害

步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节，其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度，造成数控机床加工精度下降。

失步原因及解决方法

1．转子的加速度慢子步进电动机的旋转磁场

转子的力n速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。解决方法：①使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。②使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。

2．转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度

转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。

3．步进电动机及所带负载存在惯性

由于步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。解决方法：通过一个加速和减程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保步进驱动系统可靠、、精确运行的关键。

4．步进电动机产生共振

共振也是引起失步的一个原因。步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差较大并会导致步进电动机失步。解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效电动机振荡，避免失步现象发生。

一、嵌入式PLC 
嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组
1、嵌入式PLC系统软件
嵌入式PLC系统软件将PLC语言（梯形图语言）、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。
该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、专家自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。
系统软件包括三个部分。
①嵌入式PLC内核：　它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；
②二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；
③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序 
2、嵌入式PLC芯片组
EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的核心芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和专用PLC。
1）芯片组基本性能：
①供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
②CPU： C8051F040。
③嵌入扩展能力
·32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
·4 AD： 12位精度，100 KPS。
·2 DA： 12位精度，100 KPS。
④ 通信接口
·CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
·UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
·UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。
2）芯片组原理框图：

二、应用开发
      基于加载了系统软件的核心芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。
1、硬件设计
硬件整体结构图如下：
AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。

（1）信号采集电路
用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV/℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

（2）信号选择电路
选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即**个AD转换通道。

2、软件开发
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。
内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。
（1）程序规划
T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序
USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。
AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。
PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。
（2）程序代码
INIT_AD: ;AD初始化
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE
MOV REF0CN, #07H ;内部参考电压/输出到VERF
;启动内部温度传感器
MOV AMX0CF, #00H ;单极性输入
MOV ADC0CF, #0B8H ;D7——D3=SYSCLK/采样时钟-1
;采样转换时钟=1US
;D2——D0=GAIN
;000 GAIN=1
MOV ADC0CN, #90H ;启动AD采样
MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
MOV AD_COUNT, #00H ;16次采样次数计数。初值为0 
RET

SAMPLE_AD: ;AD采样开始
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页 
MOV A, AD_CHANNEL ;采样值的累加和是一个字基地址 ;为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL
RL A

MOV DPTR, #XAI ;XAI存放16次采样值的累加和
ADD A, DPL ;低字节相加
MOV DPL, A
MOVX A, @DPTR
MOV B, A
MOV A, ADC0L
CLR C
ADDC A, B
MOVX @DPTR, A

INC DPTR ;高字节相加
MOVX A, @DPTR
MOV B, A
MOV A, ADC0H
ANL A, #0FH
ADDC A, B
MOVX @DPTR, A ;#XAI中存放格式为低字节、高字节

MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
MOV ADC0CN, #090H ;启动下次AD采样 

INC AD_COUNT
MOV A, AD_COUNT
CLR C
SUBB A, #16 
JNC FILL_XAI_XAD ;当16次采样完成后,把XAI中16 ;个采样和（2字节）存放到XAD
RET
3、驱动程序的嵌入
在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。
三、功能介绍
基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：1、采集工业现场的多路热电偶信号，2、支持三菱、台达等多家人机界面， 3、支持梯形图编程（86条指令）， 4、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。
嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。
下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。

四、结束语
笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明，本着软硬件可裁剪的原则，开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，节约了硬件成本、缩短了研发周期，并且得到了许多强大的功能，相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。

摘要:从如何确定可编程序控制器(PLC I/O点数、所需存储器容量、PLC的功能、外部设备特性等几方面，探讨了如何选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
关键词:可编程序控制器;存储器;控制;通信;编程;冗余　　中图分类号:TP311 文献标识码:B 文章编号:1007-7324(2005)05-0022-03
作者简介：白新庄(北京燕化石油化工设计院，北京10250)
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输人输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
1 、输入输出(I/O)点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展余量后，作为输人输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输人输出点数进行圆整。
2 、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25%考虑余量。
3 、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
3.1 运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能;普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算、数据传送等;大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
3.2 控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输人输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
3.3 通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP),需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS-232C/422A/423/485), RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等;大中型PLC通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1 Mbps，通信负荷不大于60 0 o o PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式:1) PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络;2)1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络;3) PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网;4)专用PLC网络(各厂商的专用PLC通信网络)
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。
3.4 编程功能
PLC的编程有离线编程和在线编程两种，设计时应根据应用要求合理选用。离线编程方式:PLC和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式:CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
5种标准化编程语言:顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC61131-3 )，同时，还应支持多种语言编程形式，如C, Basi。等，以满足特殊控制场合的控制要求。
3.5 诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输人输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
3.6 处理速度
PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0. 2-0.4 /As，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期)应满足:小型PLC的扫描时间不大于0. 5 ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0. 2 ms/K.
4 、机型的选择　　4. 1 PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输人输出点数选型。
整体型PLC的1/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统;模块型PLC提供多种1/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的1/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。　　4.2 输入输出模块的选择
输人输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输人模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输人输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程1/O机架等。　　4.3 电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220 V AC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输人和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。　　4.4 存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个1/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。　　4.5 冗余功能的选择
4.5.1 控制单元的冗余
1)重要的过程单元:CPU(包括存储器)及电源均应1，1冗余。2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。
4.5.2 1/O接口单元的冗余
1)控制回路的多点1/O卡应冗余配置。2)重要检测点的多点1/O卡可冗余配置。3)根据需要对重要的1/O信号，可选用2重化或3重化的1/O接口单元。　　4.6 经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，较终选出较满意的产品。
输人输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，图1表示了总点数与价格的关系。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。