西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8产品描述

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引言

在各类数字和计算机系统中，都离不开多谐振荡器，虽然市场上有许许多多种多谐振荡器，但功能却各不相同。本文以日本三菱公司型号为FX2-24MR的可编程控制器为例进行程序设计，并验证，设计了一款用可编程控制器构成的多谐振荡器。与普通振荡器相比，本设计有以下几方面优势：

a.构成简单，具有通用性。改变程序和接线又可作其它用途;

b.程序编写简单，易于理解和掌握;

c.通过软件变参数就可很方便地获得想要的频率和占空比。

1 设计

我们以一个具体工作任务为目标，看看整个多谐振荡器的设计全过程。该具体工作任务为设计一个频率为f=0.4Hz，占空比q=40%的多谐振荡器。

我们采用状态转移图SFC来实施这一工作任务。

(1)通过工作任务计算波形的周期T以及波形的高电平持续时间t1、低电平持续时间t2。周期按计算公式T=1/f=1/0.4=2.5s完成，t1和t2按占空比公式q=t1/(t1+t2)和t1+t2=T完成。将T=2.5s和q=40%代入到以上两个公式中，求解这个二元一次方程组，得到t1=1s，t2= 1.5s。

现在我们的工作任务变为要获得一个方波，它的高电平持续时间为1s，低电平持续时间为1.5S。即波形如图1所示。

(2)采用状态转移图SFC时，起始状态元件选择S0，中间状态元件选择S20。高电平持续时间继电器采用T0，低电平持续时间继电器采用T1，它们的时间参数根据规则分别设置为K10和K15。据此我们可以画出状态转移图SFC，如图2所示。

将状态转移图SFC变为可以实施的梯形图软件后，我们就可以将它写入到计算机里面去了。由图2的状态转移图得到的梯形图软件如图3所示。

2 I/O分配表

根据现场控制所需的输入信号和输出信号，分配可编程控制器的输入与输出点，见表1。

可编程控制器多谐振荡器的实施终要反映到三菱 FX2-24MR型可编程控制器的输入/输出接线上，图4为可编程控制器多谐振荡器实施的接线图。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，24V直流电源为可编程控制器外加的直流电源。

4 运行观察

根据所设计的可编程控制器多谐振荡器梯形图，采用型号为FX2-24MR的可编程控制器，把可编程控制器方式开关置于运行“SHOP”档，通过计算机及数据线把程序写入到可编程控制器中，再把可编程控制器方式开关置于运行“RUN”档，合上X0，我们会看到与Y0联接的指示灯亮1s后熄灭，紧接着与Y1连接的指示灯亮1.5s后再熄灭，以后交替循环进行，按X1可结束工作任务，从而达到工作任务所设计的要求。实际运用时，将指示灯换成负载就可以正常工作了，Y0输出频率为f、占空比为q的方波，Y1输出频率为f、占空比为(1-q)的方波。

5 扩展小结

当我们需要任意频率f、任意占空比q的方波，我们只需改变图2和图3软件中的时间继电器T0、T1的参数就可以实现。方法如下：

将f和q代入公式

计算出t1=q/f，t2=(1-q)/f。T0时间继电器中的参数K择计算出来的t1×10，T1时间继电器中的参数K择计算出来的t2×10，修改好这二个参数后再按所叙述的方法将程序写入到可编程控制器中运行，我们所要求的结果就可以实现

0 前言

现场可编程门阵列(FPGA)是近几年来出现并被广泛应用的大规模集成电路器件，它的特点是直接面向用户，具有大的灵活性和通用性使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效，，上市时间短，技术维护简单，工作性好等。

硬件描述语言(VHDL)是用来描述硬件电路的功能，信号连接关系及时序关系的硬件编程语言，设计者可根据VHDL语言法则，对系统的逻辑进行行为描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译、优化，用工具进行逻辑功能和系统时序，可在短时间内设计出、稳定、符合设计要求的大规模或大规模的集成电路。

该处理器采用了TOP—DOWN的层次网络模块化设计方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要逻辑功能，考虑到嵌入式CPU结构的复杂性和设计的可扩展性，在层设计中采用了原理图的方法，通过VHDL对每个单元模块进行了和综合，然后将综合生成的各个模块连接起来，组成了一个整体。

1 系统设计

1.1 系统的功能

该PLC主要是用来与DSP共同实现数控机床中的部分操作，它主要执行一些辅助的逻辑控制。它的主要任务如下：

(1)接收从DSP发送过来的指令字，并将其进行译码转换成相应的命令信号，从而执行相应的操作;(2)接收操作面板上的按键信号，并响应相应的操作;(3)给DSP发送应答信号以及状态信息;(4)将处理的输出到面板上以驱动相应的继电器。

1.2 系统的组成部分

该系统的组成部分是由控制器、运算器以及I/O端口构成，如图1所示。

控制器：控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成，它是发布命令的“决策机构”。运算器：运算器由算术逻辑单元、暂存器以及数据缓冲器等组成，它是数据的加工处理部件。

I/O端口该PLC的I/O点数为l0点输入和8点输出。每个端口由输入寄存器以及相应的端口控制部分组成。

2 系统的FPGA实现

2.1 控制器

控制器的形式主要有组合逻辑控制器和微程序控制器两种，与组合逻辑控制器相比较，微程序控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点 ，在计算机的设计中使用比较普遍，本控制器的设计采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。

微程序控制器主要由控制存储器(CM)，微地址产生逻辑，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等组成。

(1)机器指令与微程序。该处理器选取了PLC指令系统中的十条基本指令如表1所示，指令采用十位二进制编码格式。

9～6位是四位指令的操作码字段;5位是标志位，用来判断该指令有无操作数(1一有操作数，0一无操作数);4～0位是操作数字段。

表中每条机器指令对应一段微程序，一段微程序包含若干条微指令，微程序的设计就具体地可落实到微指令的设计 ，微指令中的控制字段作为控制命令控制计算机的操作，控制字段给出的微命令应包含计算机操作的所有微命令，对微命令给出和表示的方法与所采用的编码方式有关，常用的微命令表示方法有直接表示法、编码表示法、和混合表示法，该设计采用的是将直接表示法和编码表示法混合使用的混合表示法。

该系统中的每条微指令为32位，其中低5位为下地址字段，直接送给微地址寄存器，5～7位为测试字段，送到微地址产生逻辑电路里面以控制微地址的产生，其余位为用来产生各种微命令的控制字段。

(3)微地址产生逻辑。微地址产生逻辑主要是根据微指令中的测试位及其他相关的条件来控制微地址的产生，它是根据一定的逻辑功能用VHDL语言编写的，并且经过编译和综合后生成的模块，如图3所示。

其中，clk为同步时钟信号，rst为复位信号，q为输出的5位微值。其控制流程如下：

(1)系统启动时，给出一个rst=1的复位信号，q端便输出“00010”，为输入扫描微程序的入口地址;(2)对应的微指令就从控存中输出，然后该微指令中的5位下地址字段直接输入到din端，3位测试位输入到m端;(3)如果m=“000”，则q端输出的值直接加1，且返回(2)继续执行;否则，执行下一步;(4)如果m=“001”，则看i端输入的用户程序指令来判断是否需要取数操作，如果需要，则q端输出各个取数微程序的入口;如果不需要，则q端根据i的操作码输出相应指令的微程序入口地址，且返回(2)继续执行;否则，执行下一步;(5)如果m=“010”，q端直接输出din的值，且返回(2)继续执行;否则，执行下一步;(6)如果m=“011”，则q端根据i的操作码输出相应指令的微程序地址，且返回(2)继续执行。

2.2 运算器

运算器是用来对输入的数据进行算术和逻辑运算的部件，该ALU具有三输入和两输出，d1和d2是参与逻辑运算的两个位数据，其中dl来自外部的取数，d2来自输出暂存器s，sel是指令的操作码。result是运算后的，输出后送给了暂存器S，q用来启动定时器，如图4所示。

2.3 RAM

RAM用来存储用户程序，它可以用FPGA中的LPM—RAM—DQ模块来实现。其中，wren是读写控制端，当wren=0时为读允许，这时在同步时钟clock的上升到来时沿将address所对应的中的内容给输出端q;当wren=1时为写允许，这时在同步时钟clock的上升沿到来时将data端的数据写入到address所指明的地址中，如图5所示。

3 与分析

为了测试指令的运行情况，本文在后给出了一段基于Quartus II的程序。

时给出了10位输入数据indata=”1 1 10000101”，10.0～10.4分别对应着该数据的0位～4位，同样Q0.0和Q0.1分别对应着输出端子的0位和1位。

结果的图6中：T1，T2，T3，T4为4个时钟节拍信号，out0和out1分别对应着输出端子Q0.0和Q0.1，因为IO.0和IO.2为1，IO.3和IO.4都为0，因此程序运行的后结果应该是Q0.0和Q0.1都为1，并且从图6可以看出，与此相同，程序运行正确，说明所设计的微处理器及其指令正确。

4 结束语

本文所设计的PLC微处理器具有很强的可修改性和可移植性，并且优化升级也很方便，可以根据特定的需要方便地增删指令和I/O端口的数量，这比传统的PLC具有大的灵活性。另外，由于FPGA具有很高的密度，能够集成很大的系统，因而大地提高了系统的性

关键词：机电液综合控制 组态软件 PLC 数据分析

引言

以水作为工作介质的液压传动早出现于 17 世纪末。直到 19 世纪末，矿油基液压油逐渐取代了水。随着电气自动控制技术、传感器技术应用于液压传动系统，逐渐形成机电液一体化系统，这种系统既具有液压传动系统功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点，又有解决液压系统定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等自动控制要求，大大提高液压系统的系能。机电液综合控制实验台为实验教学及系统开发提供了一个良好的研发平台，因此实验台的开发考虑机电液综合控制系统的基本特点。目前使用较多的机电液综合实验台，均只考虑了机电液系统动作过程的验证，而忽略了一个重要的内容———系统性能的验证与分析。同时随着组态监控技术的发展，机电液综合控制系统组态监控对实验系统的运行也是非常重要的。

基于以上考虑，本文提出了基于组态软件和 PLC 的机电液综合控制实验台方案，依据 PLC 机电液综合控制系统的基本结构，采用模块化的设计思想提出了实验台的硬件设计方案，然后利用组态软件进行组态监控和实验数据采集，后通过 M atlab 软件实现液压系统分析。

1 机电液综合控制系统基本原理及实验台设计总体方案

机电液综合控制系统一般由动力系统、机械本体、执行机构、检测部分、控制和信号处理单元以及驱动部分组成。动力系统在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能，主要是指电动机;机械本体一般包括液压传动和机械结构(即壳体、机身、支座等支撑结构);执行机构电动执行机构液压执行机构及其配套的机械部分;部分包括各种传感器和位置开关;控制和信号处理单元是机电液一体化系统的部分，一般由工控机、单片机、各种控制器和可编程序控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A/D(模 /数)与 D/A(数 /模)转换、I/O(输入 /输出)接口和计算机外部设备等组成;驱动部分实现信号的交换、放大和传递，是连接弱电设备和强电设备的纽带。如图 1 所示的基于 PLC 机电液综合控制系统基本原理图可知，基于 PLC 机电液综合控制系统主要包括 PLC 控制器、动力系统、机械、液压传动系统、执行机构、模拟量和开关量传感器、驱动装置及输入电路、电源(图中未示出)等部分，其是 PLC 控制器。

综合分析可得如图 2 所示的基于 PLC 和组态软件的机电液综合控制实验台总体设计方案：依据机械和电气元件在机电液综合控制系统的作用，采用模块化的设计思想，建立构成实验台的功能模块;然后根据实验要求，选择合适的功能模块构成相应机电液综合控制系统，利用 PLC 提供模拟量输入通道实现数据采集，并通过组态软件实现机电液综合控制系统组态监控，利用 M atlab实现机电液系统性能分析.

2机电液综合控制实验台硬件设计

由机电液综合控制实验台设计总体方案可知，实验台由工作台和各种功能模块构成。如图 3 所示的根据机电液综合控制系统的组成及工作原理，可将其分为电气控制和机械液压两部分组成。电气控制主要包括 PLC 、开关电路、电源、按钮开关、驱动、信号显示等模块。机液压部分主要包括液压模块、机电传动模块以及安装在系统中的各种传感器。

2.1 电气控制部分设计

电气控制的是 PLC 控制及数据采集。而要构建一个完成 PLC 控制系统，除了需要 PLC 模块之外，还需要输入电器(按钮开关模块)、输出模块(驱动模块、信号显示模块)以及电源模块等模块，各模块之间的关系如图 3所示。为了利用 PLC 获得传感器采集到的模拟信号，PLC提供的足够数量模拟量输入通道。电气控制模块的设计要点是：1)对电源模块设计，考虑到电源分为控制电源和动力电源，因此将控制电源模块和动力电源模块分开，并且提供常用规格的电源输出;2)各模块在工作台上的位置关系参考图 2 所示的逻辑关系合理布置，方便接线。3)液压泵站主电路固定，只向用户提供控制端口，用户可根据系统的要求来控制液压泵电动机。4)PLC模块、输入模块和输出模块之间开始没有任何连线，在实验时，用户应根据液压系统的控制系统要求自行连线;5)PLC 只能处理数字信号，凡遇到模拟量的地方，都进行模数转换(A/D ))和数模转换(D/A )，目前的 PLC 都提供有模拟量输入、输出通道[2]。为采集传感器输出信号，选用的PLC 有足够数量模拟量输入通道。

2.2 机械液压部分设计

机械液压部分的基本设计思路：采用各种传感器实现数据;提供常用的机械传动模块以及常用的液压元件模块，模块之间开始是没有任何关系的，实验时根据需要选择元件进行组合，构成所需系统。基于以上考虑，机械液压部分主要由机电传动模块、液压模块和传感器等三部分组成(如图 3 所示)。机电传动模块包括步进电动机驱动直线运动模块、十字滑台等。液压模块包括可装拆液压元件、液压泵站等。传感器包括压力、流量、扭矩,转速等模拟量传感器和压力继电器、位置开关等开关量传感器。

3 基于组态软件的机电液综合控制系统组态监控与数据采集

组态软件提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，它提供了预设了丰富功能模块来进行系统组态。在建立具体的组态监控系统时，选择组态软件预置的各种功能模块来模拟被监控系统中的相应元件，并根据元件之间的关系进行组态。组态时，在组态软件中利用向导 PLC 的输入、输出端口的内部寄存器建立实时数据库变量，将实时数据库变量与界面的各种图案连接，则可实时显示各设备的状态变化，同时也可以通过开关向 PLC 发出控制指令。实时数据变量的定义来源于 PLC 程序设计及设备的动画设计[3,4,5]，同时利用实时数据库变量可实现数据采集。图 4 为基于组态软件的机电液综合控制系统组态监控和数据采集原理图。

4 机电液综合控制系统性能分析

要实现机电液综合控制系统性能分析，就将采集的实验数据存储起来，并方便分析软件访问。考虑到组态软件、M atlab 软件，均能访问 Access 数据库，因此采用Access 数据库作为实验数据存储和交换的桥梁，实现M atlab 与组态软件之间的数据交换[6]，如图 5 所示。

数据采集时，在接到数据采集指令时，读取 PLC 寄存器对应的数据变量，将数据变量中读取的数据通过 ODBC数据源存入 Access 数据库中，然后判断动作是否结束，如果动作未结束，则延时之后，再次读取数据存入数据库，如此反复，直到动作结束，完成数据采集。

数据分析时，由 M atlab 通过 ODBC 数据源，取出存放在 Access 数据库中的实验数据，并放入 M atlab 变量中，然后利用 M atlab 软件进行实验数据分析。

5结束语

机电液综合控制系统的设计开发、性能测试和技术人才培养等方面都离不开实验。本文从实验台硬件设计、基于组态软件实时监控和数据采集、基于 M atlab 机电液综合控制系统性能分析等三个方面分析机电液综合控制试验台设计。实践表明，该实验台功能完备，操作控制简单，既能够用于机电液综合控制实验教学，也能够满足工矿企业进行机电液综合控制系统开发的要求。