西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8产品描述

西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8产品描述

  1．继电器一接触器实现的Y/△降压控制电路

    由电动机及拖动基础可知，三相交流异步电动机启动时电流较大，一般是额定电流的5～7倍。故对于功率较大的电动机，应采用降压启动方式，Y/△降压启动是常用的方法之一。

    启动时，定子绕组接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再将定子绕组的接线换成三角形，电动机便进入全电压正常运行状态。图5-4为继电器一接触器实现的Y/△降压控制电路。

    图5-4 异步电动机Y/△降压启动控制电路图

    (a)主电路；(b)控制电路

    它是根据启动过程中的时间变化，利用时间继电器来控制Y/△的换接的。由图5-4 (a)知，工作时，合上开关Q，当接触器KM1及KM2接通时，电动机Y形启动。当接触器KM1及KM3接通时，电动机△形运行。

    线路中KM2和KM3的动断触点构成电气互锁，**电动机绕组只能接成一种形式，即Y形或△形，以防止同时连接成Y形及△形而造成电源短路。

    2．可编程控制器的硬件配置

本模块所需的硬件及输入／输出端口分配如图5-5所示。由图可见，本模块除可编程控制器（要增加输入输出点数）、SB1、SB2、FR之外还增添了两个接触器KM2，KM3，其中，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，FR为热继电器的动合触点，KM1为主电源接触器，KM3为△形运行接触器，KM2为Y形启动接触器。

图5-5 异步电动机Y/△降压启动的PLC控制电路图

    3．软件设计

    本模块的软件设计除应用前述的部分基本指令及软元件之外，还新增软元件定时器T40。可编程控制的梯形图程序如图5-6所示。

图5-6 异步电动机Y/△降压启动的PLC控制梯形图程序

    工作过程分析如下：按下启动按钮SB1时，输入继电器I0.0的动合触点闭合，如果没有故障，输出继电器Q0.0接通，并通过Q0.0的动断触点自锁，接触器KM1得电吸合，接着Q0.1接通，接触器KM2得电吸合，电动机在Y形接线方式下启动；同时定时器T40开始计时，延时8s后T40动作，使Q0.1断开；Q0.1断开后，KM2失电，使输出继电器Q0.2接通，接触器KM3得电，电动机在△形接线方式下运行。

    若要使电动机停止，按下SB2按钮或过载保护(FR)动作，不论电动机是启动或运行情况下都可使输出继电器断开，电动机停止运行。

在梯形图中，将Q0.1和Q0.2的动断触点分别与对方的线圈串联，可以**它们不会同时为ON，因此KM2和KM3的线圈不会同时通电，这种措施是通过程序控制来实现的，叫做“程序互锁”。

    但是程序互锁还只能保PLC输出模块中与Q0.1和Q0.2相对应的硬件继电器的动合触点不会同时接通，由于控制电动机主回路的接触器在切换过程中电感的延时作用，可能会出现一个接触器的主触点还未断弧，另一个的主触点已经合上的现象，从而造成瞬间短路事故。这时可以在PLC的外部输出回路中，将KM2和KM3的辅助动断触点串联在对方接触器线圈的回路中（如图5-5所示）。这种措施叫做“硬件互锁”。

1 引言

目前，大多数PLC都提供位置控制功能。在小型PLC中，对于简单的点位控制，都内置了这种定位功能。硬件上提供2～3个高速脉冲输出口，软件上则提供了相应的指令。对于较为复杂的定位控制功能，小型PLC提供扩展模块。不管是内置的定位功能，还是扩展定位模块，PLC输出的定位信号都是脉冲信号，下位的伺服驱动单元提供脉冲输入接口来接收来自PLC的定位脉冲信号，从而完成定位驱动。

在小型PLC中，并不提供模拟量接口的伺服驱动控制功能。但是在工厂自动化应用实践中，常常需要模拟量接口的伺服驱动控制。如液压油缸的位置控制中，伺服阀的速度信号是正负10 V的模拟电压信号，小型PLC在这种应用场合就遇到了困难。再如，如果需要实现全闭环的位置伺服控制，小型PLC也缺少相应的控制对策。针对这一问题本文所讨论的是如何利用小型PLC已有的内置功能和扩展模块，用各类小型PLC通用的方式，以的成本、简洁的硬件配置、简单的软件编制，地开发小型PLC的潜力，使小型PLC在这一控制场合发挥作用，实现模拟量接口的位置伺服控制。下面以三菱FX3U小型PLC为例进行讨论。

2 控制方案

2.1位置伺服经典控制方式

图1是传统的位置伺服控制原理结构框图。来自插补器的指令脉冲与来自实际位置测量回路的反馈脉冲进行比较，得到位置跟踪误差厶。该误差值反映了指令位置与实际位置之间的差值大小及方向(即可正可负)。由于后续的位置调节器是一个模拟元件构成的调节器(例如由运放构成的模拟Pl调节器)，所以作为位置调节器的输入信号，该误差值需要通过D/A转换成直流模拟信号。位置调节器的直流输出电压U。，是速度单元(即驱动单元)的输入信号。速度单元驱动运动部件前进后退，其速度由电压U。确定。在这个传统的位置伺服控制框图中，其是位置调节器，关键的控制过程就是位置调节器对位置跟踪误差进行调节控制，使运动部件的运动位置量尽可能接近指令位置值。

2.2小型PLC所构成的伺服控制模型

上述传统的位置伺服控制原理对于我们有很大的启发意义。上述控制原理框图中的一些控制单元在大多数小型PLC中都有对应资源或器件，我们可以根据位置伺服控制原理和小型PLC现成的资源来构建一个、有实用的伺服控制系统。

图2为PLC位置伺服原理框图。与传统的位置伺服控制结构框图相比，位置调节器和D/A转换单元的位置换了一个位。这是因为在PLC中位置调节控制不可能是模拟式的，而一定是数字式的，是用PLC指令来实现的。所以位置调节器必定接受数字萤信号。在图2中，虚线部分是在PLC中实现的。PLC发出的指令脉冲与来自位置测量元件的位置反馈脉冲比较，其差值输入到位置调节器，调节器的输出信号经D/A模块输出到外部的伺服驱动单元。

3 PLC位置伺服系统硬件配置

图3是根据小型PLC现有的硬件和软件资源构建的一个具体的硬件配置。小型PLC一般都提供2～3组2相高速计数器接口，频率一般在50 kHz以下。该接口可作为位置反馈接口。测量元件采用脉冲编码器或光栅等，其输出的位置信号为脉冲，电路接口为开路集电输出，以与PLC的高速计数器接口配合。经PLC内部位置调节器处理的速度控制量通过D/A转换模块输出到伺服驱动器。在上述硬件配置中，高速计数器接口是PLC内置的，D/A转换模块也是常用模块。

4软件编制

根据上述分析，我们确定了控制模型和硬件配置。软件编制的是通过指令构建所确定的控制模型，并与相关的硬件相结合，终完成控制任务。

4.1指令脉冲的产生

在小型PLC中一般内置定位指令。以三菱FX3U系列PLC为例，提供两条指令：位置定位指令DDRVA和相对定位指令DDRVI。在指令DDRVA D10 D12 Y0 Y4或DDRVI D10D12 Y0 Y4中，DIO为目标位置(单位：脉冲)，D12为发出脉冲的频率，Y0为脉冲输出的端口，Y4是方向信号。在特殊数据寄存器D8348和D8349中设置频率上升和下降时间，D8340(双字)中存储当前位置值(单位：脉冲)。正常的使用方式中，Y0和Y1作为位置脉冲和方向信号输出到伺服驱动器中(这时伺服驱动器处于位置工作方式)。我们不使用Y0和Y1的信号，而是使用D8340中当前值，该值就是我们构建的伺服控制模型中需要的位置脉冲指令。

4.2 比较环节与位置跟踪误差

小型PLC内置高速计数器，三菱FX3U系列PLC中支持2组2相硬件高速计数器，编号为C251和C253。位置跟踪误差厶一指令脉冲一实际反馈脉冲一D8340一C251。所以比较环节可用一条双字减法指令来构成：DSUB D8340 C251D21。双字D21即为位置跟踪误差厶的当前值。

4.3位置调节器

前已叙述，位置调节器的主要任务是对位置跟踪误差进行调节控制，目标使实际反馈脉冲尽量接近指令脉冲，使位置跟踪误差趋于0。在小型PLC中，一般都内置PID指令。在这里，我们可利用这条指令来构建位置调节器。在三菱PLC中，PID指令的格式如下：PlD S1 S2 S3 D其中S1为目标调节值，S2为当前实际反馈值，S3为PID设置参数，D为经PID调节运算得到的调节输出值。S1～S3，D如用具体的数据寄存器来表示，则可表示为：PID D20 D21 D30 D60。当我们用该指令构建位置调节器时，D20为位置跟踪误差的调节目标，D20=0;D21为当前实际的位置跟踪误差，D21一As=D8340～C251。D30～D54为PID设置参数。D60为输出值。

在D30--一D54 PID参数中，D30为采样周期，D31设置动作方向等，D32为实际值输入滤波时间，D33为比例增益K。，D34为积分时间Ti，D35为微分增益K。，D36为微分时间L。D53为输出下限设置值，D54为输出上限设置值。输出量D60是D/A转换模块的输入信号，在三菱D/A模块的D/A转换数字范围是一2 000～+2 000之间，所以D53，D54应分别设置为一2 000和+2 000。对应输出电压为一10 V和+10 V。

4.4 D/A转换

D/A转换可利用小型PLC输出正负电压的D/A转换模块，在三菱FX系列PLC中，使用FX2N一4DA转换模块。用一条指令来完成这个转换：TO K0 K1 D60 K1，即将D60中的数据写入1个扩展模块的1个D/A通道中。

4.5范例程序

图4是以三菱FX3U系列PLC为平台编制的范例程序，比较简单，但能实现基本的位置控制。如果要实际使用，还需要增加一些辅助程序。限于篇幅，在此不作详细介绍。

在上面的程序中，我们把比较环节、位置调节器和D/A转换部分都放在10 ms定时器中断程序中，原因后面介绍。

5位置环参数及其它参数调整

在完成了硬件配置和软件编制后，要使系统正常工作，正确合理地设置D30～D35之间的PID参数及其它相关参数，如采样周期、输入滤波时间、比例增益K。、积分时间Ti、微分增益Ka、微分时间L、加速度等。作为一个建立在小型PLC基础上的位置伺服系统，对于包括位置调、位置跟踪误差、响应速度、振荡等一系列位置调节特性，一方面需要研究PID参数与调节特性的关系，重要的是通过实验来验证和摸索其控制规律和参数配合。实验平台如下：FX3U一32MT主机、FX2N一4DA模块、伺服驱动器MR—J2S及伺服电机。位置反馈脉冲采用伺服驱动器输出的脉冲，每转1 ooo脉冲，电机转速为3 000r/min。由于其脉冲输出电路为RS422型，所以用了一个转换电路将其转换成集电开路输出的电路以与PLC高速计数器输入接口匹配。

5.1采样周期L

采样周期T。应远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间，为使在每次采样中及时反映位置跟踪误差的变化情况，应使采样周期尽量小。但是在小型PLC中，一般PLC的扫描周期在几十ms之问。所以如果将位置调节器程序块编制在主程序中，则采样周期不可能设置为小于PLC扫描周期的值。为了解决这个问题，可将位置调节器程序块编时器中断子程序中。所以在的范例程序中，我们使用了10 ms的定时器中断，并将位置调节器的相关指令编制在1610中断子程序中。在这里采样周期L取10 ms。在实验中，10 ms的采样周期是能满足控制要求的，试验效果相当好。

5.2比例增益Kp

比例部分的值为&×K。，在时间上与位置误差没有滞后，所以能即时产生调节作用，具有调节及时的特点。K，越大，调节作用越强。但是在实验中将K，值增大到400%时，系统发生振荡，不能稳定工作。当取K。一300%时，系统工作稳定。

5.3 积分时间T1

积分的作用是误差。积分时间较小时，调节时间较小，有利于快速误差，提高控制精度。但是会引起定位结束时位置调量增加。反之积分时间增大时，则位置调量减小，但位置跟踪误差会增加。

5.4微分增益Kd和微分时间死

在本案中，没有使用微分功能。

5.5位置跟踪误差和位置调

在实验中，当比例增益K。一300%时，积分时间取5 ms时，位置跟踪误差小，在5个脉冲左右。完成时，跟踪误差接近0。但存在两个问题：在定位启动时，位置跟踪误差较大;完成时调量较大，约有15个脉冲。为解决这两个问题，适当增加脉冲指令的脉冲频率上升时间和下降时间。上升下降时间增加后，频率上升段的跟踪误差及结束时的位置调量明显减小。

6 应用场合

通过上述理论分析和实验验证，基于小型PLC的模拟量接口位置伺服控制方案是可行的。这种控制方案，从工厂自动化使用环境而言，有下列2个实际应用场合。

6.1 液压驱动设备双油缸同步驱动控制

在锅炉制造设备中，有些设备有2个油缸需要在两端同时驱动，要求**两油缸运动的同步性。油缸的控制采用电液伺服阀，接口信号为O～±10V模拟电压。该电压信号可控制油缸运动速度。位置测量元件为光栅，与油缸平行安装，构成全闭环位置控制系统。图5是其控制系统框图。PLC的两路2相高速计数器作为2根轴的实际位置反馈检测，在PLC内按照介绍的方式建立2个数字式位置调节器。为了实现两轴同步控制，二轴指令脉冲具有相同的目标位置、相同的频率、相同的频率上升和下降时间。由于指令脉冲基本是同步的，所以只需**二油缸在运动过程中其位置跟踪误差在一定范围内，那么二油缸的同步运动是可以**的。

6.2构建半闭环或全闭环位置伺服系统

在PLC给出定位脉冲+伺服驱动器(工作在位置方式)的控制模式中，当运动部件在运动时，控制器并不知道运动部件当前的实际位置，所以对于控制器而言，是一个开环位置控制系统。我们可以将这种控制方式改成本文所讨论的控制方式，将运动部件的当前位置反馈输入PLC。

当使用脉冲编码器作为位置测量反馈元件时，构成半闭环位置系统;当使用光栅作为位置测量反馈元件时，则可构成全闭环位置系统。

7 结束语

本文充分利用小型PLC的内置功能和现成的功能模块，构建了一个基于小型PLC的模拟量接口位置伺服系统。这为模拟量接口的伺服驱动单元与小型PLC配合提供了一种思路和方法。但以这种方式构建伺服控制系统，与中大型PLC模块相比，其控制性能相对差一些。比如，在位置调节器采用PI调节时，在定位结束时存在一定位置调量;而当位置调节器采用P调节时，则位置跟踪误差较大。所以这种控制方式仅适用于一些定位精度和性能要求不高的控制场合。

随着3C 技术发展, 网络集成信息自动化正应用到现场设备、控制中, 现场总线控制系统正逐步取代传统的集散控制系统, 其中Modbus 现场总线协议在基于PLC 的控制系统中得到了越来越广泛的应用. 在本系统中, 以PLC 为主机、温度采集模块为从机, 完成对生产过程的自动控制、工业流程及工艺参数的显示、修改, 根据PLC 的无协议通信功能, 用Modbus 现场总线协议实现主机与从机的通讯。

本文基于某监控系统的设计, 实现了三菱FX2N 系列PLC 在无协议通信方式下与DS18b20型数字温度传感器的采集模块以Mo dbus 协议通信, 在电炉熔化工作过程中, 对电炉、电容、冷却水等100 多点的温度实现巡检。

1 系统硬件组成

温度监控部分系统的硬件由DS18b20 型数字温度传感器、采集模块、FX2N 系列PLC、FX2N-485-BD、HITECH 触摸屏组成, 其结构如图1 所示。

图1 系统硬件组成

DS18b20 是世界上支持单线总线接口( 1w ire bus inter face) 的数字化温度传感器, 单总线接口便于构建分布式的温度测控网络, 数字化的输出提高了信号传输的性, 而且使外围电路大为简化。 DS18b20 具有很高的适应性和性价比, 其测温范围为- 55~ 125 ℃ , 测温精度为±0. 5℃ , 测温距离大为200 m , 测温方式使用3 线制, 本系统使用的传感器排序方式为排序。

DS18b20 内部主要有3 个数字部件: 1 个温度传感器、1 个64 位的激光刻蚀ROM、9 字节高速暂存器Scratchpad RAM 和3 字节EERAM. ROM 上64 位数据是传感器的序列号。暂存器确保数据的完整性, 数据先被写入暂存器, 并可以被读回. 数据经校验后, 可以由拷贝暂存器命令传输到EERAM, 以确保改存储器时数据的完整性。暂存器为9 个字节, 0 和1 字节是温度编码的低字节和高字节.

2 和3 字节是温度编码的低字节和高字节的拷贝, 4 字节是配置寄存器, 其值决定温度转换的分辨率。

本系统采用的STA-D 温度采集模块, 是一种远程数字化温度采集系统, 有10 个通道, 每个通道多可以挂接16 个DS18b20 型数字温度传感器,总共可以监控160 个点的温度, 以RS485 方式同上位机通讯, 通信协议为标准Modbus 协议, 波特率为9 600 bps, 与上位机通信距离大为1 200 m, 工作电源为12 ~ 24 V, 工作温度为- 20 ~ 75 ℃。 与FX2N??485??BD 采用两线制的485 连线方式( 图2) ,接线要使用规范的屏蔽线。

图2 485 连接图

闽台HITECH 公司触摸屏PWS 系列是专为PLC 设计的互动式工作站, 用232 直接与PLC 连接, 可以直接读取PLC 的数据寄存器, 具有良好的人机界面, 操作人员通过它可设置所有参数, 控制系统自动运行。并且编程简便, 运行稳定, 可设置不同的管理权限, 适合于本系统使用。

2 Modbus 协议

标准的Modbus 口是使用RS??232C 兼容串行接口, 它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验, 控制器能直接或经由Mo dem 组网. 控制器通信使用主! 从技术, 即仅一设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) , 其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

表1 Modbus 部分功能码定义

Modbus 通讯协议有两种传送方式? RT U 方式和ASCII 方式。 本系统使用RTU 模式, 这种方式的主要优点是: 在同样的波特率下, 可比ASCII 方式传送多的数据。

使用RTU 模式时, 消息发送至少要以3. 5 个字符时间的停顿间隔开始, 如图3 的T1- T 2- T 3- T 4 所示。 传输的个域是设备地址, 可以使用的传输字符是十六进制数值。 通信期间, 网络设备不断侦测网络总线, 包括停顿间隔时间内, 当个域( 地址域) 接收到, 每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。 在后一个传输字符之后, 至少要有3. 5 个字符时间的停顿以标定消息的结束, 之后可开始新的消息传输。典型的消息帧如图3 所示。 使用RT U 模式, 消息包括了一个基于CRC 方法的错误检测域. CRC 域检测了整个消息的内容。

图3 M odbus 消息帧结构

CRC 域是两个字节, 包含一个16 位的二进制值。它由计算后加入到消息中。 接收设备重新计算收到消息的CRC, 并与接收到的CRC 域中的值比较, 如果两值不同, 则有误, 后面将具体讲述CRC 算法的实现。

3 系统软件构成

考虑到操作的方便性, 在系统初次安装时, 先在PC 机上用上位机软件将所有传感器的ID 搜索出来, 然后按实际安装位置给每个传感器编号, 读温度测试传感器是否工作正常。在PLC 上使用Mo dbus协议通信时要对通信格式进行设定, 即对D8120 寄存器进行写操作, 在本系统条件下设置为0C87 , 即数据长度为8 位, 无校验, 无起始位与停止位, 波特率9 600 bps。 修改D8120 设置后, 确保通断PLC 电源一次。 再用RS 指令进行数据的传输, 相关程序格式如图4 所示。

图4 RS 指令程序格式

按照上述程序格式, 即可在数据发送区写入指令进行相应的操作。

1) 读取温度, 其指令格式: [ 设备地址] [ 命令号] [ 通道号] [ 传感器编号] [ 读取个数高8 位] [ 低8位] [ CRC 低8 位] [ CRC 高8 位] , 其中CRC 校验字节以子程序形式调用. 设备响应: [ 设备地址] [ 命令号] [ 返回的字节个数] [ 数据1] [ 数据2] . . . [ 数据n] [ CRC 低8 位] [ CRC 高8 位] 。

每个18b20 读取温度的返回值占用两个字节.

转换方法: 将实际温度扩大100 倍, 再将此数值分为两个字节传送出来即可. 例如, 实测出来温度是28.65℃ , 扩大100 倍即2 865, 则发送的个字节是2 865/ 256 即是11, 二个字节是2 865% 256 即49, 那么传送的两个字节为0×0B 和0×31。

需要注意的是, 由于采用两线制的485 连线方式, 会产生回波通信, 即接收端会先接收到自己发送出去的数据, 但数据还是会正常发送给采集模块, 此时接收端则应该避开的无用数据, 接收后面模块响应的有效数据。

2) 在系统运行后, 若需换传感器, 则需执行以下两条指令, , 搜索ID, [ 01] [ 06] [ 0c] [ 00][ 00] [ 00] [ CRC 低] [ CRC 高] , 此指令为搜索模块1上各个通道的所有传感器。 然后写编号, 例如: [ 01][ 06] [ 09] [ 05] [ 00] [ 05] [ CRC 低] [ CRC 高] , 表示将9 通道的原来编号为05 的传感器换后重新设定为05, 执行此两条指令后, 方可重新读取温度。

3) CRC 校验字节的生成是比较关键的一步,其过程比较复杂, 步骤如下:

①预置一个16 位CRC 寄存器为十六进制FFFF, 即所有数位均为1。

②该16 位寄存器的低8 位字节与信息帧的个字节的低8 位进行& 异或?运算. 运算结果放入这个16 位寄存器。

③ 把这个16 寄存器向右移一位, 用0 高位。

④若向右( 标记位) 移出的数位是1, 则生成多项式A001( 1010000000000001) 和这个寄存器进行“异或”运算; 若向右移出的数位是0, 则返回③。

⑤重复③ 和④, 直至移出8 位。

⑥重复③ ~⑤, 直至该报文所有字节均与16 位寄存器进行& 异或?运算, 并移位8 次。

⑦将得到的l6 位CRC 寄存器的高、低位字节进行, 即2 字节CRC, 加到报文。

其程序流程如图5, 以上面的温度读取指令为例, 其CRC 校验梯形图如图6。

图5 CRC 校验流程

图6 CRC 校验程序

在读取温度时, 应严格遵守DS18b20 的读写时序, 否则就会出现错误, 丢帧等, 若用脉冲信号定时读取, 则间隔应不小于100 ms. 一般出现错误帧时数据显示为0℃, 此时可以进行简单的滤波, 例如传回值为0 时不显示数据, 或者多组数据取平均值后再显示, 以避免温度显示的大幅度跳动。 DS18b20的初始化温度显示为85℃, 若一直不变, 则此传感器可能已经损坏或是接线不良, 应进行相应的检查。

4 结束语

该系统应用于生产过程实时监控中, PLC 既作为现场控制机完成对生产过程的自动控制, 又作为主从通信的主机, 与相关仪表连接, 实现与基于Modbus 现场总线协议的DS18b20 型数字温度传感器的采集模块的主从通信, 并通过PLC 高速实时网络实现对其的远程监控。 该系统目前处于试运行阶段, 表现较为稳定, 通信, 效果良好。