西门子6ES7231-0HF22-0XA0技术支持

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引言
    为**平台稳定，被调平台有五条支腿，分别用5个执行元件控制其高度，以调整平台的水平度;用2个水平敏感元件检测其水平度，2个水平敏感元件垂直安装，分别用于检测平台前后方向的水平度和检测平台左右方向的水平度。图1是被调平台与支腿和水平传感器安装示意图(图中未标出平台上的设备)。

图1   被调平台与支腿和水平传感器安装示意图

5个调平支腿高度及2个水平敏感元件的输出，构成了五输入二输出的多输入输出系统，每一调平支腿高度变动，都有可能影响平台的水平度，因此它是一个强耦合的系统。
2  解耦的控制方法
    系统虽有5个输入，2个输出，但我们知道，三点决定平面，所以在调平控制量中有二个输入量是冗余量，只需选择平台在三支点构成的三角形内，控制这个三角形的三个支腿高度，即可实现调平;在调平结束后，再控制其余二个支腿着地即可。所以实际系统应是三输入二输出系统，经过分析可以得到水平敏感元件的输出α与β是三个调平支腿高A、B与C的函数:
     α=f1(A，B，C)
     β=f2(A，B，C)
平台调平后，应得到α≤δ，β≤δ。δ是一个允许的很小倾角。A、B、C与α、β之间是强耦合的。
应用理论和实验方法都可得出其传递函数，设平台输入与输出关系表示如下: 

式中GNM是α、β对于A、B、C的传函;GNM中下标N=1、2代表水平敏感元件的输出α与β，M=1、2、3代表三支腿高A、B与C。设有一个预补偿矩阵Kp(s)使(2)式成立。

    式中KPQ中下标Q=1、2代表预补偿函数的二个输入α与β，P=1、2、3代表补偿传函的三个输出A、B与C。若

    则可实现解耦。为使解耦，必需求出k(S)，并且按(4)式实时计算A、B和C，然后实施控制。

由(3)式解出k(S)，代入(4)式并离散化(4)式，用计算机实时地计算出控制量A、B、C，就构成了快速自动调平系统。然而k(S)不容易显式解得，(4)式的实时计算量大;以及当用伺服系统控制调平支腿的高度时，少要有测量3个支腿高度的传感器和两个测量平台水平度的传感器，硬件电路相对复杂，开发时间长;这些因素都限制了解耦控制方法的使用。|
3  剔除冗余量的解耦控制方法
      某些平台上的设备运行中不需实时调平，只要求开始工作前进行一次调平，对调平过程速度要求也不高。这种平台的调平方法，可用剔除冗余量的解耦控制方法;将调平过程分两步进行，调平某个倾角使之达到水平要求之后，将其锁定，然后再去调另外一个倾角。在步时，剔除了一个倾角及两个支腿的高，使控制系统变成了单入单出控制系统。二步剔除已调平了的倾角及相应的已完成调平任务的两个支腿。这样二步调平也变成了单入单出控制系统。这种做法是一种剔除冗余量的解耦控制方法。
      具体调平过程叙述如下:选择平台所在三支腿构成的三角形中的三个支腿;在平台未调平前，三个支腿连结成的三角形中，必有一条边的倾角大，这条边是由与两支点的连线，与它平行的(或夹角小的)水平敏感元件的输出大，也即由此水平传感器测出的倾角大，以此水平敏感元件的输出作被控量，以高度支腿的高为控制量，构成单入单出的闭环控制系统。这时，虽然调整位置支腿高时，会同时影响两个倾角，但未被选用的水平传感器的倾角变化可在二步时再调平，因此在步调平过程中，和次高支腿高作为冗余量被暂时剔除了，较小的倾角的输出也作为冗余量被剔除了。步调平过程，直至此大倾角被调平为止。当此倾角调平后，以此水平线为轴，平台便成了“跷跷板”，在平台作用下，原次高支腿变成了新的支腿。原倾角较小的传感器输出变成大。
      二步，也以此时倾角大的水平敏感元件的输出为被调量(另一水平敏感元件的输出已被调为零或一个允许的较小的倾角)，以此时的支腿高度为控制量，其余二个输入和一个输出作为冗余量被剔除，再次构成一个单入单出的单闭环系统;为防止二步调平破坏步已调平得到的“跷跷板”的水平轴线，在二步调平时，要收起腿的对角支腿，使此支腿悬空;这样二步调平过程就不会影响步调平的结果。当此时的大倾角的水平敏感元件输出变为零时，就表明平台已被调平了。后再将其余支腿放下着地使平台稳定。
      上述剔除冗余量的解耦控制方法算法简单，即当水平传感器输出过要求时，接通位置支腿的电磁阀，调此支腿的高，直至水平传感器输出满足要求止。控制算法中，确定电磁阀接通与否，只由水平传感器的输出决定，而不需要测出各调平支腿的高度，因此不需使用测量支腿高度的传感器。且控制算法中只有一些逻辑判断，处理大量的数椐，适合用PLC实现。
4  用PLC控制自动调平系统
      用剔除冗余量的解耦控制方法的调平系统可用PLC实现。用PLC控制的自动调平控制系统主要包含:水平器与控制支腿高度的电磁阀与液压缸等组成。硬件框图如

图2   自动调平控制系统的硬件结构框图

下:
    图2中PLC输出经驱动电路控制电磁阀，电磁阀控制液压缸，液压缸控制支腿高度，液压缸上的液压继电器用于测量支腿是否着地;因为当支腿着地后液压缸压力升高，液压继电器接通。水平传感器输出的水平倾角是模拟量，因此PLC除了要有用于控制液压缸的开关量输出模块，和用于接收液压继电器的开关量输入模块外，还要有模拟量输入模块。
某自动调平系统，自动调平工作过程如下:
(1) 选择大倾角(可能是“前后倾角”，也可能是“左右倾角”)方向调平。
(2) 判断大倾角方向上支腿的高低，将低端的调平支腿升高;直至在此方向达到调平精度。
(3) 进行另一方向的调节，升高较低一端的调平支腿，同时，收回此方向上较高一端的调平支腿;
(4) 达到两个调平方向的调平精度后，使辅助支腿着地、放稳;
(5) 调平工作结束。
图3是自动调平控制程序框图。图中DT9、DT11、DT13、DT15分别是除辅助支腿外的4个调平支腿的液压缸的4个电磁阀，图中“调左右倾角标志”和“调前后倾角标志”是PLC内部辅助继电器，程序此标志，当有标志时，会一直调整某个倾角，直至此倾角被调平为

图3   自动调平程序框图

止，故这一标志是实现解耦的关键。
      编写程序时要注意到，PLC用户程序是周期执行的，因此PLC程序与计算机编程有很大不同。但本程序是用在S7-300 PLC中的，S7-300程序由“组织块”(OB1)和“功能”(FC1)等组成[2]，本程序是一个“功能”。在条件满足时，“功能”程序将被反复执行，与计算机程5  结束语
      本自动调平系统中，未使用高度传感器测各调平支腿的高度，系统;所用的剔除冗余量的解耦控制方法，调平过程要分两步才能完成，速度比解耦的控制方法慢;但在某些设备中，对调平速度要求并不高，可以应用，是一个很好的控制方法。总之，一些控制问题似难以用PLC进行控制，但只要在控制方法上想办法，改进控制方法后，用PLC也能胜任;本文提出的剔除冗余量的解耦控制方法有实现，可推广应用。本文设计的用PLC实现的自动调平系统能在很短的时间内完成，开发周期很短，性很高

随着PLC在工业自动控制系统中的应用越来越广泛，对PLC的正确选型非常重要。从工作量、工作环境、通信网络、编程、与监控系统的通信、可延性、售后服务与技术支持、性价比等八个方面提出了在自动控制系统设计中对PLC选型的看法。
关键词：控制；系统设计；可编程控制器；选型
    可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在
自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。
    面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，可以在挑选PLC时作为参考。
可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。
一、工作量
    这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的要条件，一般选择比控制点数多10%~30%的PLC。这有几方面的考虑：
1、可以设计过程中遗漏的点；
2、能够**在运行过程中个别点有故障时，可以有替代点；
3、将来增加点数的需要。
二、工作环境
    工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。
三、通信网络
    现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统解决的问题，但各厂家的通信协议千差万别，兼容性差。在这一点上主要考虑以下方面：
1、同一厂家产品间的通信。各厂家都有自己的通信协议，并且不止一种。这在大、中型机上表现明显，而在小、微型机上不尽相同，一些厂家出于容量、价格、功能等方面考虑，往往没有或者有与其它协议不同，而且比较简单的通信。所以，在这方面主要考虑的是同一厂家不同类型PLC之间的通信；
2、不同厂家产品间的通信。若所进行的自动控制系统设计属于对已有的自控系统进行部分改造，而所选择的是与原系统不同的PLC，或者设计中需要2个或2个以上的PLC，而选用了不同厂家的产品，这就需考虑不同厂家产品之间的通信问题；
3、是否有利于将来。由于各厂家的通信协议各不相同，上也无统一标准，所以在PLC选型上受到很大限制。就要考虑影响面大、有发展的、功能完备、接近通用的通信协议。
四、编程
    程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内。
1、编程方法
    一种是使用厂家提供的编程器。也分各种规格型号，大型编程器功能完备，适合各型号PLC，价格高；小型编程器结构小巧，便于携带，价格低，但功能简单，适用性差；另一种是使用依托个人电脑应用平台的编程软件，现已被大多数生产厂家采用。各生产厂家由于各自的产品不同，往往只研制出适合于自己产品的编程软件，而编程软件的风格、界面、应用平台、灵活性、适应性、易于编程等都只有在用户亲自操作之后才能给予评价。
2、编程语言
    编程语言为复杂，多种多样，看似相同，但不通用。常用的可以划分为以下5类编程语言：
（1）梯形图
这是PLC厂家采用多的编程语言，初是由继电器控制图演变过来的，比较简单，对离散控制和互锁逻辑为有用；
（2）顺序功能图
它提供了总的结构，并与状态定位处理或机器控制应用相互协调；
（3）功能块图
它提供了一个有效的开发环境，并且特别适用于过程控制应用；
（4）结构化文本
这是一种类似用于计算机的编程语言，它适用于对复杂算法及数据处理；
（5）指令表
它为优化编码性能提供了一个环境，与汇编语言非常相似。
    厂家提供的编程软件中一般包括一种或几种编程语言，如TE公司的Xbbb编程软件可以使用梯形图（Ladder）、顺序功能图（Grafcet）、结构化文本（Literal）3 种编程语言；Siemens公司的Step7编程软件可以使用梯形图（Ladder）、指令表（STL）两种编程语言；Modicon公司的Modsoft编程软件只使用梯形图（984 梯形）一种编程语言，而另一个Concept编程软件可以使用5种编程语言，依次为梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL）。同一编程软件下的编程语言大多数可以互换，一般选择自己比较熟悉的编程语言。
3、存储器
    PLC存储器是保存程序和数据的地方，分内制式和外插式两种，存储器容量在512~128M字节之间，一定要根据实际情况选取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。
    PLC存储器按照类型可分随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除只读存储器（EPROM）等。RAM可以任意读写，在掉电后程序只能保持一段时间，适合于在自控系统调试时使用。ROM只能读不能写，程序是由厂家或开发商事先固化的，不能改，即使失电也不丢失。EPROM与ROM只是EPROM通过特殊的方式（如紫外线）可以擦除再写，适合于应用在长时间工作而改动不大的系统中。
4、易于改
    PLC较继电器控制的另一个优势在于它可以根据实际需要任意改控制结构（或控制过程），这就要求改程序方便快捷。
5、是否有模块
    部分生产厂家的PLC产品提供一些模块，如通信模块、PID控制模块、计数器模块、模拟输入/输出模块等。在软件上也提供了与此相对应的程序块，往往只是简单的输入一些参数就能实现，便于用户编程。
五、与监控系统的通信
1、人机对话操作台。这是监控系统的早期产品类型，是生产厂家专为自己的PLC产品设计的，适合于点对点控制。结构简单，功能少，面板控制，操作较易，现仍然广泛地应用于现场控制系统中。其优点是在远端控制失效的时候，仍能很好地控制现场。
2、随着计算机的不断发展，依靠PC（包括工控机）的监控系统越来越多地应用在自控系统中，这种监控系统一种是PLC开发商专为自己的（或特定的）产品量身定做的；另一种是软件开发公司开发的适合大多数PLC产品的监控系统。种与PLC产品的相容性强，能够根据PLC产品的特点相应的控制方案，应该说仍以PLC为；后一种则抛开了PLC产品，注重计算机在图像、动画、声音、网络、数据等方面的优势，给二次开发人员了较宽松的开发条件，往往可以制作出的监控系统，只要有相应的通信协议（目前已拥有了绝大多数生产厂家的通信协议），就可以与各种类型PLC相连，是当今自控系统。所以，在这方面应考虑所选的PLC与监控系统的通信方式是否可行。
六、可延性
这里包括三个方面含义：
1、产品寿命。大致可以**所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品；
2、产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。
3、产品的新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够**有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。
七、售后服务与技术支持
1、选择好的公司产品；
2、选择信誉好的代理商；
3、是否有较强的售后服务与技术支持。
八、性价比
    相对于自控系统性能的好坏于价格的选择。只是在几项比较接近，又不易选择时，才考虑价格因数，选择性价比比较高的产品。
    在实际选型过程中，往往受到多方面的制约，不一定要考虑以上全部方面，但其中有些项是考虑的，而存在的问题也通过其它替代方式加以解决。
    一般来说通过前5项的比较，已可确定2~3种产品，再考虑到后几项，便可选中较满意的PLC。随着科学技术的不断发展，PLC产品也一定会有一个统一的标准。那时，挑选PLC将不再是困难的事情

   在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是的程序设计语言，它可根据需要去执行有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
根据可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：
梯形图程序设计语言
布尔助记符程序设计语言（语句表）
功能表图程序设计语言
功能模块图程序设计语言
结构化语句描述程序设计语言
梯形图与结构化语句描述程序设计语言
布尔助记符与功能表图程序设计语言
布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言
１、梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。
梯形图程序设计语言是常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
（１）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
（２）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；
（３）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；
（４）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。
２、布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言
布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。
布尔助记符程序设计语言具有下列特点：
（１）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；
（２）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；
（３）与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本类同。
３、功能表图（Sepuential Function Chart）程序设计语言
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。功能表图程序设计语言的特点是：
（１）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；
（２）对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；
（３）常用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合；
（４）只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。
功能表图来源于佩特利（Petri）网，由于它具有图形表达方式，能较简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存有的象死锁、不等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以，得到了文泛的应用。近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。关于佩特利（Petri）网的一些基本概念，我在以后会时再介绍给各位，以有助于对功能表图的进一步理解。
４、功能模块图（Function Block）程序设计语言
功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是：
（１）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；
（２）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；
（３）对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少；
（４）由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，这种设计语言在大中型可编程控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用。
５、结构化语句（Structured Text）描述程序设计语言
结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。
结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与ＢＡＳＩＣ语言、ＰＡＳＣＡＬ语言或Ｃ语言等语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。
结构化程序设计语言具有下列特点：
（１）采用语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；
（２）需要有一定的计算机程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成。
（３）直观性和易操作性等性能较差；
（４）常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。
部分可编程序控制器的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制，同时，提供了与可编程序控制器间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。