西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8使用选型

西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8使用选型

    西门子中型可编程控制器系列S7-300技术革新啦！S7-300 PLC是SIMATIC S7家族中的中型可编程序控制器，作为以前版本的升级，新一代固件版本为V3.0的S7-300系列的CPU 312、314、315-2 DP 和315F-2 DP已经发布，这些CPU都有新的订货号。
新一代的S7-300系列CPU与以前对应版本备件兼容，具备以下亮点：性能方面，性能提升了2倍或者高。内存方面，CPU 314 从96 KB扩展到128 KB ，CPU 315-2 DP从128 KB扩展到256 KB ，CPU 315F-2 DP从 192 KB扩展到384 KB。此外，可以同时在线监控两个快，技据也趋于一致，I/O过程映像区增大。同时，CPU 315(F)-2 DP 的PROFIBUS可以使用同步模式，并带有可以进行数据设置的路由。
性能提升
新一代的S7-300 CPU性能比现有的312，314 和315(F)-2 DP CPU有了显著提升，例如，新一代的CPU的用户程序执行速度是原来CPU的2倍或高。位运算时间缩减到50ns，字运算时间缩减到90ns，和浮点数运算性能也有了较大的提升。同时监控两个块　　新一代S7-300固件版本V3.0CPU的可以同时在线监控两个块，用户可以选择在一个PG或PC上同时监视两个块或在两个PG或PC上同时监控一个块。此外，增加了在块状态中监视的程序行数，只有在STEP 7 V5.4 SP5中才有这个功能。
技据的一致性
S7-300 CPU的技据趋于一致。已经对下面这些S7-300 CPU的固件进行了一致化或增添了一些功能： ——所有的S7-300 CPU具有相同的块数量(FC、FB、DB) ——相同的本地数据量大小 ——每个级具有相同的嵌套层数：16 ——除了CPU312以外的S7-300 CPU具有相同的块容量：64KB ——所有S7-300 CPU都具备：300个可同时的Alarm_S块 ——相同的时间延时中断OB块：OB20 和OB21 ——相同的周期中断OB块：OB32、 OB33、OB34 和OB35 ——相同的全局通信数量：8 ——断点数目从2个增加到4个 ——CPU312 的标签有256 字节 ——CPU 312 具有256个S7定时器/S7 计数器 ——诊断缓冲器　　诊断缓冲器的大小：500条诊断信息，新的100条具有保持功能　　CPU运行状态下显示的诊断缓冲器条目可以为10到499条。默认值为10条。兼容性　　新一代的S7-300 CPU 在具有备件兼容性的条件下可以替代以前的版本。　　旧版本的312、314、315(F)-2 DP CPU仍然可以订货，在大约1年的时间内，旧版本的312、314、315(F)-2 DP CPU和新一代的CPU可以同时提供，在此之后，我们只提供V3.0或高版本的CPU。

一、 引言
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。 数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中不切削工件。 实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，非凡是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、性高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要熟悉与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考。
  二、控制系统研制中需要熟悉与解决的若干问题
1、防止步进电机运行时出现失步和误差 步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高性。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
2、保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾 步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在低频下运行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。 为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同时又能保定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。
3. 可变控制参数的在线修改 PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单设计数码输入显示电路，这又将大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
4. 其他问题 为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的与稳定运行，还应解决控制系统的保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
  三、控制系统方案
1、将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段 要获得高的定位速度，同时又要保定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。 为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
2、应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入 目前较为的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9 个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。笔者选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用的功能指令实现数据的存储和传输，因此能方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。
3、“软件编码、硬件解码” 为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
4、PLC外部元件故障的自动检测 由于PLC具有高的性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此判定出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。
  四、控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。 由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的换。
  五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清楚、硬件电路简单实用、性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。

近年来，以智能电表为的智能电网成为欧美日中等诸多国家竞相发展的一个热点领域。欧盟委员强制要求2022年前所有欧盟成员国的电表都替换为智能仪表。美国也计划在每个家庭都安装智能仪表。中国在2009年5月开始提出构建坚强智能电网的构想，准备投资高达4万亿元，计划到2020年基本实现构想。在此推动下，电网技术面临着一场重要的，而不只是简单的技术演进。

在智能电网中，智能电表发挥关键的作用，可以使用户与电力系统之间实现互动。如一方面帮助电力机构了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价；另一方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。从功能模块来看，智能电表除了电源和计量模块外，还涉及到数据存储功能，需采用的存储器；此外，双向实时通信是智能电网的重要特征，故通信模块至关重要，需要选择适合的通信方式及相应的解决方案。

智能电网建设是一个庞大的系统，涉及电力、通信及应用多个层次，以及局域网(LAN)和广域网(WAN)等不同网络类型。其中，LAN连接家庭或建筑物内不同类型的智能电表到数据集中器(concentrator)。就这一段的网络连接而言，通常它们对通信速率的要求不高，主要的考虑因素是降。常见的通信方式有无线射频网络、有线电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL)等。具体采用何种通信方式，需要考虑各国电网实际状况等因素，同时，试行国家的做法也会提供借鉴意义。

在欧洲能源市场有重要影响力的法国电力(Electricité de France, EDF)，于2009年中启动了当前世界上大的智能电表项目bbbby，计划到2017年在法国部署3500万个智能电表。这个项目为智能电表到数据集中器之间的通信选择了PLC技术，然后再利用通用分组无线业务(GPRS)技术将数据传送到该公司的数据。考虑到中国的智能电网仍在试点阶段，法国ERDF的选择对中国具有借鉴意义。

PLC调制技术的选择

虽然PLC技术提供了一种的选择，但电力线的初衷并不是用于通信，故在应用PLC通信时也面临一些挑战。特别是设计人员需要密切注意会出现的信号衰减和噪声问题，反之也要求复杂的收发器技术。

为了抑制由噪声导致的信号衰减，降低误码率，并改善频率效率，有必要利用适合的信号调制技术。实际上，电力机构在部署智能电表抄表系统时，主要有三种调制方式，分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。

OFDM的理论带宽较高，但实际上在低压网络的噪声条件下会损失很大一部分带宽，而且OFDM的应用成本较高，工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低，但不是特别，性能会受到相位噪声影响，而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言，虽然S-FSK的数据率比OFDM低，但胜任智能电表应用。这种调制技术能实现的通信，同时应用，消耗的电能也少。因此，就当前的智能电网PLC应用而言，复杂度低、商用潜力大及有现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是适合的选择。

实际上，法国ERDF的bbbby项目规范中，物理层参考规范是IEC61334-5-1/EN50065，其中规定的调制技术就是S-FSK，通信频率为标记频率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空频(space frequency, Fs) 74 kHz，传输速率2.4 Kbps，并与50 Hz电气网络频率物理同步

IEC 61131-3的XML格式及其应用

随着IEC 61131-3标准被广泛接受，经济竞争的环境日益严峻，而在工业控制软件的开发成本和工程成本日益上升的形势下，希望能在不同的软件开发环境之间交换其程序、函数/功能块库和工程项目的需求越发高涨。考虑到编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个环节，为规范它与其他环节间的数据交换的接口，有必要提供为实现IEC 61131-3编程的数据交换规范。通过为IEC 61131-3规定一种XML的格式，倡导一种开发环境，使得在此基础上构成统一的工程软件平台。

利用PLCopen规范的XML格式，来实现不同软件工具的数据交换：为统一的工程平台实现不同控制功能的编程、组态提供基础；为统一的工程平台实现设计、调试、运行操作、维护各阶段功能的前后衔接提供基础；进行不同硬件平台定义的I/O变量和内部变量直接的变换，为控制程序无障碍移植创造前提条件。包括文本化编程语言、图形化编程语言、结构化编程语言、图形信息、数据类型等信息，都可用XML的格式予以表达。

举例来说，由德国的汽车制造商Daimler发起，联合了ABB、KUKA、Rockwell Automation、Siemens等工业企业以及一些软件务商，成立了AutomationML（Automation Markup Lange）组织，为的就是通过共同定义数字化工厂的一种中间格式——自动化标记语言AutomationML，并进行标准化。AutomationML标准是一种的开放标准，主要用于制造自动化，包括机器人和物流，但不局限于此。其主要在于：在一个单一的根格式（XML格式）下将许多重要工程方面所接受的标准综合起来予以应用。

IEC 61131-3的OPC UA信息模型

建立IEC 61131-3的OPC UA信息模型的目的在于提高控制器和可视化装置（人机界面）、上位信息系统之间通信的复用性。从长期应用的观点看，将明显提高工程流程的效率和显著降低工程成本。设想当某个PLC项目中有许制平台由不同的供应商提供，如果用一种可视化工具或MES/ERP，从这些控制平台的外部来看，他们是一样的。PLCopen之所以选择OPC UA，是因为使用OPC的统一架构解决了如下问题：在监控层面如何发现与之通信的对象；如何使通信对象的数据、复杂数据和功能性是可利用的；如何使通信、可执行，又与操作系统和编程语言无关；如何确保信息。

在2009年德国纽伦堡SPS/IPC/Drives展会、2010年HMI展会以及2010年灯光和展会别展出了由多个供应商采用OPC的IEC 61131-3信息模型的实物演示。

嵌入式PLC的发展趋势与潜力

根据《Control Design》杂志的调查，2009年美国机械行业的PLC用户占2/3，PAC和制合起来只占13%，而嵌入式PLC仅占5%。这可以说明，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

目前，嵌入式PLC的发展也呈现多元化，国内外均有良好表现：德国赫优讯推出的将现场总线技术和PLC技术结合的netPLC很有特色；国内几年前就有华中科技大学在EASY CORE 1.00芯片组中加载了嵌入式PLC系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式PLC；还有一种发展路径是以开发PLC与人机界结合的硬件/软件一体化为目标的平台，充分利用了CASE工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入/输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有ODM性质的PLC。

嵌入式PLC在我国具有较广阔的发展空间，在于它十分有利于发挥我国自动化行业发展的两大特点：有相当雄厚的为机电设备配套的市场基础，并拥有足够的、性价比优的设计开发队伍。我们可以以的成本、较高的质量，并按客制化的要求设计、生产为机电设备配套的嵌入式PLC，来代替通用PLC。

同时，嵌入式PLC的硬件、软件、人机界面、通信等各方面的功能设计灵活，易于剪裁，贴近各种档次的机电设备的要求。嵌入式PLC基于嵌入式系统的技术基础，拿来就可用。SoC芯片、嵌入式操作系统与符合IEC 61131-3编程语言标准的编程环境等优势，使得其在市场上很容易找到。

在目前环境下开发通用PLC的技术不难突破，但抢占市场需要大量财力和人力资源投入。在市场已被为数不多的几家大公司稳固瓜分的今天，走这样的路线似乎事倍功半。我国小型PLC近年来也有可喜进步的实践，也同样证明了这一判断。

西门子S7-300PLC的数据类型分以下三种：基本数据类型、复合数据类型和参数类型。

一、基本数据类型

1、位（bit)

常称为BOOL（布尔型），只有两个值：0或1。如：I0.0，Q0.1，M0.0，V0.1等。

2、字节（Byte）

一个字节（Byte）等于8位（Bit），其中0位为位，7位为位。如：IB0（包括I0.0～I0.7位），0（包括Q0.0～Q0.7位），MB0，VB0等。范围：00～FF（十进制的0～255）。

3、字（Word)

相邻的两字节（Byte）组成一个字（Word），来表示一个无符号数，因此，字为16位。如：IW0是由IB0和IB1组成的，其中I是区域标识符，W表示字，0是字的起始字节。需要注意的是，字的起始字节（如上例中的“0”）都是偶数。字的范围为十六进制的0000～FFFF（即十进制的0～65536）。在编程时要注意，如果已经用了IW0，如再用IB0或IB1要特别加以小心。

4、双字（DoubleWord）

相邻的两个字（Word）组成一个双字，来表示一个无符号数。因此，双字为32位。如：MD100是由MW100和MW102组成的，其中M是区域标识符，D表示双字，100是双字的起始字节。需要注意的是，双字的起始字节（如上例中的“100”）和字一样，是偶数。双字的范围为十六进制的0000～FFFFFFFF（即十进制的0～4294967295）。在编程时要注意，如果已经用了MD100，如再用MW100或MW102要特别加以小心。

以上的字节、字和双字数据类型均为无符号数，即只有正数，没有负数。

5、16位整数（INT，Integer）

整数为有符号数，位为符号位，1表示负数，0表示正数。范围为－32768～32767。

6、32位整数（DINT，DoubleInteger）

32位整数和16位整数一样，为有符号数，位为符号位，1表示负数，0表示正数。范围为－2147483648～2147483647。

7、浮点数（R，Real）

浮点数为32位，可以用来表示小数。浮点数可以为：1.m×2e，其存储结构如图所示：

8、常数的表示方法

常数可以是字节、字或双字，CPU以二进制方式存储，也可以用十进制，十六进制ASCII码或浮点数形式来表示。如下图所示：

说明：（1）S5T＃格式为：S5T＃aD_bH_cM_dS_eMS,其中a，b，c，d，e分别是日，小时，分，秒和毫秒的数值，输入时可以省掉下划线，如表中所示。

（2）D＃取值范围为：D＃1990_1_1～D＃2168_12_31。

二、复合数据类型

用户通过复合基本数据类型而生成就是复合数据类型。

复合数据类型包括以下几种：

1、数组（ARRAY）

将一组同一类型的数据组合在一起组成一个单位就是数组。

2、结构（STRUCT）

将一组同不同类型的数据组合在一起组成一个单位就是结构。

3、字符串（bbbbbb）

字符串是由多254个字符组成的一维数组。

4、日期和时间（DATE-AND-TIME）

用于存储年、月、日、时、分、秒、毫秒和星期的数据。占用8个字节，BCD编码。星期天代码为1，星期一～星期六代码分别是2～7。

如：DT＃2004_07_15_12:30:15.200为2004年7月15日12时30分15.2秒。

5、用户定义的数据类型（UDT，User-DefinedDataTypes）

由用户将基本数据类型和复合数据类型组合在一起形成的数据类型。

可以在数据块DB和变量声明表中定义复合数据类型。

三、参数类型

是为在逻辑块之间传递参数的形参（bbbbalbbbbbeter，形式参数）定义的数据类型。