西门子6ES7221-1BF22-0XA8详细资料

西门子6ES7221-1BF22-0XA8详细资料

1 塔式起重机定义及分类

塔式起重机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。塔机的主要机构有起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构。按塔机能否移动又分为：走行式塔机和固定式塔机。动臂式塔机设臂架变幅机构，兼有架设及变幅两种功能。小车变幅水平臂架塔机设小车牵引机构，或称小车变幅机构。固定式塔机不设大车走行机构。起升机构、变幅机构及小车牵引机构在构造上为近似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件组成。

在塔机历史上早出现的是动臂式塔机，后来由于存在缺陷，又受到桥式小车的启发发展出小车变幅塔机。由于小车变幅的诸多性能优势特点，的了市场，现在市场行的就是小车变幅塔机。但由于现在城市建筑越来越密集，小车变幅式塔机的臂长和覆盖面大的优势反而变成了劣势，动臂式塔机伸缩方便，特别是能满足内爬式塔机拆卸要容易的需求，在未来对小车变幅式塔机是一个严峻的挑战，有业内的预计会占塔机市场的50%。

2 塔式起重机市场概况

自20世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展，尤其近几年，塔机持续攀高，2001年统计9738台;2002年成为世界上塔机年产量突破10000台的国家;2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产有所回落;2005年-2007年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，据工程机械协会的数据，2007年中国共销售塔机31020台，比2006年增长了59.72%，2007年塔机销售额116亿。

中国目前位于塔机阵营的制造商有川建(股份制)、沈阳三洋、中联重科(上市公司)、抚顺永茂(民营企业)等几家企业，这些企业着中国塔机业的发展潮流，也是塔机出口的主要厂家，出口的塔机现已经达到销售塔机的50%以上。虽然目前中国塔机制造业的利润在不断地摊薄，尤其是在中小塔机市场，但是仍有众多新厂商不断加入。

20世纪80年代，很多省都有生产塔机的省机械厂，随着塔机需求的增加，民营企业纷纷进入，原有的一些国营塔机企业风光不在，有些企业如川建、沈阳建机等经过改制重组，重围，在市场上创出自己的，度越来越大，市场占有率越来越稳定。与此同时，一批民营、股份制企业，成为塔机行业的重要力量，如抚顺永茂、山东方圆、江苏正兴、浙江虎霸等。北京建工在沉寂了几年之后，2006年6月和抚顺永茂共同出资，组建了抚顺永茂控股的北京建工永茂机械制造有限公司，2007年生产各种型号塔机182台，是2006年产量的306%;实现工业产值1.8亿元，是2006年的412.6%;销售收入1.8亿元，是2006年销售额的500%。

山东、四川、江苏等地是我国塔机生产比较集中的地区。其中山东塔机的生产企业以生产中小型塔机为主，大，一度占市场销售总量的80%。但山东塔机的质量参差不齐，特别是一些小企业，技术落后。

与出口相比，近年我国塔机的进口量则少得多，外资企业成功进入国内的是，除波坦1988年在张家港投资建厂外，也曾有几家外资企业在国内资或合资生产塔机，但因价格、国情等因素，产量很少，有的已经撤资，有的还在支撑。2006年西班牙comansa公司与杭州杰牌建设机械有限公司合资成立杭州科曼萨杰牌建设机械有限公司，期2040万美元，已经投入生产，成效如何还有待观察。

塔机市场未来的前景是很广阔的，但也有一些限制的因素。一方面，随着国内大型基础设施建设不断上马，新农村建设的展开，大中小型塔机将长期看好，大中型企业的并存状况将长期存在。另一方面，由于技术法规的限制，内比较难以突破，没有国外的型号齐全，并且贴近市场，国内的型号比较集中，市场竞争压力大，不利于行业的发展，需要进行一系列的改革;产品质量参差不齐;市场准入限制不严格，管理和监督部门繁多，管理效果差。

3 plc在塔式起重机行业的应用概况

目前塔机行业中plc的应用比例还很低，整体塔机市场中，plc应用比例约5.5%。在地域上来看，山东塔机的自动化产品应用水平较低，plc应用比例在2%左右，变频器应用比例约在5%左右。自动化产品应用较多的主要是出口产品。

2008年塔机市场plc应用规模为2700万，应用比较多的为欧姆龙、西门子、ge、施耐德和三菱。其中应用多的为欧姆龙，市场份额高达43.1%，接近总市场的一半份额，其中在山东的塔机企业基本上全部使用欧姆龙的产品，三菱和西门子的产品也有相当的应用;ge的产品主要是在四川地区应用;中联重科主要应用三菱的plc。由于三菱plc的价格降低，现在有一些企业正在考虑试用或者换为三菱的plc。

山东塔机数量，但plc应用的比例很小，有些企业甚至出现应用比例的萎缩，从前几年的3%降低到3%以下。

应用比较高的有中联重科建筑起重机械分公司、哈尔滨东建机械制造有限公司、四川建设机械(集团)有限公司、沈阳三洋建筑机械有限公司。

大部分塔机都是中小型塔机，由于大部分中小型塔机的整体造价不高，如采用plc、变频器等自动化产品的话将**增加造价成本，所以造成目前塔机行业自动化产品应用比例非常低。所以自动化产品价格的降低对于电气产品的在塔机行业的应用推广有着**作用，自动化厂商可以根据塔机的特点开发出一些价格较低的塔机产品。

4 塔机行业plc应用趋势

自动化产品在塔机行业的应用已经得到认同，2008年塔机市场增长过50%，正常的经济状况下，中国塔机在未来5-10年内会保持30%的复合增长。年新增塔机3万余台，并且有快速增长的趋势。

市场的两个趋势有利于塔机市场的自动化产品市场规模扩大：

(1) 塔机的大型化趋势

现在塔机的自动化应用主要在中大型塔机，中国中大型塔机约占塔机总量的50%，50%的小型塔机的自动化程度低。塔机的大型化直接的导致塔机整体市场的自动化程度增强，如果按照塔机市场50%的中大型塔机全部应用plc和0变频器来计算，每年按照销售塔机3万台，一台塔机用三台变频器，平均用一台60kw变频器，一台1.5-5.5kw变频器，一台15kw变频器，至少3万元多，一台中型plc 1万元来计算，plc的市场潜力是1.5亿，再加上改造市场，潜力非常。

(2) 小型塔机市场开发潜力大

50%的小型塔机市场前景广阔，小型塔机应用的都是小型plc，对成本价格提高不多，但使用了plc会提高塔机整体性能。设小型塔机只在起升机构应用一台小型plc，也有1.5万余台的小型plc市场。

目前中国塔机市场阻碍因素众多，但有三点是重要的。一、技术标准限制了塔机设计。国外企业是按照客户需求设计多样化的产品，适应市场需求，灵活多变。但国内的诸多规定过于具体，让产品类型过于单一。其二、国内的应用技术人员相对缺乏，对技术要求较高的自动化塔机需要销售企业来完成培训，前期的市场培养还需要进一步加大力度。三、国内的塔机价格相对较低，一台大型塔机外销可以达300万，但内销只能到200万，为了控制成本，只有尽量降，导致自动化产品应用的比例不能快速提高。

根据《Control Design》杂志调查，2009年美国机械行业的PLC用户占三分之二，而PAC和制总共只占13%，嵌入式PLC仅占5%。在PLC技术发展及标准IEC6113-3研讨会上，PLCopen中国组织彭瑜表示，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

ARC研究表明，各行各业对自动化产品领域的资本将继续保持强劲势头。PLC中国市场预期以12.4%的年复合增长率(CAGR)增长，2011年将达到13亿美元。

嵌入式PLC目前并没有确切的定义。英国敏思咨询公司在其嵌入式PLC市场报告中将其定义为：把交流变频调速器或HMI或其他设备内嵌PLC的功能归类于嵌入式PLC。

同时，国内外很多人把采用SOC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并利用IEC61131-3的标准编程语言编程的，称之为嵌入式PLC。PLCopen中国组织采用的是二种概念。

嵌入式PLC呈多元发展趋势

PLCopen中国组织彭瑜说：“嵌入式PLC的发展呈现多元化，在国内外均有很好的表现。”

在国外，德国赫优讯将现场总线技术和PLC技术相结合，推出了一款特色的netPLC,使得传统的PLC与软PLC的功能合二为一。据悉，该产品具有软硬件功能，板上配有netX模块，标准配置Profibus-DP主站卡，PLC运行/停机开关、小型USB诊断端口、4个LED指示灯，78个开关量I/O和6个AD通道等。其编程环境基于3S公司的CoDeSys V3.3,配有OPC Server标准软件接口程序、运行程序库、现场总线组态工具软件，PCI总线设备驱动程序等。

Rabbit公司推出的具有的嵌入式PLC开发套件，以其3000系列单片机为硬件基础，配以基于IEC6113-3的IsaGRAF V3.5编程环境，并支持5种PLC编程语言。传统的PLC程序员将能享受使用Rabbit套件附带的ISaGRAF软件来开发新方案。所有功能都整合在一块面积为100毫米X100毫米的集成板上，并能将其便捷地镶嵌在标准的100毫米DIN rail tray上。

在国内，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。

杭州电子科技大学计算机学院以开发PLC与人机界结合的硬软一体化为目标平台，充分利用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OEM性质的PLC。

笔者认为，如今面对客户的需求在不断的变化，就需要PLC能够满足客户不断变化的需求。具有优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。在未来，传统工程机械PLC产品势必会被智能化的嵌入式PLC所取代。

    PLC除了用于开关量控制、定时、计数的基本指令外，还有大量的应用指令，有的plc的应用指令多达数百条。
      对于应用指令，初学者非常困惑，不知道哪些指令重要、哪些指令常用，应该怎样学习它们。这些指令可以分为下面几种类型：
      1．属于几乎所有计算机语言都有的指令，例如数据的传送、比较、移位、循环、数学运算、字逻辑运算、数据类型转换等指令。
      这类指令非常重要，它们与计算机的基础知识（例如数制、数据类型、寻址方式等）有关，应通过例子和实验了解这些指令的基本功能。学好一种型号的plc的这类指令，再学别的plc的同类指令就很容易了。
      2．与顺序控制程序有关的指令。这类指令中，fx的stl指令设计得，用stl指令设计的梯形图与顺序功能图之间有明确的对应关系，因此易于理解和使用，设计的程序比其他方法设计的短，可以节约大量的设计时间。
      s7-200的scr（顺序控制继电器）指令和欧姆龙的步指令（step/snxt）也用于编写顺序控制程序。
      建议在学习这类指令之前，学习顺序功能图（见作者编写的plc教材）。
      3．与plc的应用有关的指令，例如与pid控制、运动控制、高速输入/高速输出、通信有关的指令，这些指令也很重要。某些指令需要学习有关的专门知识，才能正确的理解和使用它们。
      4．与plc特定的硬件、软件有关的指令，例如读写特殊模块和模拟电位器的指令，s7-300/400读取数据块长度和编号的指令等。
      5．与某些特定的工程应用有关的指令。例如fx的凸轮顺控指令和旋转工作台控制指令。
      学习应用指令时，可以按指令的分类浏览所学的plc有哪些应用指令，它们用来干什么，便于在需要的时候能找到手册或帮助中的指令说明。初学时没有必要花大量的时间去了解应用指令的详细使用方法，没有必要记硬背它们。是了解指令的基本功能。
      可以采用需要什么学什么的方法，学习读程序、编程序时遇到的和需要使用的指令，没有用到的指令暂时不管它。在阅读或编写程序时如果遇到不常用的指令，可以通过编程手册了解它们的详细使用方法。
      如果编程软件有指令的在线帮助，选中指令列表或程序中的某条指令，按一下f1键，就可以看到该指令的大量细节，例如指令各参数的数据类型、可用的存储区、参数的意义，指令的功能和应用实例、指令的执行对状态字或有关标志位的影响等。
      与学外语不能只靠背单词，应主要通过阅读和会话来学习一样，要学好plc的应用指令，也离不开实践。一定要在读程序和编程序的过程中学习应用指令。
      有的指令实际上少使用，它们属于“休眠”的指令，学习的时候可以不管它们。万一在读程序时遇到它们，可以通过指令的在线帮助或查手册来了解它们。

1.1 系统结构及硬件配置

根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入(DI)采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。

1.2控制系统的功能实现

PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。

PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。

1.3 现场显示

现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。

1.4 工控机配置

工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据;运行监控;故障记录和排除提示;参数设置;生产数据管理和处理;图形化示教和离线编程。

2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：

1)灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：

系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作;

2)报警功能：

当压力过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警;

3)简单、方便的参数设定：

压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。

2.1 系统控制功能

(1)过程控制的功能：

1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制;

2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理;

3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。

(2)逻辑控制

联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。

(3)人机接口

HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。

(4)报表打印

以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。

3 软件设计

根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：

(1) 数据采集及工程量转换

(2) PID算法

(3) 温压补偿计算以及流量的累积计算

对于系统中的逻辑控制选用梯形图(LADDER)编程，直观、方便;对于PID回路控制温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表(STL)编程，结构紧凑而又灵活。

PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一介绍。

3.1 PID算法

STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID(FB41)和离散型PID(FB42)，根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数(比例系数、积分时间)输入等功能。

PID算法的输出实际上是比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分作用之和：

Mn=MPn+MIn+MDn

MPn = GAIN(SPn- PVn)

MPn = GAIN  TS/ TI(SPn-PVn)+ MX

MDn = GAIN  TD/ TS(PVn-1-PVn)

Mn：n次采样时刻的输出值。

MPn：n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。

MIn：n次采样时刻的积分作用，可以静差，提高控制品质。

MDn：n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制调。SPn：n次采样时刻的设定值。

PVn：n次采样时刻的过程值。

MX：n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。

GAIN：回路增益，P参数。

TI：积分时间常数，即I参数。

TI：微分时间常数，即D参数。

TS：采样时间。

从上面的公式中可以看出，参数P(GAIN)与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢;I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，的衡量标准就是被控参数(压力)的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到的控制效果。

4 采用该系统的意义

(1)计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除;

(2)该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。

5 结束语

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PL**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 PL**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。