西门子6ES7214-2AS23-0XB8速发

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嵌入式PLC芯片组  系统软件  内核    
如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足加细分化的市场需求，为了满足这种需求，出现了嵌入式PLC产品。
一、嵌入式PLC 
嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组
1、嵌入式PLC系统软件
嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。
该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载浏览器后,即可实现远程监控。
系统软件包括三个部分。
①嵌入式PLC内核：　它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；
②二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；
③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序 
2、嵌入式PLC芯片组
EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和PLC。
1）芯片组基本性能：
① 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
② CPU： C8051F040。
③ 嵌入扩展能力
●32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
●4 AD： 12位精度，100 KPS。
●2 DA： 12位精度，100 KPS。
④ 通信接口
●CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
●UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
●UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持三方设备互连。
2）芯片组原理框图：

二、应用开发
基于加载了系统软件的芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。
1、硬件设计
硬件整体结构图如下：

AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。

（1）信号采集电路
用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV/℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

（2）信号选择电路
选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即个AD转换通道。

2、软件开发
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。
内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。
（1）程序规划
T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序
USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。
AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。
PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。
（2）程序代码
INIT_AD: ;AD初始化
 MOV  SFRPAGE,  #ADC0_PAGE
 MOV  REF0CN,  #07H ;内部参考电压/输出到VERF
         ;启动内部温度传感器
 MOV  AMX0CF,  #00H ;单性输入
 MOV  ADC0CF,  #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1
         ;采样转换时钟=1US
         ;D2--D0=GAIN
         ;000 GAIN=1
 MOV  ADC0CN,  #90H ;启动AD采样
 MOV  AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
MOV  AD_COUNT,  #00H ;16次采样次数计数。初值为0 
RET

SAMPLE_AD:         ;AD采样开始
MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页     
MOV  A,  AD_CHANNEL  ;采样值的累加和是一个字基地址         ;为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL
   RL  A
  
   MOV  DPTR,  #XAI  ;XAI存放16次采样值的累加和
   ADD  A,   DPL   ;低字节相加
   MOV  DPL,  A
   MOVX A,   @DPTR
   MOV  B,   A
   MOV  A,   ADC0L
   CLR  C
   ADDC A,   B
   MOVX @DPTR,  A

   INC  DPTR     ;高字节相加
   MOVX A,   @DPTR
   MOV  B,   A
   MOV  A,   ADC0H
   ANL  A,   #0FH
   ADDC A,   B
   MOVX @DPTR,  A   ;#XAI中存放格式为低字节、高字节

   MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
   MOV  ADC0CN, #090H  ;启动下次AD采样 
   
   INC  AD_COUNT
   MOV  A,   AD_COUNT
   CLR  C
   SUBB A,   #16  
  JNC  FILL_XAI_XAD   ;当16次采样完成后,把XAI中16          ;个采样和（2字节）存放到XAD
RET
3、驱动程序的嵌入
在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。
三、功能介绍
基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：1、采集工业现场的多路热电偶信号，2、支持三菱、台达等多家人机界面， 3、支持梯形图编程（86条指令）， 4、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。
嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。
下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。

现地站井LC软件程序主要是与下位（各个单井）的通讯处理程序、与上位的通讯处理程序、井群泵启停本地集中控制程序、井群泵启停本地远程控制程序。
2.2二泵房控制系统
二泵房系统负责直接向城市供水，二泵房内PLC采用西门子S7-314可编程控制器，通过Profibus现场总线与上位机相连，它是泵房内控制柜的，接收上位机的控制信号控制变频调速，实现对电机启动、停止、复位等信号的逻辑控制；对压力、流量、水位、电流、转速等信号的采集和数值转换并回传到上位机，接收上位机的阀门开度控制信号实现供水优化；对电机等设备的过流、过压保护等等。
2.3上位控制站
作为现场所有单井的集中控制，担负着现场所有单井液位、压力、电压、电流及各井泵运行状态等信息的集中存储、管理，同时，作为集中控制，担负着现场所有单井泵的远程启停集中控制。另外，上位控制站PLC还担负着与总控室监控的实时数据交换。上位控制站PLC一方面根据水厂蓄水池液位进行远程自动启停井泵，根据总控室监控控制命令进行现场泵的启停。另一方面采用循环轮巡的方式，实时采集单井各现场数据。控制站PLC与下位井LC通过无线数传电台方式进行通讯。程序主要完成压力检测，供水泵的软启停及频率检测控制等功能。
2.4总控室总控系统
所有水源地单井泵的启停供水以及水厂输水泵的变频恒压输水均由总控室控制系统来控制，实现整个系统的合理调度、管理及监控。总控室控制单元选用带PROFIBUS-DP网卡（CP5611）接口的工控机WINCC为总主站，通过Profibus现场总线与二泵房的S7-314和井群的S7-314相连，通过二泵房的S7-314在每一个信息周期内收集变频器状态、阀门状态、压力、流量、水位等信息并且控制阀门，以配合控制各水泵的启停及转速，达到优化的目的。形成多级远程分布式控制系统。总控室控制系统主要实现功能为：实时数据采集、数据分析及处理、控制调节功能、画面显示、远程通信、人机对话、验。监视画面包含有水源地所有泵站的运行情况、供水流程等，一屏显示一个画面，而且系统的各数据信息能在相应的动态画面上实时显示。每个画面都有画面切换控制按钮，可以方便的实现画面切换和各种操作。
整个系统对于各个控制系统单元的水压力、阀门开度、泵频率等多个基本控制回路采用PID控制，并在上位机使用模糊控制等智能调度算法，保证城市供水的稳定和。各主从站之间均通过标准的PROFIBUS-DP总线进行通讯，形成了多级远程分布式控制系统，保证了通讯的质量。
3 结束语
本文综合智能控制、计算机、网络信息和现场总线技术，根据供水网络的现状，通过对控制策略和现场总线技术的详细分析，设计并建立了远程区域网络智能监控调度系统。
本系统于2004年7月投入运行，目前，系统运行稳定，稳定了水压，减少了供水管网的维修次数。长时间使用后，据反馈自动调节的效果与一个有经验的工程技术人员调节尺度基本相符，结合操作人员的实际经验，自动控制了显著成效。

1、 引言 
FA 506型环锭细纱机是目前国内纺织机械厂大量生产的一种细纱机，通常采用PLC控制，自动化程度高，操作简单，成纱质量好，便于管理。该型机适于纯棉或化纤的纯纺和混纺细纱工序，能够纺织织造、针织等所用的细纱。 
某纺织机械厂生产的的FA506型细纱机原来采用某国外的PLC进行控制，成本高，并且返修率也较高。在详细了解了KDN-K3系列PLC的情况之后，该厂决定将PLC换型，在产品中全部采用KDN-K3系列PLC，并于12月初在北京凯迪恩公司技术人员的指导下成功地完成了调试。 
 
2、 系统简介 
每套PLC的控制点数为DI 20点、DO 11点，并配置一个文本显示屏作为人机界面，所有需要的生产参数均可以通过文本屏进行设置并能够在PLC中掉电保持。PLC与文本显示屏之间采用Modbus RTU协议进行通讯。 
PLC控制系统配置如下： 
型 号 数 量 描述 
KDN-K306-24AR 1 CPU206，AC85-265V供电，14*DI，10*继电器输出 
KDN-K323-08DTX 1 DIO*8，每点均可作为DI或者DO点 
TD220 1 4行文本显示屏 
 
PLC控制系统的基本作用如下： 
2.1 联锁控制、保护 
按照细纱机的工艺要求实现自动控制，包括低速运行、高速运行、吹吸风、落纱等过程。落纱分为自动落纱和中途落纱两种方式。中途落纱是为了方便操作工中途休息、吃饭等而设置的，是一项 “暂停工作”的功能；自动落纱分为定长落纱和定时落纱，定长落纱就是当纺纱长度达到预设值的时候自动进行落纱，定时落纱就是当纺纱的时间达到预设值的时候自动进行落纱。自动落纱的方式以及落纱时间或者长度均可以在文本显示器上进行设置并能够在PLC中掉电保持。 
 另外，根据实际情况在程序中增加了各个过程、设备之间的联锁保护功能，使生产过程加。 
2.2 工艺参数计算 
在生产过程中对各种工艺参数自动进行计算，包括锭子转速、牵伸倍数、细纱号数、细纱捻度、千锭小时产量等。计算得到的参数都实时送往文本屏进行显示，以便于对生产情况进行监控。 
2.3 生产管理 
为了适应厂家采用轮班生产的方式，在PLC内预设了甲、乙、丙、丁四个班组。操作工在生产之前通过文本屏登录并选定自己的班组。各个班组的累计产量以及所有班组的累计总产量均由PLC自动进行实时计算并送往文本屏显示。 
所有的产量数值均在PLC中实现了掉电保持。 
 
3、 总结 
KDN-K3系列PLC此次在纺织机械中的大批量应用既源于用户对其性能指标、性等的认可，重要的是它能够为用户带来的利润。 
此次配置的K306-24AR型CPU采用交流供电，电压范围宽达AC85V—AC265V，能够适应于供电电压波动严重的地区；CPU本身提供了DC24V电源输出，文本显示屏、扩展模块以及所有的DI信号均用此电源供电，用户再配置DC24V的电源；此次使用的K323-08DTX模块是凯迪恩公司推出的一种有特色的DIO模块，模块上每一个点均可以作为DI或者DO点，这样此次用户在选型配置时就节约了一个DO扩展模块。 

   我国新研制的FA481型、FA425型粗纱机，以现代变频调速技术、可编程序控制器(PLC)及电子粗纱张力检测调节系统，取代了锥轮变速机构、张力微调装置及成形机构，大大简化了粗纱机的结构，代表着我国现代悬锭粗纱机的水平，使粗纱机的工艺调整与维护保养工作强度大大降低，粗纱机基本实现了自动化。的CCD传感器，可以随机自动检测粗纱张力状态，对不同的纺纱品种均能使粗纱张力始终保持值，为提高粗纱质量创造了良好条件。
1 锥轮变速机构粗纱机张力控制的缺陷
设粗纱前罗拉钳口输出须条速度为v，粗纱卷绕直径为Dx，锭子的转速为n0，筒管转速为nx，则有：
nx=n0 + v/2πDx
一般认为，粗纱卷绕从里层到外层其层厚按等差级数递增，在锥轮皮带每次等间距移动的情况下将粗纱机的锥轮外形曲线设计成双曲线。由于工艺设计不尽合理、原料不稳定等情况，导致纺纱张力不稳定，一落纱粗纱伸长率及其差异、台间粗纱伸长率差异都较大。虽然采用了粗纱纺纱张力预置式微调补偿装置，使粗纱锥轮皮带由等间距移动改为根据纺纱的情况变间距移动，在一定程度上降低了粗纱伸长率及其差异与断头率，提高了成纱条干。但当喂入原料等因素发生波动时，仍然会出现粗纱纺纱张力不稳定、粗纱伸长率及其差异发生波动。此外，粗纱纺纱张力始纺调整与日常调整技术难度大，工作量也大，对产品翻改影响较大。
2　粗纱张力自动检测调节系统工作原理
2.1　粗纱纺纱张力控制系统
粗纱张力的大小及其稳定性取决于前罗拉钳口的出条速度、筒管转速、锭子转速、龙筋升降速度之间的关系。通过粗纱纺纱张力检测传感器的在线检测，并将其信息传递到单片机，PLC控制系统就可实现预定的纺纱张力要求。粗纱纺纱张力检测，采用的CCD线性位移图像传感器--电子眼，其在线测量精度达0.1㎜。粗纱纺纱张力检测装置通过对瞬间某特定位置粗纱位置状态的检测，来判断粗纱张力的合适与否。检测纺纱段相纱位置
↓
 与设定纺纱段粗纱位置比较→合适→← 纺纱段粗纱位置改变
↓　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ↑
不合适　　　　　　　　　　　　 　　　　筒管转速改变
↓　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　↑
单片机、可编程PLC改变变速电机的电源频率→变速电机变速
图1 粗纱纺纱张力检测调节系统的工作原理
2.2 粗纱纺纱段位置与纺纱段张力之间的关系
2.2.1 托锭粗纱机纺纱时的情况
一般认为，托锭粗纱机纺纱时，其纺纱张力情况就纺纱正常与否，可划分为三种情况： 
种情况，纺纱段粗纱挺直，并伴随剧烈抖动，即粗纱纺纱张力过大，如图2中的A。由于锭子锭翼单侧受力，使旋转的锭子出现不平衡状态，加上锭子锭翼动平衡状态、锭子与筒管运动的同轴性，致使锭子摆动，纺纱段粗纱拉直而剧烈振荡，同时，粗纱加捻三角区长度波动，这样，不利于粗纱伸长率的稳定，使粗纱伸长率波动较大。 

二种情况，纺纱段粗纱严重松弛，张力小且不稳定，加捻三角区长且不稳定，甚至出现"麻花状"。由于加捻三角区增大，其中的纤维彼此间松散，联系作用减弱，不利于粗纱捻回传递到加捻三角区，也导致粗纱伸长率过大且不稳定，如图2中的B。
三种情况，纺纱段粗纱紧而不拉直、不出现振荡，坠而能使加捻三角区获得捻回，且稳定，如图2中的C。这样就能使粗纱纺纱段张力稳定，粗纱伸长率比较稳定及其波动小。
2.2.2 悬锭粗纱机纺纱时的情况
由于悬锭粗纱机锭子、上下位置固定不变，在粗纱纺纱段张力过大时，不可能出现如托锭粗纱机纺纱时的纺纱段粗纱剧烈抖动现象。而悬锭粗纱机纺纱段粗纱出现剧烈抖动，其原因应该为锭子上端捻器上端面旋转时不在同一水平面内，导致粗纱与捻器的接触点位置变动，使纺纱段粗纱剧烈抖动，属于捻器安装质量问题。因此，纺纱段粗纱张力大与比较合适与否，是很难从纺纱段粗纱在检测区域的位置状态来区别，当然，其粗纱伸长率是不一样的，但其伸长率差异从理论上讲没有较大区别，应该都比较稳定；而纺纱张力小时出现的情况与上述相同。利用这个原理，运用CCD位移式传感器在线检测粗纱的位置，并与控制位置比较，作出是否调整筒管转速的判断，这样可以保证纺纱段粗纱在要求的位置区域，实现了纺纱张力以及粗纱伸长率的稳定。从理论上讲，纺纱张力太大与比较合适是很难作出区别，但对于纺纱张力过小时，应该能够作出反应。
3 影响粗纱纺纱张力的因素
3.1 CCD位移式粗纱张力检测装置的配置数量
由于CCD位移式粗纱张力检测装置配置数量有限，以致在线检测的数据代表性差。设CCD检测的平均粗纱张力为x，整台粗纱机锭子的平均粗纱张力为y，当(y-x)的越接近于0，则CCD位移式粗纱张力检测装置反映整台粗纱机的纺纱情况越真实，粗纱张力控制越有效；当(y-x)的很大，则CCD位移式粗纱张力检测装置反映整台粗纱机纺纱情况的误差就很大，即x不能代表y，这样就必然出现粗纱机纺纱张力系统对粗纱张力进行不合实际的调节，有可能使整台粗纱机大部分锭子的粗纱张力失去控制。因此，CCD的数量对粗纱张力在线检测为重要。要实现比较有效的粗纱张力控制，就配置相当数量的CCD位移式粗纱张力检测装置，否则仍有很大的局限性。
3.2 喂入熟条的重量不匀率
喂入熟条重量不匀率的大小或者喂入熟条的定量变异系数决定着CCD位移式粗纱张力检测装置采集数据的有效性。若熟条重量不匀或者定量变异系数较小，则粗纱须条定量差异小，加捻卷绕过程中，粗纱张力可通过卷绕张力自调能力、变卷绕量自调能力，能顺利地实现锭间纺纱张力差异的减小.若熟条重量不匀或者定量变异系数过大，则有可能出现(y-x)的过大，而使整台车粗纱纺纱张力控制失控，所以，要有效发挥新一代粗纱机的优越性能，关键还在于严格控制熟条的重量不匀。此外，重量偏差大小不会影响张力装置采样的有效性。
3.3 熟条长片段严重不匀
熟条的长片段严重不匀，会使粗纱张力出现时紧时松，由于长片段不匀具有随机性，使得整台粗纱机的张力控制随检测锭位的粗纱变粗时而松弛，随检测锭位的粗纱变细时而收紧，同时使粗纱每层卷绕直径不稳定，有可能使粗纱断头、粗纱卷装结构恶化。要保证控制纺纱张力稳定顺利实施，就提高成卷的正卷率及棉卷的纵向均匀性，较高的正卷率及棉卷的纵向均匀性好，就有可能实现较低的生条重量不匀率、熟条重量不匀率及长片段不匀CV值，同时，要严格控制梳棉机落物率台差。此外，采用清梳联，同时配置自调匀整装置，使生条重量不匀率、长片段CV值较小。
3.4 捻器安装状态对粗纱张力及其伸长率稳定的影响
捻器的安装状态对粗纱张力及其伸长率稳定与否为重要。如果锭子上端捻器上端面旋转时不在同一水平面内，导致粗纱与捻器的接触点位置变动，使纺纱段粗纱剧烈抖动，这对粗纱伸长率及其差异的控制为不利，特别是高速时尤要注意。因此，要加强粗纱机的日常维护，使捻器的安装状态有比较好的水平。
3.5 粗纱锭翼压掌叶上绕圈数对粗纱张力与伸长率及其差异的影响 
一般认为，粗纱在锭翼压掌叶柄上的绕圈数多，则粗纱在锭翼压掌叶柄上的摩擦阻力就大，导致粗纱卷绕段的卷绕张力增大，卷装卷绕直径就相对减小，同时考虑粗纱在卷绕段的伸长，使粗纱进入锭翼压掌叶柄到卷绕区域的速度放慢，终使纺纱段粗纱张力相对减小。相反，粗纱在锭翼压掌叶柄上的绕圈数少，则纺纱段张力就相对大些，此外，粗纱纺纱张力具有自动调节能力，当纺纱段张力变大时，可以通过提高粗纱的伸长率及减小卷绕直径，使粗纱的纺纱张力不至于突变增大很大。同样，当纺纱段张力变小时，可以通过降低粗纱的伸长率及增大卷绕直径，使粗纱的纺纱张力不至于突变降低很大，以保证粗纱纺纱张力变化平缓。因此，为保证粗纱张力检测系统对粗纱纺纱张力与伸长率控制比较有效，在试纺时仍要通过观察调整好整台车的粗纱张力，使其在比较合适的水平，确保粗纱张力检测系统在比较有效的状态下工作，使粗纱纺纱张力、粗纱伸长率及其差异控制在比较良好的范围内。 
4　结论
(1)要使粗纱张力保持比较稳定，配备足够数量的粗纱张力检测装置，以使粗纱机纺纱张力检测装置的采样信号具有代表性。否则，(y-x)的很大，则CCD位移式粗纱张力检测装置反映整台粗纱机的纺纱情况误差就很大，即x不能代表y，这样就必然出现粗纱机粗纱张力系统对粗纱张力进行不合实际的调节，有可能使整台粗纱机大部分锭子的粗纱张力失去控制。
(2)要使粗纱张力控制系统发挥应有的作用，使喂入粗纱机熟条的重量不匀率严格控制在一定的范围内，否则，有可能使整台粗纱机大部分锭子的粗纱张力失去控制。
(3)粗纱的条干CV值要小，这样对粗纱卷绕及控制粗纱伸长率差异大小为有利。因此，纺纱工艺流程中尽可能在梳棉机上或并条机上配备自调匀整装置。
(4)保证捻器的安装状态良好是控制粗纱伸长率差异大小的基础。
(5)为保证粗纱张力检测系统对粗纱纺纱张力与伸长率控制比较有效，在试纺时，仍要通过观察调整好整台车的粗纱张力，确保粗纱张力检测系统在比较有效的状态下工作，使粗纱纺纱张力、粗纱仲长率及其差异控制在比较良好的范围内。