西门子6ES7223-1BF22-0XA8全年质保

西门子6ES7223-1BF22-0XA8全年质保

1、功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
3、性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为的工业控制设备之一。
4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
5、编程方法简单
梯形图是使用得多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6、维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二管或编程器提供的住处的查明故障的原因，用换模块的方法可以地排除故障。
7、体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。学得辛苦，做得舒服。

 PLC的控制方式属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，这就实现了控制的软件化。可编程控制器的优点在于"可"字，从软件来讲，其控制程序可编辑、可修改；从硬件上讲，其外部设备配置可变。构建一个PLC控制系统的就在于控制程序的编制，但外部设备的选用也将对程序的编制产生影响。因此在进行程序设计时应结合实际需要，硬、软件综合考虑。本文就硬、软两方面，选取梯形图为编程语言，以松下电工FPO-C32型PLC为例，对PLC使用过程中易出现的几个问题及解决方法进行了分析。
     一、外部输入设备的选用与PLC输入继电器的使用

     1. 外部输入信号的采
集     PLC的外部设备主要是指控制系统中的输入输出设备，其中输人设备是对系统发出各种控制信号的主令电器，在编写控制程序时注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点，并以此为基础进行程序编制。否则易出现控制错误。
    在PLC内部存储器中有于输入状态存储的输入继电器区，各输入设备（开关、按钮、行程开关或传感器信号）的状态经由输入接口电路存储在该区域内，每个输入继电器可存储一个输入设备状态。PLC中使用的"继电器"并非实体继电器，而是"软继电器"，可提供无数个常开、常闭触点用于编程。每个"软继电器"仅对应PLC存储单元中的一位（bit），该位状态为"1"，表示该"软继电器线圈"通电，则程序中所有该继电器的触点都动作。输入继电器作为PLC接收外部主令信号的器件，通过接线与外部输入设备相联系，其"线圈"状态只能由外部输入信号驱动。     输入设备选用的是按钮SB0的常闭触点，输入继电器X0的线圈状态取决于SB0的状态。该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作，即常开触点接通，常闭触点断开；若按下该按钮，则输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均恢复常态。如果输入继电器连接的输入设备是按钮SB0的常开触点，则情况恰好相反：在该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均不动作；若按下该按钮，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作。
    2. 停车按钮使用常闭型     由于PLC在运行程序判别触点通断状态时，只取决于其内存中输入继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，因此编程时，外部设备的选用与程序中的触点类型密切相关。这是一个在对照电气控制原理图进行PLC编程时易出现的问题。典型的例子是基本控制--"起保停控制"中的停车控制。     为"起保停控制"电气原理图，在该系统中，按钮SB0用于停车控制，因此使用其常闭触点串联于控制线路。SBl为起动按钮，使用其常开触点。若使用相同的设备（即停车SB0用常闭触点，起动SBl用常开触点），利用PLC进行该控制，则需编程梯形图程序
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0     该梯形图中停车信号X0使用的是常开触点串联在控制线路中，这是因为外部停车设备选取按钮常闭触点所致，不操作该按钮，则输出Y0正常接通，若按下该按钮，输出Y0断电。
    3. 停车按钮使用常开型     若希望编制出符合我们平时阅读习惯的梯形图程序，则在选用外部停车设备时需使用按钮SB0的常开触点与X0相连。
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0     图3、4梯形图完成相同的控制功能，程序中停车信号X0使用的触点类型却不相同，其原因就是连接在输入继电器X0上的外部停车按钮触点类型选用不同。图4所示梯形图程序加符合我们的阅读习惯，也易分析其逻辑控制功能，因此在PLC构成控制系统中，外部开关、按钮无论用于起动还是停车，一般都选用常开型，这是一个在使用PLC时需要格外注意的问题。
     二、PLC的"串行"运行方式与控制程序的编制

     PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制系统是按"并行"方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以"串行"方式工作的，PLC在循环执行程序时，是按照语句的书写顺序自上而下进行逻辑运算，而逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。因此梯形图编程时，各语句的位置也会对控制功能产生关键影响。例如：       程序1调试结果：X0接通3次，Y3接通，X0再接通1次，Y3断开。       程序2程序调试结果．X0接通3次，Y3接通瞬间即断开。     上面两个程序中，输出Y3、计数器CTl02及内部通用继电器R0的逻辑条件均相同，仅仅是计数器CTl02所在语句位置发生了变化，而两段程序的运行结果就截然不同。这是因为CTl02对输出Y3的影响方式发生了变化。执行段程序时，将判断输出Y3的状态，再判断CTl02的状态，CTl02的状态变化只能在下一个扫描周期对Y3产生影响；而执行二段程序时，将判断CTl02的状态，再判断输出Y3的状态，CTl02的状态变化将在该扫描周期直接影响Y3的状态。从以上讨论可以得出，由于PLC采用"串行"工作方式，所以即使是同件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，因此在利用梯形图进行控制程序编制时，应对控制任务进行充分分析，合理安排各编程元件的位置，才能够为准确地实现控制。
     三、PLC的编程元件
     PLC的各种功能主要是通过运行控制程序来实现。编制程序时，需要合理使用PLC提供的编程元件（即软元件）。FPO型PLC中常用的编程元件有两种：位元件（bit）和字元件（word）。位元件实际上是PLC内存区域所提供的一个二进制位单元，又被称为软继电器，主要用作基本顺序指令的编程元件，如输入继电器Xn、输出继电器Yn、内部通用继电器Rn、定时（计数）器等，其参与控制的方式主要是通过对应触点的通断状态改变影响逻辑运算即输出。     字元件则为PLC内存区域内的一个字单元（16bit），主要用作功能指令和指令的编程元件，通常用以存放数据，如数据寄存器DTn，定时(计数)器的设定值SVn、经过值EVn等。

通过将可编程序控制器应用于发动机起动程序控制系统中,可以大地改善控制系统的性能,不仅使系统的控制精度提高、抗干扰能力增强,而且使系统还具有体积小、重量轻、耗电省、通用性强等优点。

本文介绍了通过OPC技术实现上位机IFIX组态软件和下位机西门子S7-200系列PLC的通信原理及过程。

1  引言
随着工业生产的不断发展,工业控制软件了长足的进步。然而,由于生产规模的扩大和过程复杂程度的提高,工业控制软件设计面临着的挑战,那就是要集成数量和种类不断增多的现场信息。传统的方式是通过开发设备专有驱动程序来实现对数据的访问。这就带来诸多问题,如耗费大量重复性的劳动,不同设备供应商的驱动程序之间的不一致,硬件性能不能得到广泛支持,驱动程序不能适应升级后的硬件以及发生存取冲突等。解决上述问题的关键在于一个统一的接口标准。正是基于这种需要产生了OPC标准。
iFIX是基于bbbbbbsNT/ 2000平台和多种工业标准之上的功能强大的组态软件,有大的易用性和可扩展性,方便系统集成,广泛应用于工业现场。iFIX集成了COM/DCOM、OPC等的现代软件技术。
S7-200系列小型可编程序控制器PLC适用于各行各业中小机器设备的控制,适合各种场合中的检测、监测及控制的自动化,具有高的性能价格比,用途广泛。PC ACCESS是西门子推出的于S7-200 PLC的OPC Server(服务器)软件,它向OPC客户端提供数据信息,可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。 

2  OPC技术概述
2.1  OPC定义
OPC(OLE  for Process Control)是一套以微软COM,  DOOM (Distributed COM)技术为基础,基于bbbbbbs操作平台,为工业应用程序之间提供的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准。OPC实际上是提供了一种规范,通过这种规范,系统能够以服务器/客户端标准方式从服务器数据并将其传递给任何客户应用程序。这样,只要生产商开发一套遵循OPC规范的服务器与数据进行通信,其他任何客户应用程序便能通过服务器访问设备。

2.2  OPC基本结构
OPC技术的实现由两部分组成,OPC服务器部分  及OPC客户应用部分。其应用模式如图1所示。OPC服务器是一个典型的现场数据源程序,它收集现场设备数据信息,通过标准的OPC接口传送给OPC客户端应用。OPC客户应用是一个典型的数据接收程序,如人机界面软件(HMI)、数据与处理软件(SA)等。OPC客户应用通过OPC标准接口与OPC服务器通信,OPC服务器的各种信息。符合OPC标准的客户应用可以访问来自任何生产厂商的OPC服务器程序。

图1  OPC技术的应用模式
2.3  OPC对象
OPC数据存取规范规定的基本对象有:服务器(server)、组(group)和数据项(item) 。服务器对象包含服务器的所有信息,也是组对象的容器,一个服务器对应于一个OPC server,即一种设备的驱动程序。组对象除了包含它自身信息外,还负责管理数据项。每一个数据项代表到数据源的一个连接,但它没有提供外部接口,客户端程序无法对数据项直接进行操作,应用程序依靠数据项的容器组对象来对它进行操作。
3  IFIX与S7-200PLC的通信原理
实现IFIX与PLC的通信的过程即OPC服务器收集现场设备PLC的数据信息,并通过标准的OPC接口传送给OPC客户端IFIX应用。IFIX作为OPC客户应用是一个典型的数据接收程序,OPC客户应用通过OPC标准接口(OPC I/O驱动)与OPC服务器通信,OPC服务器的各种信息。
软件需求为S7-200 PC ACCESS V1.0 SP2、组态软件IFIX、OPC I/O驱动、编程软件STEP 7 MicroWIN V4.0 SP4(或者软件的高版本)。IFIX的OPC客户端工具OPC PowerTool需要在IFIX安装完成后另行安装。
具体过程为PC ACCESS作为OPC服务器根据设计要求采集S7-200PLC内的数据信息;IFIX的OPC客户端工具OPC PowerTool根据设计要求采集PC ACCESS内的数据,IFIX数据库PDB读取OPC OPC PowerTool采集上来的数据,IFIX完成了与S7-200PLC的通讯。系统结构见图2。

图2　系统结构
4  IFIX与S7-200PLC的通信实现

具体通讯实现分两步:

                                               图3  PC ACCESS设置
4.1  OPC服务器PC ACCESS和S7-200通信的实现
在PC ACCESS中引入所需要的PLC地址并进行命名。可以通过文件->输入符号导入整个STEP 7 MicroWIN V4.0中设计的符号表,也可以通过添加新PLC、添加新项目逐条添加。在单添加新项目时符号名可以单定义,但为方便使用尽量与PLC中定义符号
一致。可以设置数据的可读写性。设置地址及相匹配的数据类型。图3。所需要的数据添加完毕后可以通过在客户机中增加项目来检测数据通讯是否正常,若正常测试客户机中数据会根据PLC中程序运行进行自动刷新。

4.2  IFIX与OPC服务器的数据交换实现
4.2.1  OPC PowerTool
启动客户端OPC PowerTool,添加服务器(server)、组(group)和数据项(item)。为方便使用,服务器、组和数据项名称尽量简单。添加服务器时选择S7200.OPCServer类型服务器。添加数据项时,选择Browse Server按钮,即出现在PC ACCESS中所设计的各符号,选择需要的逐条添加为各数据项,实现IFIX的OPC客户端工具OPC PowerTool对PC ACCESS的数据通讯。如图4。
服务器、组、项目的Enable选择,否则不起作用,数据不采集。

                                                                  图4  IFIX客户端设置
4.2.2  IFIX数据库PDB
通过OPC PowerTool完成数据采集后,IFIX即可应用所采集的数据。在IFIX数据库管理器中设置各数据,选择合适的数据类型,O/I配置使用OPC Client v7.30。I/O地址配置格式为:服务器名(PowerTool命名):组名:项目符号,以图5为例:Ser:Gp:Grenlamp.USER1.ew_green

                            图5  PDB数据库设置
5  结束语
本文介绍了采用OPC方式作为三方协议实现组态软件与现场设备PLC之间的通信原理及实现方法。不仅IFIX,其它如WINCC、IUCH等组态软件,都可以通过OPC技术与PLC实现通讯。工厂中主体设备中使用组态软件较为广泛,S7-200小型PLC作为单体设备灵活而分散,利用OPC技术可以很好的将两者集中融合,便于单体设备的监控,具有较高的实用。经试验,基于OPC技术的组态软件与PLC通信正常,运行良好。

数控加工过程出现撞事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，容易导致撞事故发生。撞事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，可怕的是可能造成人身伤害。因此，怎样防止撞事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员考虑的问题之一。
 
1 撞信号的检测
所谓数控机床撞，指的是由于各种错误而导致以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞事故的发生，可以考虑使用接近开关对与工件的位置关系进行判断，并此时车的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到与工件距离在警戒范围内，且快速移动朝向工件时，就认为要发生撞事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。

1.1 用接近开关对与工件的位置关系进行判断
由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。
接近开关电路原理图
图1接近开关电路原理图

1.2 用HC对车运动方向信号及速度信号进行
检测车运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。
而速度信号的，是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。

 2 防撞系统控制方案
控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。
PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100 bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。
图2 PLC控制流程图 
图2 PLC控制流程图

PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车向工件方向运动，此时执行SPD指令，车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车速度为快速移动，数控车床处于要撞状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。
 
PLC编程梯形图
图3 PLC编程梯形图

若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。
Y1接通后进一步使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1 s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。

程序设计的一些说明。
1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，架快速移动的速度设置为3 000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不过PLC的X4、X5端口的频率上限7 kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率过PLC的X4、X5端口的频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或移动速度是否为“快速”的判断。
2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01 mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7 Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5 ms的时基内可检测的脉冲个数多只有2个。考虑留有一定的裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。
X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。
程序在系统控制试验中运行正确。
 
接近开关警戒距离的设计
当控制系统判别要出现撞事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。
系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出进一步的分析。
3.1.2 功放电路中锁相延时td2
在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。因此功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：
公式 
式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310 V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。
3.2 步进电机制动距离分析
步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三相反应式步进电机为例分析其制动问题。
对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为

式中：L为相绕组的自感，i为通入绕组中的电流。
制动过程刚好与启动过程相反，因此，从理论上说可以参照启动的分析去处理，即若步进电机处于单相锁相制动时，转子每转过一个齿角，即就会消耗“转子”(包括电机转子及其连接部件，下同)W的能量。根据能量守恒原理，分析步进电机的制动距离，可以考虑从脉冲指令被截止后“转子”的能量需要转过几个齿角才能被消耗完来求得。
根据能量守恒原理可得：
公式 
3.3 车总制动距离的计算
若考虑控制系统的响应延时，则车总的制动距离A为：
公式 
根据式(6)，以GSK928TA数控车Z轴为例，步进电机型号110BC3100C。
转子齿数Z为100，定子每相绕组电感L为18mH，锁相电流i=8 A，丝杆螺距S-6 mm。工作台重量Mg为140 kg，电机转子及执行机构的转动惯量td=1.73×10-4kg·m2。根据3.1控制方案响应延时分析，系统控制方案响应延时幻约为32.5 ms(继电器输出)，若车速度Vf=2 000 mm／min时，车总制动距离A=3.7 mm。
上述对于步进电机在出现撞事故时总制动距离的分析，对于接近开关警戒距离的设计可起到理论指导作用。
 
4 结语
防撞控制系统的设计主要应用于新程序或数控技术人员的培训中，改装方便，只需在安装车时套人接近开关线圈即可。实践中可灵活使用，当确认机床操作无危险时，只须关断PLC电源，防撞系统停止工作，不会对机床的正常使用有任何影响。
若从经济角度考虑，还可以使用一台PLC同时控制若干台车床的防撞系统，当然这样会导致控制系统响应时间加长.另外，由于步进电机有在高频下刹车丢步的特性，在实际应用中应加以注意，即每次出现撞状态而导致程序运行中断时，应通过车床复位键复位，并重新设定程序零点。