西门子6ES7214-1AD23-0XB8诚信合作

西门子6ES7214-1AD23-0XB8诚信合作

随着中国工业经济的发展，PLC在中小型自动化设备的日益普及应用，对于设备制造厂商或生产技术管理部门来说，如何以快捷的方式响应现场设备维护方面的需求，检测生产现场运行设备的状态，及时解决生产现场反映的问题，已是多数上位技术管理者的切实需求。如何采用经济实用的方式来实施远程PLC设备数据采集或测控，这也是探索解决此问题的初衷。

1 系统组成概述

系统硬件主要由上位计算机、TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程Siemens S7—200 PLC 3部分组成，具体结构如图1所示。系统软件分为上位PC和下位PLC两部分，上位PC部分提供人机交互操作界面和相应的数据选择、处理等;下位PLC则通过自由口通讯，以中断方式快速响应上位机对PLC变量存储器数据的读写操作或对I/0口读写操作需求。由于上位计算机与远程PLC的通讯载体是通过TC35i建立在GSM网络基础上的，从而了地域的限制，即便远端PLC设备在千里之遥，实施数据采集、测控的如同咫尺。

2 系统硬件设计

2.1 TC35i无线通讯模块

系统组成如图1所示，系统硬件主要是TC5i无线通讯模块的应用。TC35i是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，TC35i双频工作(EGSM900/GSMl800)，电源范围在3.3～4.8 V，发送功率分别为2W(Class4 EGSM900)和lW(Classl GSMl800 MHz)，TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300～115 kb/s的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8～115 kb/s，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口。为数据、语音和短消息提供快速、、的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35i有40个引脚，通过ZIF连接器引出。这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。

ZIF40PIN的引脚1～14为电源部分，其中引脚l～5为电源电压输入端VBATT+，引脚6～10为电源地GND，引脚11～12为充电端，引脚13为对外输出电压(供外部电路使用)，引脚14 ACCU/TEMP接负温度系数的热敏电阻;引脚24～29为SIM卡连接端;引脚33～40为语音接口用来接电话手柄。引脚15、30、31和32为控制部分，引脚15为启动线IGT(Ig-niTIon)。当TC35i通电后给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。引脚30为RTC back up;引脚3l为掉电控制：引脚32为SYNC，引脚16～23为数据输入/输出端。TC5i无线通讯模块的主要外围电路的连接如图3所示。数据通信电路以MAX232为实现电平转换及串口通信。

2.2 系统硬件连接

系统硬件的连接可参考图1可知，上位计算机的串口输出与由TC35i构成的GSM MODEM中的9芯RS232口直接连接;远程的GSM MODEM与PLC连接时则通过RS232到RS485的转换，这是Siemens PLC的通讯口数据和PPI编程电缆连接的必要条件。另一方面注意的是，在与远程GSM MODEM的RS-232串口连接时，还将RS232串口中的RXD和TXD对换连接，否则将不能正常通讯。

2.3 远程PLC的选型

该系统选用西门子S7—200 PLC，在西门子PLC中SIMATIC S7—200是一个系列，其中包括多种型号的CPU，这里选用CPU-222，由于CPU不提供模拟量的输入输出，为对模拟量数据的远程读写。因此在远程PLC系统中扩展一型号为EM-235的4输入1输出模拟量模块。

3 系统软件设计

3.1 系统上位计算机人机界面

系统上位的人机界面是用VB编程，提供人机交互操作界面及数据选择和相应的数据处理等功能。系统上位的操作界面如图4所示。在操作界面的左上部是通讯链接控制框，这里只需要正确选择PC的串口并输入远程PLC所连接的电话号码后即可拨号链接，远程的无线GSM MODEM模块摘机响应一般设置为铃响后自动摘机，通讯链接建立后，当上位PC检测到串口端的数据载波DCD信号后，通讯链接控制框中的“链接状态”指示灯由红变绿，表示通讯链路已成功建立。拨号或的操作均是通过对GSM MODEM模块发送AT指令执行的。

对PLC数据的读写操作如操作界面的右上部所示，在相应文本框内填写好数据的类型、地址、数值和操作方式后点击“发送”即可执行对PLC的读或写操作。界面的下半部分显示的是PC串口发送和接收的代码以及当前操作的结果。

3.2 系统上位计算机的串口设置

在上位PC的人机界面中，串口的设置是通过下拉选择框选择出所连接的串口后由程序自动读取。在使用GSM MODEM无线模块时，上位PC对远程PLC链接呼叫时采用的是AT指令。程序语句为：MSComm1.Output=“ATDT”&Trim (Text1.Text)& vbCrLf//Text1文本框内为欲连接的电话号码。的AT指令为：MSComml.Output=“ATDT”&“+++”& vbCrLf。串口数据格式的设定语句为：MSComml.SetTIngs=“9600. N，8.1”，与TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程PLC自由口的串行数据通讯格式一致。

3.3 通讯数据格式的约定

由于远程PLC采用的是自由口用户通讯方式，这里对每次收发数据字节暂约定为18个字节，数据字节的多少可根据实际需要而酌情约定。本系统中18个字节的约定：Bybbb为数据的总字节数;Bvte2为数据开始特征字;Bvte3为数据读或写特征字：Byte4为数据类型特征字;Bvte5～Byte8为PLC数据地址;Bvte9～Bybbb6为PLC数据的数值;Bybbb7为收发数据的校验码;Bvbbb8为数据结束特征字。串口数据的传输除数据地址字节和数据数值字节用ASCII码表示外，其他均以十六进制方式表示。因而在上位PC的编程中需涉及大量的进制转换操作。特别要注意的是由于PLC中的实数采用32位单精度数表示，并按照ANSI/IEEE745 1985标准格式以双字长度来存取，所以无论是上位的PC或是下位的PLC在编程时对实数数据的处理均需严格遵循ANSI/IEEE7451985标准格式的规定，否则将不可能读到正确的数据。

通讯数据的校验方式采用BCC块进行XOR校验，即约定为从每次数据包的Byte2到Bybbb6的字节进行校验，Bvbbb7存放校验结果。上位或下位在接收数据时，对所接收的数据进行校验并将计算结果与Bvbbb7所存放的数值进行比较，如不一致时则按约定要求重发，以每次传输数据的正确性。

3.4 远程PLC自由口通讯初始化编程

由于远程PLC采用的是自由口用户通讯协议。

远程PLC经上述设置后，在其运行期间每当接收到一组数据后便自动产生中断请求，在中断服务的子程序中，设定一标志位(如MO.0)置位，用来表示允许进入中断服务，在主程序中通过检测M0.O的状态来确定是否转入读数据操作的子程序，读数据操作完毕后及时将接收数据标志M0.0复位，从而完成一次读数据过程。PLC数据的上传则是根据所读数据的内容来响应上位的请求，上传数据的编码和字节均依照约定的格式写入，每次的读写操作仅在PLC一个扫描周期内(数毫秒)完成，系统的响应是实时的。

3.5 远程PLC数据的读写操作

PLC数据的读写是依据约定的数据类型实施操作的。对于字节、字、双字、实数及I/0端口各自有约定的数据类型特征字，在下位PLC程序中通过对数据类型特征字的解析后来确定读取数据的字节数。对I/0端口的读写操作则是根据约定的编码直接读写出相应的状态信息。每组收发数据的存储单元从VBl00到VBll7共18个字节。由前述的数据发送量的约定可知，每组数据的Byte5～Byte8表示PLC数据的地址，由于每次读写的地址是不同的，所以Byte5～Byte8字节给定的就是地址指针，在PLC编程中就要以此指针采用间接寻址的方式，设Byte5～Byte8存放在PLC的VB104～VBl07单元，其间址指令则为：

MOVD &VBl04，ACl读取该地址内容时则根据数据类型的不同而有所区别，如读写字节时指令为：MOVB*ACl，VBl60;则读写字的指令为：MOVW *ACl，VWl60;读写双字的指令为：MOVD *ACl，VDl60;读写实数的指令则为：MOVR *ACl，VDl60。

4 结束语

本系统经实际测试基本达到了预期效果。远程PLC在省际间距离的测控响应与在本市区地域的测控响应基本相同，通过对PLC I/O的读写、模拟量数据的读写、单字节、双字节及实数的读写，均未出现数据差错现象，远程的响应速度基本上是对上位的指令立即响应，操作人基本感觉不出时间的延时。在PLC中，由于本远程测控程序字节量较少，可以嵌入在PLC的过程控制程序中运行，由于在自由口通讯中，

对上位PC读写的响应采用的是中断方式快速响应，所以对PLC的过程控制程序的实时性基本无影响。

1  引言
              
  　 水位测控装置是水电厂的重要测控设备，水电厂的上下游水位是防汛的重要数据，拦污栅压差影响机组出力、水工，水头值影响调速器协联曲线，进而影响机组效率甚至稳定运行，因此水位测控装置需满足长期稳定运行。目前的水电厂水位测控装置普遍采用定制仪表采集水位传感器的格雷码值，换算栅差、水头等，输出开关信号报警，输出4~20ma信号至监控、远动、调速器。在运行维护中存在以下问题：采用电缆长距离输送格雷码信号，防雷、抗干扰能力差，仪表、传感器易损坏；4个24位格雷码传感器需100芯电缆维护困难；定制的仪表扩展性差，输入、输出校准，参数整定操作复杂；价格高，备品备件采购困难。因此开发基于通用硬件设备的水位测控装置意义重大。

 　 根据水电厂水位测控具体要求，我们自主设计了基于plc的水位测控系统，具有高性、配置灵活、安装维护简单方便特点。

2  系统功能结构
              
    水东水电站装设有上游、#1拦污栅后、#2拦污栅后、下游四个水位测量井，配置浮子式水位测量装置，采用光电编码器将水位信息转换成数字信号。坝上传感器距离中控室500m，下游传感器距离中控室30m，为提高系统的防雷、抗干扰能力，坝上传感器通信采用光纤传输。水位测控装置plc通过rs485串行口采集编码器水位数据，经过换算处理模拟量输出模块输出4～20ma的上游、下游海拔值信号至远动rtu装置，输出4～20ma的水头信号至机组调速器电气调节装置。计算机监控系统通过网络连接水位测控装置plc，所有水位信息，故障报警信号等，并可远程设置相关参数、定值。

3  实现原理

3.1 浮子式水位测量装置
              
该装置安装在测井口上方，当液位变化时，浮子随之上升或下降，测绳带动线轮做旋动，与线轮同轴连接的多圈编码器就输出与液位对应的数字信号。装置具有结构简单、合理，性高、适应性强等优点，能够长期用于液位测量。

3.2 编码器

根据现场实际需求，编码器选用现场总线型输出的多圈编码器。
              
编码器由机械位置确定编码，每个编码不重复，它不受停电、干扰的影响，记忆，找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取，这样，编码器的抗干扰特性、数据的性大大提高了。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装调试时不必费劲找零点，将在测量范围内的某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。
              
编码器信号输出主要有并行格雷码输出、串行ssi输出、总线型输出、模拟量4~20ma输出。并行格雷码和模拟量输出信号读取简单但不适合长距离传输，串行ssi输出大部分是与西门子plc的ssi模块配套成本较高。现场总线型编码器用通讯方式传输信号，信号遵循rs485的物理格式，连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和性就提高了。信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号，多个编码器集中控制的情况下可以大大节省成本。

3.3 水位测控装置plc
              
plc选用m340模块化plc，它是施耐德公司生产的性能价格比很高的可编程控制器，已广泛应用于工业控制的各个领域。cpu模块选用、大内存的bmx p34 2020，带一个100m以太网、一个485串行口；输入、输出模块可根据现场实际需求灵活配置。

4  软件设计

4.1 编程步骤

plc的硬件配置、控制程序采用的编程软件包unity pro完成，pc通过网络或usb与m340 plc进行程序传送。进行plc硬件组态，含底版、电源、cpu、输入输出模块等。通过电源模块属性可查看电源使用情况，应保留一定余量，否则需换容量大的电源模块；在cpu模块的serialport口配置串行链路参数如：485 modbus主站、波特率9600、帧延时4ms、数据位8位、停止位1位、偶校验；创建网络链路ethernet1并配置ip地址等网络通信参数，将cpu模块的ethernet口链接到网络链路ethernet1；根据现场模拟量信号要求配置模拟量输出模块参数；定义相关变量等。

4.2 plc程序设计

(1)程序结构。程序采用模块化设计，具有较高可读性、可维护性。

(2)程序注释。plc上电扫描执行初始化init()子程序，初始化通信参数，上、下游海拔预置值，各个传感器调零值，拦污栅压差整定值等。

传感器通信comm()子程序，分时读取传感器水位值，通信故障时水位保持原值。

计算calc()子程序，计算出上、下游，拦污栅后的实际海拔值，拦污栅压差、各机组有效水头等。

信号输出out()子程序，拦污栅压差过大报警、通信故障报警、装置故障报警、4～20ma模拟量输出等。

数据上送sent()子程序，根据监控上位机通信规约，组织上送数据信文，含各实际海拔值、有效水头、详细故障信息、拦污栅压差报警定值等。

4.3 水位信号读取

m340 plc和编码器串行rs485通信采用modbus rtu通信规约，这个通讯协议已广泛被国内外各行业作为系统集成的一种通用工业标准协议，有利于系统的维护和扩展。plc为主站，编码器为从站。

查编码器技术手册，水位测值的modbus地址是4x0000，根据modbus通信规约信息帧结构读取地址 1 传感器的水位测量值，应发送以下通信码：m340 plc读取水位信息主要用read_var功能模块：
              01       03        0000      0001      840a
              站地址 　功能码 　　地址 　　个数　　 crc校验码
              功能模块说明［1］
              adr
              通信地址：语法为 addm (`r.m.c.node`机架号.模块号.通道号.站地址) 类型。
              obj  要读取的对象类型
              　　’%m’：内部位
             　　 ’%mw’：内部字
              　　’%s’：系统位
              　　’%sw’：系统字
              num  读取的个对象的索引。
              nb   要读取的对象的数量。
              recp输出参数包含所读取对象的值的字表。
              gest交换管理表：4个字的数组。   

read_var功能模块实现将地址1传感器水位值送入%mw1，交换管理表置于%mw400：4，%mw401==0，说明通信成功，非零值记录故障代码。通信过程需占用一定时间，**通信，防止通信阻塞，4个传感器通信分时进行，用上升沿触发。读取交换管理表确认通信是否成功，通信失败应将故障代码上送上位机并报警，将水位值保持为上一次正确通信时读取的值。

4.4 上位机软件设计

上位机系统与plc之间通过以太网连接，水东电厂的计算机监控系统采用南瑞集团公司的nc2000系统。nari nc2000计算机监控系统是南瑞集团面向水利水电领域的新一代计算机监控系统软件［2］。nc2000具有良好的人机界面和网络功能，与施耐德plc网络通信采用tcp/ip modbus规约。在组态环境下，设计人员对plc进行驱动配置，运行环境以图形画面形式的人机界面监控水位信息、故障报警，对有关数据存储历史库，生成报表，同时利用web功能使系统具有在线监控功能，即在授权的情况下在任何一台联网的计算机上用标准的浏览器可远程监控。限于篇幅，上位机程序不再详述。

5  结束语
              
系统的设计结构合理，采用多圈编码器采集水位，以可编程控制器为控制，提高了系统的自动化程度，**了系统运行的性；硬件、软件模块化设计具有良好的扩展性和灵活性，可根据现场实际需求改系统的配置规模。该系统在福建水东电站现场运行表明工作稳定，在监视报警、综合计算、信号输出等各方面满足电站的运行要求，了很好的效果，有较高的推广。

 1. PLC控制系统的设计内容

（1）根据设计任务书，进行工艺分析，并确定控制方案，它是设计的依据。

（2）选择输入设备（如按钮、开关、传感器等）和输出设备（如继电器、接触器、指示灯等执行机构）。

（3）选定PLC的型号（包括机型、容量、I/O模块和电源等）。

（4）分配PLC的I/O点，绘制PLC的I/O硬件接线图。

（5）编写程序并调试。

（6）设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。

（7）编写设计说明书和使用说明书。

2. PLC控制系统设计步骤

（1）工艺分析

深入了解控制对象的工艺过程、工作特点、控制要求，并划分控制的各个阶段，归纳各个阶段的特点，和各阶段之间的转换条件，画出控制流程图或功能流程图。

（2）选择合适的PLC类型

在选择PLC机型时，主要考虑下面几点：

1功能的选择。 对于小型的PLC主要考虑I/O扩展模块、A/D与D/A模块以及指令功能（如中断、PID等）。

2I/O点数的确定。 统计被控制系统的开关量、模拟量的I/O点数，并考虑以后的扩充（一般加上10%～20%的备用量），从而选择PLC的I/O点数和输出规格。

3内存的估算。 用户程序所需的内存容量主要与系统的I/O点数、控制要求、程序结构长短等因素有关。一般可按下式估算：存储容量=开关量输入点数×10+开关量输出点数×8+模拟通道数×100+定时器/计数器数量×2+通信接口个数×300+备用量。

（3）分配I/O点。 分配PLC的输入/输出点，编写输入/输出分配表或画出输入/输出端子的接线图，接着就可以进行PLC程序设计，同时进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（4）程序设计。 对于较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出控制流程图或功能流程图，然后设计出梯形图，再根据梯形图编写语句表程序清单，对程序进行模拟调试和修改，直到满足控制要求为止。

（5）控制柜或操作台的设计和现场施工。 设计控制柜及操作台的电器布置图及安装接线图；设计控制系统各部分的电气互锁图；根据图纸进行现场接线，并检查。

（6）应用系统整体调试。如果控制系统由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可行分段调试，然后连接起来总调。

（7）编制技术文件。技术文件应包括：可编程控制器的外部接线图等电气图纸，电器布置图，电器元件明细表，顺序功能图，带注释的梯形图和说明。

 在组合机床自动线中，由于加工精度的不同，滑台的设置也不同，一般设置三种滑台：

   1、液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；

2、机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；

3、数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。

PLC控制器具有通用性强、性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，因此广泛应用于工业自动控制中。而它控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存，在大型自动线中，可以使控制系统的成本下降得加**。

PLC控制步进电机驱动的数控滑台

一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图。

 

 

PLC控制数控滑台的方法

1、行程控制：数控滑台的行程则采用数字控制来实现，由于滑台的行程正比于步进电机的总转角，只要控制步进电机的总转角即可，而步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

n=DL/d(1)

式中DL——伺服机构的位移量(mm)，d——伺服机构的脉冲当量(mm/脉冲)

2、进给速度控制：伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:

f=Vf/60d(Hz)(2)

式中Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)

3、进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其正反转方向，也可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现