西门子6GK7243-1GX00-0XE0诚信合作

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编码器的信号输出

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。

1． 并行输出：

编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：

1、是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。

2、所有接口确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。

3、传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，有隔离。

4、对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。

2． 串行SSI输出：

串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。

由于编码器好的厂家都是在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出。

SSI接口(RS422模式)，以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，的位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。由接收设备发出时钟信号触发,编码器从高位(MSB)开始输出与时钟信号同步的串行信号.

串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和性就大大提高了。

一般高位数的编码器都是用串行输出的。

3． 现场总线型输出

现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址， 用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。总线型编码器信号遵循RS485的物理格式，其信号的编排方式称为通讯规约，目前全世界有多个通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：

PROFIBUS-DP； CAN； DeviceNet； Interbus等

总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。

4．变送一体型输出

连接编码器的电气二次设备：

连接编码器的设备可以是可编程控制器PLC、上位机，也可以是显示信号转换仪表，由仪表再输出信号给PLC或上位机。

1．直接进入PLC或上位机：

编码器如果是并行输出的，可以直接连接PLC或上位机的输入输出接点I/O，其信号数学格式应该是格雷码。编码器有多少位就要占用PLC的多少位接点，如果是24伏推挽式输出，高电平有效为1，低电平为0；如果是集电开路NPN输出，则连接的接点也是NPN型的，其低电平有效，低电平为1。

2．编码器如果是串行输出的，由于通讯协议的限制，后接电气设备有对应的接口。

例如SSI串行，可连接西门子的S7-300系列的PLC，有SM338等模块，或S7-400的FM451等模块，对于其他的PLC，往往没有模块或有模块也很贵。

3．编码器如是总线型输出，接受设备需配的总线模块，例如PROFIBUS-DP。

但是，如选择总线型输出编码器，在编码器与接收设备PLC中间，就无法加入其他显示仪表，如需现场显示，就要从PLC 再转出信号给与信号匹配的显示仪表。

通过硬件和软件侦听的方法，分析PLC内部固有的PPI通讯协议，然后上位机采用VB编程，遵循PPI通讯协议，读写PLC数据，实现人机操作任务。这种通讯方法，与一般的自由通讯协议相比，省略了PLC的通讯程序编写，只需编写上位机的通讯程序资源。

       S7-226的编程口物理层为RS-485结构，SIEMENS提供MicroWin软件，采用的是PPI(Point to Point)协议，可以用来传输、调试PLC程序。在现场应用中，当需要PLC与上位机通讯时，较多的使用自定义协议与上位机通讯。在这种通讯方式中，需要编程者定义自己的自由通讯格式，在PLC中编写代码，利用中断方式控制通讯端口的数据收发。采用这种方式，PLC编程调试较为烦琐，占用PLC的软件中断和代码资源，而且当PLC的通讯口定义为自由通讯口时，PLC的编程软件无法对PLC进行监控，给PLC程序调试带来不便。

       SIEMENS S7-200PLC的编程通讯接口，内部固化的通讯协议为PPI协议，如果上位机遵循PPI协议来读写PLC，就可以省略编写PLC的通讯代码。如何获得PPI协议？可以在PLC的编程软件读写PLC数据时，利用三个串口侦听PLC的通讯数据，或者利用软件方法，截取已经打开且正在通讯的端口的数据，然后归纳总结，解析出PPI协议的数据读写报文。这样，上位机遵循PPI协议，就可以便利的读写PLC内部的数据，实现上位机的人机操作功能。

       软件设计

       系统中测控任务由SIEMENS S7-226PLC完成，PLC采用循环扫描方式工作，当定时时间到时，执行数据采集或PID控制任务，完成现场的信号控制。计算机的软件采用VB编制，利用MSComm控件完成串口数据通讯，通讯遵循的协议为PPI协议。

       PPI协议

       西门子的PPI（Point to Point）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写【5】。

       其通讯数据报文格式大致有以下几类：

       1、读写申请的数据格式如下：

SD LE LER SD DA SA FC DASP SSAP DU FCS ED 

SDStart Delimiter)开始定界符(68H)

LE:（Length）报文数据长度

LER:（Repeated Length）重复数据长度

SD: (Start Delimiter)开始定界符(68H)

SA:（Source Address）源地址，指该地址的指针，为地址值乘以8

DA:（Destination Address）目标地址，指该地址的指针，为地址值乘以8

FC:（Function Code）功能码

DSAP:（Destination Service Access Point）目的服务存取点

SSAP:（Source Service Access Point）源服务存取点

DU:（Data Unit）数据单元

FCS:（Frame Check Sequence）校验码

ED:（End Delimiter）结束分界符（16H）

       报文数据长度和重复数据长度为自DA至DU的数据长度，校验码为DA至DU数据的和校验，只取其中的末字节值。

       在读写PLC的变量数据中，读数据的功能码为 6CH，写数据的功能码为 7CH。

       2、PLC接收到读写命令，校验后正确，返回的数据格式为 E5H

       3、确认读写命令的数据格式为：

SD SA DA FC FCS ED 

其中SD为起始符，为10H

SA为数据源地址

DA为目的地址

FC为功能码，取5CH

FCS为SA+DA+FC的和的末字节

ED为结束符，取16H

       PPI协议的软件编制

       在采用上位机与PLC通讯时，上位机采用VB编程，计算机采用PPI电缆或普通的485串口卡与PLC的编程口连接，通讯系统采用主从结构，上位机遵循PPI协议格式，发出读写申请，PLC返回相应的数据。程序实现如下：

      1、串口初始化程序：

mPort = 1

MSComm1.Settings = "9600,e,8,1"

MSComm1.bbbbbLen = 0

MSComm1.RThreshold = 1

MSComm1.bbbbbMode = combbbbbModeBinary

PPI协议定义串口为以二进制形式收发数据，这样报文的通讯效率比ASCII码高。

       2、串口读取数据程序，以读取VB100数据单元为例：

Dim Str_Read(0 To 32) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。

Str_ Read (32) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式：

Str_ Read (29) = (100*8) \ 256 ‘地址为指针值，先取高位地址指针

Str_ Read (30) = (100*8) Mod 256 ‘取低位地址指针

Str_ Read (24) = 1 ‘读取的数据长度（Byte的个数）

For I=4 to 30

Temp_FCS = Temp_FCS + Str_Read(i)

Next I

Str_Read(31)= Temp_FCS Mod 256 ‘计算FCS校验码，其它数组元素赋值省略。

68 1B 1B 68 2 0 6C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 0 4 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 8B 16 

       PLC返回数据 E5 后，确认读取命令，发送以下数据：

10 2 0 5C 5E 16

       然后上位机VB程序接受到以下数据：

68 16 16 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 5 0 0 4 1 FF 4 0 8 22 78 16

       识别目标地址和源地址，确认是这次申请的返回数据，然后经过校验检查，正确后解析出26号数据（&H22）即为VB100字节的数据。

       3、串口写入数据程序，以写VB100数据单元为例：

Dim Str_Write(0 To 37) ‘定义发送的数据为字节为元素的数组。

Str_Write (37) = &H16 ‘相应的数组元素赋值，按照以下格式

Str_Write (35) = &H10 ‘要写入的数据值

68 20 20 68 2 0 7C 32 1 0 0 0 0 0 E 0 5 5 1 12 A 10 2 0 1 0 1 84 0 3 20 0 4 0 8 C B9 16 

PLC返回数据 E5 后，确认写入命令，发送以下数据：

10 2 0 5C 5E 16

       然后上位机VB程序接受到以下数据：

68 12 12 68 0 2 8 32 3 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 5 1 FF 47 16

       这是PLC正确接收并写入信息的返回数据。

       4、串口接收程序：

       在数据接收程序中，利用VB中MSComm控件，一次接收缓冲区中的全部数据，存放到数组形式的暂存单元中，然后分析每个元素的值，得到读写的数据。

Dim RCV_Array() As Byte

Dim Dis_Array As bbbbbb

Dim RCV_Len As Long

RCV_Array = MSComm1.bbbbb ‘取出串口接收缓冲器的数据。

RCV_Len = UBound(RCV_Array)

ReDim Temp(0 To UBound(RCV_Array))

For i = 0 To RCV_Len

Dis_Array = Dis_Array & Hex(RCV_Array (i)) & " "

Next i

Text1.Text = Dis_Array ‘接收到的数据送显示。

在程序的读写过程中，一次大可以读写222个字节，目前给出的数据读写为整数格式。

数据类型 Str_ Read（27） 

S 04H 

SM 05H 

I 81H 

Q 82H 

M 83H 

V 84H

       以上程序，是以读写PLC的V变量区为例，利用PPI协议还可以读写S7-200PLC中的各种类型数据，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等数据类型，能够直接读出以上变量中的位、字节、字、双字等，其中读位变量时，是读取该位所在的字节值，然后上位机自动识别出该位的值。按照读写的数据类型，其中Str_ Read（27）的值各不同：

在控制系统中，PLC与上位计算机的通讯，采用了PPI通讯协议，上位机每0.5秒循环读写一次PLC。PLC编程时，将要读取的值、输出值等数据，存放在PLC的一个连续的变量区中，当上位机读取PLC的数据时，就可以一次读出这组连续的数据，减少数据的分次频繁读取。当修改设定值等数据时，进行写数据的通讯操作。

一、概述

汽车转向泵是一种中汽车用的零部件，它为汽车动力转向系统提供一种的动力源，与发动机转速相配合可以产生的转速流量特性从而使得驾驶舒适。由采埃孚转向泵金城有限公司的转向泵自动装配线项目位于南京新港经济技术开发区，主要生产轿车和轻型商务车用的转向泵。这种汽车部件由多个零件组成，需要借助不同的设备，按照一定的工序将它们组装起来。在整个过程中，需要对装配时的压力、位移和时间等参数进行实时监控，以满足严格的工艺要求，保证装配质量。汽车转向泵自动装配线是完成上述工序的一组设备，它共有12个工位，以实现不同的装配功能，

系统的控制对象包括气液增力缸式压机﹑夹具﹑压力/位移监控仪﹑密封测试仪﹑综合功能测试仪和智能螺栓拧紧系统等，由于各个工位间相互立且有一定距离，因而各采用一台西门子PLC作为控制器，一台SIMODRIVER 611A伺服驱动器及1FT5伺服电机用于旋铆工位的分度盘旋转台控制，另有两台MicroMaster系列MMV37变频器用于生产线的物料传输系统。表1列出了该装配线使用的西门子S7-PLC型号及其在各个工位的分布。

二、系统要求

现以工位WS1.1为例，介绍设备的工作过程。该工位将轴承压入端盖，当按下启动按钮后，设备先检测轴承放置的方向，如果正确，夹具自动锁紧，启动压装过程，否则系统报警，压机不工作，同时OP3操作面板显示错误信息。压装开始后，系统同时启动CoMo II-S智能测量仪表，对压力和位移进行监测，若整个过程的压力/位移曲线满足工艺要求（位于一定的范围内），则装配合格，指示灯亮，压机退回，夹具松开，零件可转入下道工序，否则红色指示灯亮，结果不合格，系统复位后，零件经确认后转入废品站。

为了能实时检测压力和位移，得出两者间的实时关系曲线，并据此对过程做出评判，系统采用了Kistler的CoMo II-S智能测量仪表，它内置电荷和电压放大器，可以实时采集压力和位移两路模拟输入信号，自动选择量程和不同的坐标及刻度，得出测量曲线，具有阀值、公差带、方框和终位等多种分析功能，并可根据需要选择不同的组合对各种过程进行分析和监测，与PLC接口方便。压力的检测采用Kistler的压电式传感器，经电荷放大器由CoMo II-S采集到压力实时值，位移用Novotech的位移传感器测量，并由CoMo II-S采集到实时值，与压力一起作为被监控的变量。压机由气压驱动的气液增力缸实现，其升降由电磁阀控制。

三、控制系统的硬件组成及软件设计

根据该工位的输入/输出信号的点数要求，选用CPU214PLC作为控制，并扩展了一块EM223数字量模块，共有22位数字量输入点，18位数字量输出点。为了显示系统状态和输入控制参数，选用了一台OP3操作面板，经PPI通讯接口与CPU214连接。

控制软件用STEP7 Micro/Win编写，OP3由ProTool组态软件进行配置。控制程序分自动和手动两部分，在手动部分，通过OP3可以所有运动机构的动作，包括压机、夹具的动作，CoMo II-S的参数选择及启动，便于系统调试。在自动部分，所有动作按要求的次序完成，程序中定义了一些内部标志寄存器位，用于PLC和OP3间交换信息，同时也使用了顺序寄存器指令，使各程序步间互锁，提高了系统的性。

四、结束语

汽车转向泵自动装配线采用西门子S7系列PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备的性，也大大提高了成品率和产品质量，通过操作面板修改系统参数就可以实现多种不同产品的装配，现场设备的工作状态和产品信息都在操作面板上显示出来，方便了用户的操作和维护。该装配线自2001年投入运行以来，工作稳定，加工出的产品经设备的严格测试，质量和性能符合要求，受到了用户的。

末端供冷系统是整个区域供冷系统控制的决定因素，它直接反映了空调负荷的变化，从而也决定了冷站内如何控制冰蓄冷系统运行的工况。因此，如何控制好末端供冷系统，正确反映空调负荷是整个区域供冷系统控制的关键。广州大学城区域供冷系统中末端供冷系统采用德国SIEMENS公司S7-200可编程控制器来完成自动控制过程。

单体建筑用户侧高温回水经水泵流过板换，再以低温水向单体建筑供冷；管网侧供水管来自冷站，经板换后再回到冷站，目的是向单体提供冷量。空调管网输送的冷冻水与各单体建筑内的冷冻水通过板换进行热交换来完成能量传递过程。

二、控制系统构成

1、控制设备选型

单体建筑空调机房设备少、控制简单，关键是具备计费和立控制功能。因此，从性价比及控制要求上我们选择了德国西门子S7-200系列PLC进行自动控制。其主要有四个方面的优点：

1、 性价比优

单体建筑空调机房受控制设备少、控制点数少、工艺简单，采用低端PLC自由组合I/O模块，立编程控制，灵活便捷，相对DDC系统投资少。西门子PLC在有良好的可信度，其低端产品S7-200系列PLC具有精度高、性高、编程灵活、性能优越、价格低廉等优点，且在有着高的市场占有率。

2 能够立编程控制

在广州大学城区域供冷系统Profibus-DP网络中，选择ET200M分布式I/O，配置有源背板总线，在主站CPU上统一编程，性高。从站I/O点不影响整个系统运行，各从站间相互立。从站不能采用ET200M分布式I/O，而采用CPU+I/O模块。根据工艺要求，末端单体建筑空调机房具备立冷热量计费、控制功能。冷热量计费要求PLC采样精度高。S7-200PLC扫描周期十几毫秒，对温度的分辨率为1/212℃，对流量的分辨率为1/215m3/h，配置可以使计费精度达0.2%。每个机房的设备数量不一致，控制程序不相同，在CPU上可以任意编程。因此采用S7-200PLC能够满足系统控制要求。

3 通讯功能

与其它PLC一样，S7-200配置相应的通讯模块可以与Profibus-DP网络通讯，也可以与工业以太网通讯，同时CPU上的编程口支持自由通讯协议，可以与变频器通讯。广州大学城末端控制系统采用Profibus-DP网络。Profibus-DP网络是西门子公司推出的世界应用广泛、经典的总线方式。大通讯速率达12Mbps，主站CPU访问每个从站CPU并监控从站。主站CPU通过工业以太网接受控制室操作员站监控，形成一个完整的监控网络。

4 扩展功能

S7-200PLC多可以带8个扩展模块，可以扩充控制点。配CP231模块可以与工业以太网通讯，同时CPU上的编程口支持自由通讯协议，可以与变频器通讯。

2、系统硬件配置及网络结构

控制系统硬件配置

末端控制PLC：S7-200（CPU224、EM231 RTD、EM235、EM277）

冷站内的操作站：工控机（PⅣ2.4G 21’纯平彩显）

以太网卡：CP1613

交换机：OSM-ITP62

主站CPU：CPU414-2DP（图中S7-412-2DP即表示CPU412-2DP，其从站只有40个）

以太网接口：CP443-1

扩展DP接口：CP443-5（扩展型）

光电链路器：OLM/G11-1300（主站PLC出口）、OLM/G12-1300

系统监控网络结构

控制级采用TCP/IP协议，工业以太网，网络波特率为10/100Mbps，采用光纤进行通讯，现场级采用现场总线Profibus-DP，总线传输介质为通讯电缆和光缆，网络波特率为19.2Kbps。

二、三、四冷站各设一套主站PLC（CPU414-2DP），上图为广州大学城四号冷站末端控制系统的网络结构图，二、三号冷站的网络结构与上图相似，只是Profibus-DP网段数量和从站数量不一样。以四号冷站末端控制系统方案进行分析，根据各单体的位置，按近原则组网，采用光缆介质和Profibus电缆介质，选用S7-400 CPU414-2 DP可编程控制器作主站，S7-200PLC作从站来完成整个控制系统网络的组建，具体方案如下：

各冷站PLC、操作员站以及其它控制器务器工作在工业以太网上，服务器读写三个冷站的主站PLC。作为收费系统和监控各单体建筑机房的人机界面，各冷站的操作员站只读写对应主站PLC 。

根据西门子产品通讯技术参数，一个CPU414-2DP可以有至少4个多10个Profibus-DP网段，一个DP网段多不过96个从站，一个OLM可以作一条Profibus-DP总线，该总线多不过32个从站，但实际组网时会考虑到CPU的过程映象I/O点数量的大允许值和CPU通讯的I/O点数量以及设计余量来分配网段的从站数量。根据一条Profibus-DP总线要求和地域分布以及设计余量来分配一条Profibus-DP总线的从站数量，从而实现主站PLC（S7-400）对各单体建筑空调机房的监控。利用CPU224处理模拟量功能较强、精度较高的特点，通过扩展模拟量AI/AO模块，完成温度、流量、压差和调节阀门的控制；通过扩展数字量DI/DO模块，完成单体建筑空调机房水泵、压差开关、电动蝶阀等设备的监控。

三、控制系统功能

整个区域供冷末端系统约300个单体建筑空调机房，每个单体建筑机房要求立计费、立运行。因此，末端系统控制的关键是做好各单体空调机房内设备如：变频水泵、调节阀门等的自动控制和冷热量的计量。管理人员可以在各冷站的控制室通过现场的Profibus-DP总线和工业以太网对末端系统进行远程监视和控制管理。

具体的控制任务如下：

1、 对每一栋单体建筑进行数据采集、计量、控制，现场不能修改参数，只能显示监视数据。

2、 板换二次侧供水温度T3控制在6.5℃，水泵变频控制。

3、 控制室具有数据查询包括日用量和月用量查询和用户资料查询，可以显示选定某段时间的数据按每栋进行查询。

4、 当大楼欠费时可以通过控制室进行远程控制，将对应的冷源自动关闭，方便物业管理。

系统应能提供稳定、的设备监控功能，同时，系统应具有很好的兼容性、可扩展性。

控制程序结构与流程：

按空调工艺特点和要求及冷热量计费要求编制的控制程序保证了空调供冷过程可顺利地进行，并对机房运行各装置提供了有效的监控和保护，保证了系统正常的计费。根据系统要求空调供冷要分遥控/本控两种方式。在本控操作时，通过电源柜可以启动水泵，但手动打开电动调节阀门方可供冷，以满足控制器故障时供冷需要。远程控制室可以全自动控制设备、状态。主控站S7-400 CPU任务较多，但主要是读写各从站的监控参数，通过合理设计程序结构能大大减少程序的扫描时间，提高CPU的工作效率。虽然各单体建筑空调机房的逻辑控制不一样，但可以分为三类，每类的逻辑控制一样，主控站S7-400 CPU与从站S7-200 CPU交换数据参数一样，可用循环程序来调用同一类子程序（FC功能块）的办法来完成各单体建筑空调机房的监控，主控站CPU与各从站交换的数据分别放在3个DB数据块中，在调用各功能块之前打开各自的数据块，完成参数的传递。

四、项目运行情况

广州大学城末端供冷系统自动化程度高，数据采集量大，控制站数量较多，因此我们对系统的性要求比较高，自2006年9月的投入使用，实现了高度集成自动化控制和科学化能源管理。广州大学城区域供冷系统采用SIEMENS 可编程控制器很好的完成了空调供冷和计费的自动控制任务，采用Profibus-DP工业现场总线网络和工业以太网实现了各冷站控制室对各个单体建筑空调机房的分布式集中控制，符合大型区域供冷自控系统的数字化和网络化的发展方向。