西门子6ES7331-7NF10-0AB0参数方式

西门子6ES7331-7NF10-0AB0参数方式

本文使用一套基于西门子S7-200系列可编程序控制器(PLC)的系统来实现微结构光纤毛细管自动剪切、收集和排布。系统由旋转编码器配合PLC高速计数器指令来测量长度，由二氧化碳激光器进行毛细管的横向剪切，通过替换各种形状光纤毛细管收集器可以收集并进行各种形状光纤的自动排布，同时可以显示、设定切割长度和切割次数。 

0 引言

微结构光纤是一种由有序或无序的空气孔构成的微结构包层的新颖光纤。具有许多传统光纤难以达到的优良特性，因此在许多领域，如光纤激光器和放大器、非线性光学、光纤通信、光纤传感等许多方面都有着重要的应用。人们对微结构光纤的理论研究了一定成就，但是其制备工艺一直是一个难点。常采用的堆积法，是将毛细管截成合适长度紧密堆积在套管中，堆积成六边形或者其他结构，的毛细管被去除或者用实心棒代替以造成缺陷。迄今为止丹麦和巴斯大学采用多的还是传统的堆积法，其制作工艺复杂，给光纤毛细管带来了很大的污染。微结构光纤预制棒是制备微结构光纤的环节，它的好坏会直接影响后面的光纤质量，因此光纤制备工艺亟待改造。这次通过用PLC(可编程控制器)对光纤制备条件进行改造，由自动化设备对光纤毛细管进行自动测量长度及实现剪切，设计了各种形状自动可以自动接收然后直接进行预制棒的排布，实现了整个制备过程自动化。

1 系统硬件介绍

PLC是一种基于数字计算机技术，转为工业环境应用而设计的电子控制装置，可以控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。它有体积小、组装灵活、性高等各种优点。因此整个系统由PLC作为主控部件，型号选用西门子S7-200系列，采用PLC高速计数器指令和光电编码

器可以实现的定长测量，通过四个LED七段显示器可以实现显示设定长度以及切割次数的功能。基于光纤毛细管的材质及其特性考虑，切割部分采用二氧化碳激光器，可以实现剪切切口平整并且没有碎渣。

1．1 定长测量

光纤毛细管是微结构光纤制备的重要原材料，现有的条件只能由人手工测量长度，手工剪切，需要改进。旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号(高速脉冲信号)。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输出给PLC，利用PLC的高速计数器对此脉冲信号进行计数，以获得测量结果。光纤毛细管的定长测量、定长控制由旋转光电编码器配合PLC的高速计数器一起实现。

定长控制包括测量和比较两个部分，高速计数器有一组预置值，开始运行时装入个预置值，当前计数值等于预置值或者有外部复位信号时，产生中断。发生当前计数值等于预置值的中断时，设置下一阶段的输出，设置个预置值和个输出状态，循环又重新开始。

测量物体的长度，需要将单位长度转换成脉冲量，通过光电编码器和PLC高速计数器记录脉冲量的变化，以此达到测量长度的目的。测量长度传感器采用光电编码器，采用A相计数输入，光电编码器的电源由PLC自身的输出直流电源24V提供(L+,M)。旋转编码器安装示意图见图1。

用联轴器将光电编码器与光纤导向轮连接固定，使之能够同步转动，导向轮转动带动编码器旋转并输出高速脉冲信号来测量被切割物体的长度。设导向轮直径为D，定尺长度为M，P为编码器每转输出脉冲数，光电编码器机械轴每转一周位移为πD，则编码器每发生一个脉冲对

应于被计量的光纤位移长度一信号步长为πD／P；所以到需要的定长M时，所需的脉冲数为MP／πD。设定高速计数器的设定值为MP／πD，当前值等于设定值时，由PLC发出指令控制C02激光器发出切割脉冲，并复位计数器，重新读入当前设定值。设导向轮直径D为120mm，光电编码器每转脉冲数助200个／转。可以计算出被切割物体每毫米长度的脉冲数为：每毫米脉冲数=200／120 π≈0．5348个脉冲／mm。

1．2 二氧化碳激光器切割

由于光纤毛细管直径细而易碎，用普通的剪切装置不仅容易造成光纤毛细管的折断损坏，而且容易生成玻璃碎渣，对微结构光纤的排布造成干扰。而采用C02激光来切割可以避免这些问题的产生。C02激光切割具有切割质量好、切割材料范围广、可进行立体切割、容易实现自动化等特点。系统由CO2激光器和3个定位轮组成，其中这3个定位轮的轴心不在同一直线上，使光纤经过时，光纤的径向会出现应力，由于石英毛细管具有一定的柔软性，若没有外损伤时，毛细管可定位轮而不折断，当激光照到毛细管时，激光会使毛细管壁产生一定的缺陷，这时毛细管在定位轮的作用下折断。由PLC控制C02激光器。

1．3 显示设置

在此次设计中采用具有锁存、译码、驱动功能的芯片CD4513驱动共阴LED七段显示器，此装置需要显示的数据为四位自然数，即需要四个CD4513芯片。CD4513的数据输入端A-D共用PLC的四个输出端，其中A为位，D位位。LE是锁存使能输入端，在LE信号的上升沿将数据输入端BCD数锁存在芯片内的寄存器中，并将该数译码后显示。如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。此次四个显示器占用PLC的输出点数为8个。西门子S7-200系列PLC是继电器输出模块，所以在与CD4513相连的PLC各输出端与“地”之间分别接一个2kΩ的电阻，以避免在输出继电器的触点断开时CD4513的输入端悬空。

1．4 收集及排布

此次的设计了光纤收集器，如下图4所示的工装。此工装由八块木板组成，在工装的两端安装卡箍，固定位置，并可通过卡箍的螺丝调节此工装的内切圆的直径大小。在每一块木板的伸出臂正面都有一个半圆形的凹槽，与孔表面的半圆突起相配合，如此木板的相对位置和伸缩变化会加，度较高，运动平滑不会对光纤毛细管造成损坏，而且此工装操作方便简单。拉制好的毛细管会自动掉进八边形模具筒内，当毛细管数量达到设计要求时，将模具筒拆下。调整模具筒内的八边形大小，并在调整过程中同时通过机械振动的方法使内部毛细管达到紧密堆积；之后在其内部引入缺陷作为光纤的纤芯(如实芯或空芯)或其他结构(如蜂窝状)。然后将毛细管的两端熔在一起，把模具简拆下即可得到要拉制的八边形微结构光纤预制棒。

2 系统软件设计

系统的软件实现用西门子S7-200PLC配套的编程软件STEP7-Microsoft／WIN32来实现。

为了使整个系统的软件设计思路加清晰，将它分为几个部分：

(1)主程序。开机调用显示子程序，用扫描存储器位SMO．1，在个扫描周期调用包含HDEF的子程序来定义高速计数器。对按键I0．2、I0．3、I0．4的防抖及延时设定，手动增(减)数按键程序，分单击、连续按键2s后每秒加(减)1，连续按键8s后每秒加10。程序中VW300用来存储设定值，VW320存储实际测量值，VW340存储切割次数，VW2030为待显示数据通道。

(2)子程序O。由SF数值转换开关切换显示三组数据。将VW2030的当前值中的4位BCD数传送给4只显示器，先后分别给4只显示器送数的时序是由移位寄存器MB0提供的。在初始状态时，仅MO．O为“1”状态，其余各位为“0”状态。移位寄存器得到T39和T40提供的周期为0．4s的方波移位脉冲信号，M0．1～M0．4先后变为“1”状态。整数转换为BCD码指令将VW2030的当前值转换为4位BCD码并存放在VW2中，V3．0为个位数的位，V2．7为千位数的位。M0．1为“1”状态时，将V3．3～V3．0中的个位数送给Q0．3～Q0．0，即送给CD4513的数据输入端，200ms后在片选信号Q0．4的下降沿，将个位数锁存进上面的CD4513。M0．2为“l”状态时，将V3．4～V3．7中的十位数送给二只的CD4513，M0．3为“1”状态，将V2．0～V2．3中的百位数送给三只的CD4513，M0．4为“1”状态，将V2．4～V2．7中的千位数送给后一只的CD4513。送完成个数后，M0．5变为“1”状态，它的常开触点接通，将移位寄存器MB0和M3．1复位。

(3)高速计数器。由指令向导对高速计数器进行设置，写入预置值和当前值，设置控制字节。

(4)中断程序。当前值等于预置值时，即测量长度到达时，接通C02激光器，由PLC对其进行控制，让它进行的切割，高速计数器重新载入新的预置值和当前值。

3 结束语

基于PLC的微结构光纤毛细管自动剪切收集排布系统可以地控制切割长度，而且可以实现光纤制备过程的全自动化，使微结构光纤原材料避免与人及外界进行过多接触，避免了污染，降低了光纤损耗，提高了拉制光纤成功率。通过换光纤收集器可以进行各种形状的光纤排布。整套系统结构紧凑，，性能优良，十分实用，大提高了生产效率。

:可编程控制器在工业控制领域应用广泛,本文从可编程控制器在电力系统智能装置自动系统应用出发,介绍自动系统设计原理和系统组成,详细介绍PLC 在本系统功能和具体应用范围,并针对可编程控制器应用中出现特殊问题进行分析,并给出解决方法。实践证明,可编程控制器系统的扩展性和可编程特点可有效满足部分控制系统的特殊要求。 

   1 引言

PLC 广泛应用于工业控制领域,因其具备良好的扩展性和有内部逻辑的二次编程功能,大大扩展其在工业生产和工业控制领域的应用范围。本文从电力系统智能装置的自动测试系统原理出发,简要介绍自动测试系统结构,详细介绍PLC 在本系统功能和具体应用, 并针对PLC 在电力系统智能装置自动测试系统特殊领域的应用中出现的触点的条件、采样数据上送和特殊控制逻辑的要求问题进行讨论, 并给出一般解决办法。实践应用表明,可编程控制器的良好的扩展性和其有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。

2 系统基本原理

电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测量控制装置。继电保护装置主要功能是保护电力系统的一次设备运行,确保电力系统输电系统的运行,而测控装置主要负责电力系统开关的控制和电气量的测量, 二者构成完整电力系统二次保护设置。

从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系的主要电气量包括:一次设备的模拟量、一次设备的信号开入和继电保护出口三个主要部分。因此,模拟现场运行环境的电力系统智能装置自动测试系统也具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的功能,但不仅于这三部分的功能的,其他还应包括时钟同步等等功能的检测。

目前, 电力系统智能装置是属于微机型, 其具备完好信息记录功能,具备和其他外部系统良好的信息交换功能。因此电力系统智能装置的自动测试系统应包括四个主要的功能:用于模拟故障模拟量输出模块、提供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作接点的开出模块和装置信息的解析模块。电力系统智能自动检测系统的基本原理:通过设备模拟电力系统故障状态模拟量输出,并通过开入模块提供保护装置的开入量, 从而满足保护装置保护动作基本条件,通过解析保护装置的信息和检测保护装置的动作出口触点, 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。

3 系统组成和各模块基本功能

从电力系统智能装置的自动系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的系统包括:微机继电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点检测模块和控制计算机模块。自动检测系统它主要由测试控制计算机、微机继电保护测试仪、可编程控制器、被测智能装置构成。

微机继电保护测试仪接受自动测试控制平台发出控制参数及命令类型, 向保护装置输出模拟量, 完成向保护装置输出模拟量完成保护功能的测试, 并及时将测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到自动测试控制平台。

可编程控制器根据自动测试控制平台发过来的命令, 输出开关量信号, 实现保护装置硬压板的控制和保护开关量输出功能,将基于保护装置继电器开出触点输入的采样数据, 上送自动测试控制平台, 为保护动作触点判断提供连续有效开入量采样数据。

测试控制计算机是整个控制系统的硬件, 它通过网络和系统中其他硬件进行信息交互,控制继电保护测试仪向保护装置输出模拟量,接收保护装置信息解析模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的控制, 控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令,检验保护装置继电器开出触点动作。

微机继电保护测试仪选用北京博电PW30AE, 可编程控制器选用GE 公司的GE-9030,可编程控制器通讯模块使用以太网模块。

4 PLC 应用主要问题及解决办法

可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的保护出口继电器触点或者遥控触点的检测和智能装置的遥信开入检测,具体到可编程控制器各模块是开入模块负责出口继电器触点导通和开出模块负责提供开出完成智能装置的遥信的检测功能。同时为了交换信息的需要,可编程控制器配置相对应的通讯模块以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。

在本系统设计时, 对开入模块的功能有具体的要求,这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密切相关, 如触点类型和触点的导通时间等, 因此分析智能装置的保护出口继电器触点和遥控触点检测的具体要求,并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和内部逻辑回路的设计,充分满足本系统对触点检测的特殊要求。可编程控制器的开出模块逻辑回路的设计也满足本系统的特殊需要。

4.1 继电器出口触点特殊要求

可编程控制器开入模块负责继电保护出口继电器辅助触点的通断情况,并将开入模块数据上送到控制计算机, 并作为控制计算机自动检测成功标准之一。

因此可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系统的性和稳定性。

继电保护装置的出口继电器触点包括四类:保持型常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型常闭节点。对于保持型出口触点的来说,可编程控制器的开入是满足自动检测的需要。而对于瞬动型触点的检测,可编程控制器开入模块检测功能是否满足要求取决于PLC 本身扫描周期T1 和瞬动接通的时间T2两者的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起开入延时长可能达两个扫描周期,如果保护装置的瞬动触点的接通时间T2 大于两倍的扫描周期T1,该触点的状态变化就可以被PLC 开入模块所检测到。

瞬动触点的接通时间取决两个因素,一是装置软件内部对瞬动继电器出口延时整定的时间,目前各厂家提供的技术参数来看,装置软件触点延时的时间一般设置为50-100 毫秒,二是出口继电器本身动作时间和断开时间参数也会影响瞬动触点的接通时间。设瞬动型触点的接通时间为100 毫秒,要求可编程控制器的扫描周期的时间小于50 毫秒,才能保证可编程控制器的开入模块的检测功能的有效性。

可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件参数和用户的程序的大小有密切的关系。因此只要通过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用户的PLC 程序指令类型和各指令类型数目计算出可编程控制器扫描周期, 选择合适可编程控制器模块, 保证可编程控制器扫描周期小于50 毫秒,保护装置的瞬动型触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。

4.2 上位机数据采样特殊要求的实现

在小节中, 讨论了可编程控制器满足检测保护装置的四类节点的检测的基本条件。但条件的符合,只能保证PLC 开入模块能够检测保护装置动作触点状态的变化情况。在自动测试系统设计中,可编程控制器的开入模块仅仅采集触点状态,而完成触点状态检测标准判断是在控制计算机中完成,如何保证上位机能够得到完整、连续的基于采样周期为50 毫秒可编程控制器开入模块采样数据是本系统要解决的关键问题。

电力系统智能装置自动测试系统检测的对象是继电保护设备中出口继电器动作情况,由于继电保护设备的动作的快速性,部分保护动作时间实现小于50ms,因此部分出口继电器触点状态在较短的时间会出现反转,根据系统设计要求,要求上位机能将保护动作前和保护动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理,并将动作前后出口继电器接点状态作为该系统中继电器接点检测判断依据。因此,要通过上位机和可编程控制器通讯数据交换,实现采样时间间隔不大于50ms 可编程控制器开入采样数据上送到上位机的目标。

目前, 上位机获得可编程控制器的开入采样数据是通过通讯交换信息得到,而提高上位机和PLC 数据信息交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一,但仅仅依靠提高上位机和PLC 数据交换速度是无法到达采样数据周期50ms 指标要求, 即使上位机使用以太网介质能达到此要求,也会占用上位机比较多资源。同时由于可编程控制器扫描工作方式的特点,通讯模块频繁和上位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行,如影响可编程控制器扫描周期。

对于可编程控制器来说,在其内部实现50ms 采样周期的数据采样是可以的实现的,充分利用可编程控制器中数据转存和逻辑控制功能, 将每50ms 一次采样数据寄存到连续但不相同数据缓冲区。通过采样周期时间的整定,结合上位机和可编程控制器通讯协议的大数据长度,上位机只需要在给定的时间内进行一次读取多次采样数据即可。上位机读取采样数据后,根据PLC 采样数据转存的原则和逻辑,将已接收到采样数据进行采样时序的还原即可。

4.3 可编程控制器顺序开出的实现

可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为: ①上位机下发一次命令,启动顺序开出,PLC 接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许同时出现两个开出同时接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。

设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时T1 脉冲信号回路,同时启动另一个计时器T2(T2< T1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较, 决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间T2 后,计数器加一和执行复位判断程序, 等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。

设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1 所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保M100 能够在T1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号, 是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。M103 为定时脉冲到来后宽度为T2 脉冲。

图1 定时脉冲信号程序和梯形图

在定时脉冲到来时, 通过数据比较程序, 由计数器R500 当前值和特殊值比较进行逻辑判断,决定是否接通中间继电器,再由该中间继电器决定控制特定的开出,并在自保持回路中串联一个M103 中间继电器触点状态,以控制开出维持的时间。数据比较驱动程序和梯形图如图2 所示。

图2 数据比较驱动程序和梯形图

执行一次开出后, 执行计时器计数和复位程序, 本文中使用M00400-M00404 分别控制1 个到5 个开出的执行, 每次执行开出后均进行计数器自加一, 并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈,结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3 所示。

图3 计数器计数和复位梯形图

通过以上控制逻辑的设计,实现启动顺序开出功能的实现, 并实现系统要求一次启动, 按照循序开出不重叠。

通过此逻辑的实现,可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑, 充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能,在不影响可编程控制器性能指标上,减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换, 提高上位机遥信的检测效率。

5 结束语

在本系统设计中, 充分利用可编程控制器模块化的组合特点以及其有开入开出二次逻辑编程的优点,保证系统设计功能的实现的同时, 减少系统主控制平台的在开入和开出功能资源开销, 并带来系统稳定性和性。可编程控制器有可编程的特点为其在工业领域的应用奠定坚实的基础,随着计算机技术的进一步的发展,特别可编程控制器的模块CPU 运算的速度得到提高,通过提高指令的执行速度和扩展其计算功能,可编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。

本系统是PLC与工控机集成控制的很好应用，投入运行后，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在PLC控制方面，以其的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的广泛赞誉。

PLC与工控机集成控制在汽车固定节检漏中的应用(二) ,PLC,自动化软件 (4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

(7) 故障自诊断与处理模块

它是提高系统的性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机软件主要程序流程，如图6所示。

图6 上位机监控程序框图

2. PLC软件设计

PLC的程序采用了模块化设计方法，由主程序、手动控制程序、故障处理程序等模块构成。根据系统要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 输入输出信号

表1 PLC输入输出信号

(2) 梯形图编制

根据控制过程及输入输出信号编制出梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。同时，前后两个工件位置都进行互锁。部分梯形图，如图7示。

图7 定位工位梯形图

R001是内部继电器，表示选择“自动”，当PLC得到信号X010时，即传感器检测到定位工位有工件时，延时并输出允许摄像信号Y000，然后再延时 2s(等待计算机作出判断)并且当翻转汽缸不在原位和翻转工位无工件时，输出工件可以离开定位工位信号。如果PLC接到计算机发出的“工件不合格”信号，即X014后，报警，直到按复位键停止报警。

四、计算机与PLC的通信

在计算机与PLC的集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信问题。在本课题中，对于计算机与PLC之间的通信，我们考虑了两种实现方法：一种是利用串口通信，另外可通过I/O卡来实现。由于串口通信在实时性、性、抗干扰性等方面都没有I/O卡好，又根据厂里具体情况，后还是选用了后一种方法。I/O卡即开关量输入输出卡，在此项目中，我们选择了PCL—724，24位数字I/O卡，传输速率为300KB/s。该I/O卡具有2个八位端口(A，B)，端口地址范围为200H～3FFH，两端口都可以进行输入输出操作，在进行输入输出操作时，进行握手，因为数据可以直接写或读到设定的端口。由PLC输入输出信号表可以看到，PLC需要接收计算机3个信号，计算机需要接收PLC一个信号。它们的通信协议定义与地址设定，如表2示。

表2 计算机与PLC的通讯协议定义与地址表

五、结束语

本系统是PLC与工控机集成控制的很好应用，投入运行后，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在PLC控制方面，以其的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的广泛赞誉。