西门子6ES7351-1AH02-0AE0参数方式

西门子6ES7351-1AH02-0AE0参数方式

 随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输快捷、便利。 

一四轴联动简易机械手的结构及动作过程

机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。

其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点);(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关);(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成);(4)旋转基座主要支撑以上3部分;(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。

其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作;步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动;伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。

步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走;转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处;步进电机再次驱动纵轴下降，到达位置后，气阀放气，机械手松开货物;系统回位准备下一次动作。

二控制器件选型

为达到控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：

1.步进电机及其驱动器

机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩;M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双恒相电流驱动，大3A的8种输出电流可选，大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的1、2、3三位可组合出不同的状态。

2.伺服电机及其驱动器

机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMAZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线);有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz;定位调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增

益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA3A1A，适用于小惯量电动机。

3.直流电机

可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。

4.旋转编码器

在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的定位。

5. PLC的选型

根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。

三软件编程

1.软件流程图

流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。

2.程序部分

由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。

四结束语

四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。

 激光惯性约束核聚变是中国工程物理承担的科学研究项目，其目标是利用强激光轰击氘氚靶丸，产生受控惯性约束核聚变而释放出聚变能。其中原型装置靶场光电控制系统是保证多路激光束引导、投射、基频倍频、聚焦的重要组成部分。它需要根据靶场反射光路的实际情况自动调整投射和引导反射镜的姿态完成激光的准直引导，然后控制三倍频晶体的匹配角使激光能够按角度入射到KDP晶体中，后修正聚焦透镜的离焦量将激光的焦斑调整到坐标系的基准点。系统要求的设计精度非常高，由靶场瞄准定位控制系统所引入的误差不过10μm，并且运动机构多且分散，对控制及监控系统在设计理论和技术方案实施方面都提出了很高的要求。适应这种控制要求的系统，一般称之为集散控制系统(DCS，Dist曲uted CONTROL System)。PLC以其特有的高性和不断增强的功能，使它在集散中发挥着越来越重要的作用，并且有取代Dcs控制器的趋势。 

1 控制系统的功能和结构

根据物理实验的要求，原型装置的靶场系统需要将12束激光从真空靶室的上方和下方以一定的角度射入真空靶室并经三倍频器、聚焦透镜引导至靶点(激光在靶场将依次经过大口径反射镜架模块、终端光学组件模块)。以此为基础，针对核聚变的性物理问题展开探索性实验研究。

光学组件运动控制系统包括反射镜架模块与终端光学组件模块两大部分，共同调节12束激光准直至物理实验靶的位置。图1给出了控制系统的结构框图。运动控制系统的设计功能是，“本地控制”工控机(IPC)根据“远程集中控制”系统的指令完成各个光路的准直调节，状态监控，参数和重要数据记录等工作，从而为激光发射做准备。

图1 系统结构框图

由于控制电机数量较多(48台伺服电机和48台真空步进电机)，而且空间位置分散，因此光学组件控制及监测系统采用了分布式控制技术，通过工业控制网络组成的过程控制系统和实时、的监控系统。由上位监控计算机对系统进行的监控和管理;由安装在现场的48台日本松下公司型号为FP-e的PLC控制器作为下位控制器与现场电气设备和执行机构直接连接，执行、有效、具体的分散控制。系统的上位IPC与现场的各PLC控制器距离通常较远，为保证系统的性，采用RS485标准总线网络进行，这样就构成了分布式控制网络。由于采用了网络拓扑结构，系统扩充非常方便灵活，可适用不同规模系统的控制要求。

系统的控制器和执行机构较多，因此，在设计控制箱时采用了模块化的设计思想。每路激光的控制由8个运动轴单元构成：引导反射镜俯仰轴和侧摆轴，投射反射镜俯仰轴和侧摆轴，倍频器俯仰轴、侧摆轴和滚动轴，以及透镜移动轴。每路激光的电机控制集中在两个控制箱中，分别称作反射镜架控制箱与终端光学组件控制箱，作为分布式控制网络的终端。每一个运动轴的控制由PLC、驱动器、电机、通讯适配器等组成.各控制箱与工控机之间同RS485总线进行信息传递系统的硬件配置如图2所示。工控机将位置指令发送给PLC，经驱动器功率放大后由电机带动精密丝杠螺母副驱动反射镜及终端光学组件运动。各运动坐标的限位置由接近开关检测，以开关量信号形式输入PLC进行处理.各光路反射镜、倍频器和透镜的调整电机可同时工作。

图2 控制系统硬件配置示意图

2 系统通讯

系统采用RS485标准总线，具有速度快(大位速率为10 Mbps)，传送距离远(90 kbps速率下可传输1200 m)的特点。RS485以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。各节点下位PLC均带有RS485通信接口，在本系统中上位IPC通过RS232/RS485接口转换器提供上位机网络节点。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。　在1∶N通信方式下，每台PLC被分配不同的地址，上位机与PLG采用统一的通信协议，上位机发出呼叫并启动通信。上位机通过RS485网络广播自己所要求的下位PLC地址，所有PLC都收听广播，记下广播地址。各PLC把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的PLC为被选中的下位机，其余PLC皆为未选中的下位机，暂时从网络上隔离。网络上只剩下主机与选中的PLC，按主从式的通信过程进行通信。上位机采集PLC数据后根据新收到的数据刷新监控画面。

上位IPC与下位PLC既相互通信构成一个完整的信息系统，又能彼此立工作，一旦上位IPC出现故障，下位PLC可脱离上位机立工作，确保现场设备、连续的运行。

本系统所用控制变量较多，共需1500多个，因此，IPC与各PLC之间的通讯采用了北京亚控公司的组态软件组态王6.5开发。组态王把每一台下位控制器看作是外部设备，在开发过程中按照一定要求完成设备配置过程。在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的率，又使系统能够达到很大的规模。组态王通过串行口与PLC进行通信，访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了L/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、数据记录和报警提示。

3 系统软件开发

3.1 远程服务器通讯模块开发

本地控制工控机与远程服务器端采用基于TCP/IP协议的SOCKET技术进行通信，由VC++6.0编程工具开发。本地控制计算机在5002端口侦听远程服务器发来的数据包，远程服务器在5003端口侦听本地控制工控机发去的数据包。通讯模块的主要功能有两个：接受总控服务器发送来的数据包并进行解析;对要发送的信息构造数据包并发送，IPC与远程服务器之间的通讯数据为二进制格式，长度不固定。数据包由发送者识别号、接收者识别号、功能代码、参数长度、参数内容等5个部分共(16+N)个字节组成。OPC(OLE for Process CONTROL)在当今的过程控制领域是一种非常流行的数据交互技术。下位控制器与系统通讯模块的连接通过0PC接口实现。VC编程调用组态王提供的OPC动态链接库接口函数，实现了下位控制器与远程服务器的通讯。

3.2 PLC系统控制模块开发

下位控制器采用状态设计法编制程序梯形图。系统的运行和故障联锁全部由PLC控制，以提高系统的性;在软件设计中添加了各种联锁条件，使各动作间能够严格确保相互约束或定时关系;通过建立适合的状态标志位，实现了识别及处理故障的能力。控制程序从功能上可分成4个模块：1)开机画面设置及初始化模块;2)手动模块;3)报警、限位处理模块;4)自动模块。

3.3 上位机软件设计

组态软件KingView6.5由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVew两部分组成，具有强大的图形编辑功能。运用开发环境TouchMAK设计软件，软件实现的系统功能包括：显示工艺流程图和各种参数实时测量值;实时修改下位机所需的各种参数的数值;上位机和下位机之间的通讯管理;实时显示故障报警画面;实时数据库和历史数据库管理;生成系统日志报表;将过程监控站中的各类实时数据、画面、图表等信息存入本地的网络服务器中。采用Access数据库保存历史记录，数据库中当天的操作记录在一个数据表中，数据表以用户名、年、月、日命名。TouchVEW是显示TouchMAK中建立的图形界面的运行环境。上位机监控系统运行时运行TouchVEW进控主画面，各设备的状态就以动画的形式形象的表示出来，通过主菜单或各画面的功能键，操作人员可方便地切换各画面，获得各画面具体的监控数据。

4 结 语

本文研究的基于PLC和组态软件的光学组件自动控制系统，利用了PLC性高、抗干扰能力强的特点，又利用了组态软件强大的数据处理和图形表现能力，融合了较的自动化技术、计算机技术、通讯技术，具有性高、操作简单、维护容易等特点。该方案已成功应用于激光惯性约束核聚变靶场光路系统的设备监控，了满意的效果，其控制原理对其他分布式控制系统具有一定的借鉴作用。

 0 引言

在过程控制中，由于工业现场非常分散，I/O点数众多，各种仪表的工作环境非常恶劣，采用数据采集卡和LabVIEW开发平台来完成现场的数据采集和控制显然不可取。考虑到过程控制中的过程参数变化不是很快，而PLC恰恰可以克服数据采集卡在过程控制中的不足，并且具有较高的性价比，因而采取以PLC为下位机，以装有LabVIEW软件的工控机为上位机开发平台。通过RS-232和RS-485串口与PLC通信，实现对工业现场的监控与现场数据的分析。本文根据这个思想设计了一个工业远程监控系统，上位机采用PC机，下位机采用西门子PLC S7-200。介绍了一种在LabVIEW 8.6平台上开发PC机和PLC实时监控的软件的编程方法，在此基础上构建了基于PLC的主从式虚拟仪器测控系统。

1 系统构成与自由口通信模式

1.1 PC与PLC的通信方式

S7-200 CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器。PLC还提供了实现RS-485与PC机上RS-232相连接的PC/PPI电缆，可以方便地实现S7系列PLC与PC之间的硬件连接。图1是PC与PLC通信的示意图，利用主机上的232串口，通过RS232-RS485转换模块与PLC相连。系统中如果应用多个PLC模块或其他具有RS485串行通信能力的设备，亦可方便地联网或构成网络测控系统。

1.2 PC与PLC的通信协议

西门子S7-200系列的PLC可以在四种通信模式下工作：PPI、MPI、PROFIBUS-DP和自由口通信模式。自由口通信模式是由用户程序来控制CPU的串口通信。用户可以利用发送/接收中断、发送/接收指令来控制通信的操作，实现与打印机、条形码阅读器等设备的通信。

本文主机与PLC之间串行通信采用的是自由通信协议。该协议采用主从结构的通信方式，传输模式是RTU，适用于半双工的RS485总线。协议规定总线上有一个主机，多个从机，每个从机分配惟一的地址。工作时可以采用命令应答的通信方式，每一种命令帧对应着一种应答帧。主机向要访问的从机发出命令帧，匹配的从机做出响应，向主机发出命令帧对应的应答帧。自由通信协议中，为命令帧定义了许多功能码，不同的功能码要求从机进行不同的响应。PLC在将传感器信号转换为数据后将其存储在变量存储区的固定区域。此时PLC的串口一直处于接收状态，直到接收到来自上位机的读命令后，转为发送状态，将变量存储区中的数据通过串口发送给上位机。考虑到收发切换有一定的时间间隔，所以延迟一段时间再转为发送数据。

1.3 自由口模式的注意事项

自由口模式通信要注意以下问题：

(1)CPU通信口工作在自由口模式时，通信口就不支持其它通信协议。CPU停止时，自由口不能工作，编程软件就可以与CPU通信。

(2)此通信模式下，发送和接收指令是程序的指令，用户程序不能直接控制通讯芯片而通过操作系统。

(3)用户程序中应考虑电缆的切换时间。CPU接收到RS-232设备的请求到它发送响应的延迟时间大于等于电缆的切换时间，可用定时中断实现切换延时。

(4)在自由口模式下，通信双方的通信参数是由用户自行设定的，通信双方的波特率一定要设置相同。另外，在PLC网络中主站个数越少，通信速度越快：波特率越大，通信速度也越快，但抗干扰能力降低。因此对于本系统这种单主站的网络，要注意波特率不宜设置得过大。

2 虚拟仪器程序设计

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的虚拟仪器开发平台软件，功能强大、灵活，广泛应用于自动测量系统以及工业过程自动化等各个领域。

在LabVIEW编程语言中串口通信采用虚拟仪器体系结构VISA (Virtual Instrument Software Architecture)标准编程。VISA是仪器驱动的一个工业标准，其内部是一个面向对象的结构，这一结构使得VISA和在它之前的I/O控制软件相比，在接口无关性、可扩展性方面都有很大提高。VISA标准的推出，统一了仪器工业的软件接口标准，使得仪器驱动程序兼容性强并且可适应未来软硬件的发展需要。

2.1 LabVIEW中的串口通信函数

(1)VISA配置串口。该函数主要用于串口的初始化。主要参数如图2所示。

其中“VISA资源名称”要打开的资源。该控件也可会话句柄和类。“波特率”是传输速率，默认值为9600。“数据比特”是输入数据的位数，默认值为8。“奇偶”要传输或接收的每一帧所使用的奇偶校验。“停止位”用于表示帧结束的停止位的数量。“流控制”设置传输机制使用的控制类型。 “VISA资源名称输出”是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。

(2)VISA读取函数。该函数为串口读取子程序，从串行设备读取数据，为后续的数据处理提供条件。主要参数如图3。

其中“字节总数”是要读取的字节数量。“读取缓冲区”包含从设备读取的数据。“返回数”包含实际读取的字节数。

(3)VISA写入函数。该函数为串口写子程序，用于对串口设备进行写操作。主要参数如图4所示。

其中“写入缓冲区”包含要写入设备的数据。“返回数”包含实际写入的字节数。　此外，LabVIEW中与串口通信有关的还有VISA关闭函数与VISA串口字节数函数，分别用于关闭串行设备的任务或事件和计算进入串口缓存区中的数据字节数。

2.2 LabVIEW与PLC串口通信实现

按照通信协议使用的九芯插头和PC/PPI电缆，将PC机的COM1口与S7-200的自由通信口直接连接。由于电缆上带有RS-232/RS485电平转换器，连接十分方便。LabVIEW进行串口通信的基本步骤为：

(1)初始化端口。利用VISA配置串口函数设定进行串口通信的端口号、波特率、停止位、校验、数据位。

(2)读写端口。利用VISA读串口函数和VISA写串口函数从串口中读入或输出数据。由于LabVIEW的串行通信子程序只允许对字符串的读写，因此在数据处理时，进行字符串与数字之间的正确转换。

(3)关闭端口。当对串口操作完成后，需要关闭串口，以释放硬件资源。

3 串口通信实现

按照上述过程，设计了监控系统程序，程序框图与板分别如图5、图6所示。

其中PC机与PLC串口通信程序结构分为3个部分：

(1)串口初始化。根据通信协议设定，通信端口：COM1，波特率：9600bps，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，无软件握手协议。

(2)发送命令和读取响应将命令通过串口COM1发给PLC，并接收来自PLC的响应信息，如果响应正常(状态信息为O1或02)，就将所得数据做显示、计算分析、存储等后续处理，以便用于设备实时控制和在线状态监测;如果响应不正常则退出程序(03或04)，用户重新输入命令开始工作。

(3)关闭串口。调用LabVIEW提供的VISA关闭串口函数实现串口资源的释放。

当程序运行时，LabVIEW向PLC发出一个读请求，然后检测输入缓存中的字节数;当达到预定字节数时，LabVIEW利用读串口函数将输入缓存中的字节一次性读出，然后继续发出一个读请求到PLC。如此循环，直至结束。本程序还采用了状态机的方法进行状态的判断和选择。

4 结论

PLC自由口通信方式具有与外围设备通信方便、自由，易于微机控制等特点，这一通信方式被越来越多的监控系统所采用。利用PC机或工控机的串口，按照自由通信协议，结合地址映射技术在LabVIEW平台上开发出串行通信模块，可以很方便地实现主机与PLC的串行通信，对PLC的内存单元进行读写操作，从而实现对PLC的监控。本文所提出的设计能够方便地应用于基于PLC的工业监控，具有开发方便、扩展灵活的优点。