西门子模块6ES7314-6EH04-0AB0参数方式

西门子模块6ES7314-6EH04-0AB0参数方式

小型PLC一般都提供脉冲功能，但不提供模拟量伺服接口。在液压驱动位置控制及其它位置闭环控制场合，常常需要模拟量接口。利用小型PLC内置的高速计数器、脉冲定位功能、PID调节功能和模拟量转换模块通过建立合理的控制模型和适当的参数调整实现了模拟量接口伺服控制功能。在一些工业控制场合，这种控制方式具有一定的使用。

1 引言

目前，大多数PLC都提供位置控制功能。在小型PLC中，对于简单的点位控制，都内置了这种定位功能。硬件上提供2～3个高速脉冲输出口，软件上则提供了相应的指令。对于较为复杂的定位控制功能，小型PLC提供扩展模块。不管是内置的定位功能，还是扩展定位模块，PLC输出的定位信号都是脉冲信号，下位的伺服驱动单元提供脉冲输入接口来接收来自PLC的定位脉冲信号，从而完成定位驱动。

在小型PLC中，并不提供模拟量接口的伺服驱动控制功能。但是在工厂自动化应用实践中，常常需要模拟量接口的伺服驱动控制。如液压油缸的位置控制中，伺服阀的速度信号是正负10 V的模拟电压信号，小型PLC在这种应用场合就遇到了困难。再如，如果需要实现全闭环的位置伺服控制，小型PLC也缺少相应的控制对策。针对这一问题本文所讨论的是如何利用小型PLC已有的内置功能和扩展模块，用各类小型PLC通用的方式，以的成本、简洁的硬件配置、简单的软件编制，地开发小型PLC的潜力，使小型PLC在这一控制场合发挥作用，实现模拟量接口的位置伺服控制。下面以三菱FX3U小型PLC为例进行讨论。

2 控制方案

2.1位置伺服经典控制方式

图1是传统的位置伺服控制原理结构框图。来自插补器的指令脉冲与来自实际位置测量回路的反馈脉冲进行比较，得到位置跟踪误差厶。该误差值反映了指令位置与实际位置之间的差值大小及方向(即可正可负)。由于后续的位置调节器是一个模拟元件构成的调节器(例如由运放构成的模拟Pl调节器)，所以作为位置调节器的输入信号，该误差值需要通过D/A转换成直流模拟信号。位置调节器的直流输出电压U。，是速度单元(即驱动单元)的输入信号。速度单元驱动运动部件前进后退，其速度由电压U。确定。在这个传统的位置伺服控制框图中，其是位置调节器，关键的控制过程就是位置调节器对位置跟踪误差进行调节控制，使运动部件的运动位置量尽可能接近指令位置值。

2.2小型PLC所构成的伺服控制模型

上述传统的位置伺服控制原理对于我们有很大的启发意义。上述控制原理框图中的一些控制单元在大多数小型PLC中都有对应资源或器件，我们可以根据位置伺服控制原理和小型PLC现成的资源来构建一个、有实用的伺服控制系统。

图2为PLC位置伺服原理框图。与传统的位置伺服控制结构框图相比，位置调节器和D/A转换单元的位置换了一个位。这是因为在PLC中位置调节控制不可能是模拟式的，而一定是数字式的，是用PLC指令来实现的。所以位置调节器必定接受数字萤信号。在图2中，虚线部分是在PLC中实现的。PLC发出的指令脉冲与来自位置测量元件的位置反馈脉冲比较，其差值输入到位置调节器，调节器的输出信号经D/A模块输出到外部的伺服驱动单元。

3 PLC位置伺服系统硬件配置

图3是根据小型PLC现有的硬件和软件资源构建的一个具体的硬件配置。小型PLC一般都提供2～3组2相高速计数器接口，频率一般在50 kHz以下。该接口可作为位置反馈接口。测量元件采用脉冲编码器或光栅等，其输出的位置信号为脉冲，电路接口为开路集电输出，以与PLC的高速计数器接口配合。经PLC内部位置调节器处理的速度控制量通过D/A转换模块输出到伺服驱动器。在上述硬件配置中，高速计数器接口是PLC内置的，D/A转换模块也是常用模块。

4软件编制

根据上述分析，我们确定了控制模型和硬件配置。软件编制的是通过指令构建所确定的控制模型，并与相关的硬件相结合，终完成控制任务。

4.1指令脉冲的产生

在小型PLC中一般内置定位指令。以三菱FX3U系列PLC为例，提供两条指令：位置定位指令DDRVA和相对定位指令DDRVI。在指令DDRVA D10 D12 Y0 Y4或DDRVI D10D12 Y0 Y4中，DIO为目标位置(单位：脉冲)，D12为发出脉冲的频率，Y0为脉冲输出的端口，Y4是方向信号。在特殊数据寄存器D8348和D8349中设置频率上升和下降时间，D8340(双字)中存储当前位置值(单位：脉冲)。正常的使用方式中，Y0和Y1作为位置脉冲和方向信号输出到伺服驱动器中(这时伺服驱动器处于位置工作方式)。我们不使用Y0和Y1的信号，而是使用D8340中当前值，该值就是我们构建的伺服控制模型中需要的位置脉冲指令。

4.2 比较环节与位置跟踪误差

小型PLC内置高速计数器，三菱FX3U系列PLC中支持2组2相硬件高速计数器，编号为C251和C253。位置跟踪误差厶一指令脉冲一实际反馈脉冲一D8340一C251。所以比较环节可用一条双字减法指令来构成：DSUB D8340 C251D21。双字D21即为位置跟踪误差厶的当前值。

4.3位置调节器

前已叙述，位置调节器的主要任务是对位置跟踪误差进行调节控制，目标使实际反馈脉冲尽量接近指令脉冲，使位置跟踪误差趋于0。在小型PLC中，一般都内置PID指令。在这里，我们可利用这条指令来构建位置调节器。在三菱PLC中，PID指令的格式如下：PlD S1 S2 S3 D其中S1为目标调节值，S2为当前实际反馈值，S3为PID设置参数，D为经PID调节运算得到的调节输出值。S1～S3，D如用具体的数据寄存器来表示，则可表示为：PID D20 D21 D30 D60。当我们用该指令构建位置调节器时，D20为位置跟踪误差的调节目标，D20=0;D21为当前实际的位置跟踪误差，D21一As=D8340～C251。D30～D54为PID设置参数。D60为输出值。

在D30--一D54 PID参数中，D30为采样周期，D31设置动作方向等，D32为实际值输入滤波时间，D33为比例增益K。，D34为积分时间Ti，D35为微分增益K。，D36为微分时间L。D53为输出下限设置值，D54为输出上限设置值。输出量D60是D/A转换模块的输入信号，在三菱D/A模块的D/A转换数字范围是一2 000～+2 000之间，所以D53，D54应分别设置为一2 000和+2 000。对应输出电压为一10 V和+10 V。

4.4 D/A转换

D/A转换可利用小型PLC输出正负电压的D/A转换模块，在三菱FX系列PLC中，使用FX2N一4DA转换模块。用一条指令来完成这个转换：TO K0 K1 D60 K1，即将D60中的数据写入1个扩展模块的1个D/A通道中。

4.5范例程序

图4是以三菱FX3U系列PLC为平台编制的范例程序，比较简单，但能实现基本的位置控制。如果要实际使用，还需要增加一些辅助程序。限于篇幅，在此不作详细介绍。

在上面的程序中，我们把比较环节、位置调节器和D/A转换部分都放在10 ms定时器中断程序中，原因后面介绍。

5位置环参数及其它参数调整

在完成了硬件配置和软件编制后，要使系统正常工作，正确合理地设置D30～D35之间的PID参数及其它相关参数，如采样周期、输入滤波时间、比例增益K。、积分时间Ti、微分增益Ka、微分时间L、加速度等。作为一个建立在小型PLC基础上的位置伺服系统，对于包括位置调、位置跟踪误差、响应速度、振荡等一系列位置调节特性，一方面需要研究PID参数与调节特性的关系，重要的是通过实验来验证和摸索其控制规律和参数配合。实验平台如下：FX3U一32MT主机、FX2N一4DA模块、伺服驱动器MR—J2S及伺服电机。位置反馈脉冲采用伺服驱动器输出的脉冲，每转1 ooo脉冲，电机转速为3 000r/min。由于其脉冲输出电路为RS422型，所以用了一个转换电路将其转换成集电开路输出的电路以与PLC高速计数器输入接口匹配。 

5.1采样周期L

采样周期T。应远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间，为使在每次采样中及时反映位置跟踪误差的变化情况，应使采样周期尽量小。但是在小型PLC中，一般PLC的扫描周期在几十ms之问。所以如果将位置调节器程序块编制在主程序中，则采样周期不可能设置为小于PLC扫描周期的值。为了解决这个问题，可将位置调节器程序块编时器中断子程序中。所以在的范例程序中，我们使用了10 ms的定时器中断，并将位置调节器的相关指令编制在1610中断子程序中。在这里采样周期L取10 ms。在实验中，10 ms的采样周期是能满足控制要求的，试验效果相当好。

5.2比例增益Kp

比例部分的值为&×K。，在时间上与位置误差没有滞后，所以能即时产生调节作用，具有调节及时的特点。K，越大，调节作用越强。但是在实验中将K，值增大到400%时，系统发生振荡，不能稳定工作。当取K。一300%时，系统工作稳定。

5.3 积分时间T1

积分的作用是误差。积分时间较小时，调节时间较小，有利于快速误差，提高控制精度。但是会引起定位结束时位置调量增加。反之积分时间增大时，则位置调量减小，但位置跟踪误差会增加。

5.4微分增益Kd和微分时间死

在本案中，没有使用微分功能。

5.5位置跟踪误差和位置调

在实验中，当比例增益K。一300%时，积分时间取5 ms时，位置跟踪误差小，在5个脉冲左右。完成时，跟踪误差接近0。但存在两个问题：在定位启动时，位置跟踪误差较大;完成时调量较大，约有15个脉冲。为解决这两个问题，适当增加脉冲指令的脉冲频率上升时间和下降时间。上升下降时间增加后，频率上升段的跟踪误差及结束时的位置调量明显减小。

6 应用场合

通过上述理论分析和实验验证，基于小型PLC的模拟量接口位置伺服控制方案是可行的。这种控制方案，从工厂自动化使用环境而言，有下列2个实际应用场合。

6.1 液压驱动设备双油缸同步驱动控制

在锅炉制造设备中，有些设备有2个油缸需要在两端同时驱动，要求保证两油缸运动的同步性。油缸的控制采用电液伺服阀，接口信号为O～±10V模拟电压。该电压信号可控制油缸运动速度。位置测量元件为光栅，与油缸平行安装，构成全闭环位置控制系统。图5是其控制系统框图。PLC的两路2相高速计数器作为2根轴的实际位置反馈检测，在PLC内按照介绍的方式建立2个数字式位置调节器。为了实现两轴同步控制，二轴指令脉冲具有相同的目标位置、相同的频率、相同的频率上升和下降时间。由于指令脉冲基本是同步的，所以只需保证二油缸在运动过程中其位置跟踪误差在一定范围内，那么二油缸的同步运动是可以保证的。

6.2构建半闭环或全闭环位置伺服系统

在PLC给出定位脉冲+伺服驱动器(工作在位置方式)的控制模式中，当运动部件在运动时，控制器并不知道运动部件当前的实际位置，所以对于控制器而言，是一个开环位置控制系统。我们可以将这种控制方式改成本文所讨论的控制方式，将运动部件的当前位置反馈输入PLC。

当使用脉冲编码器作为位置测量反馈元件时，构成半闭环位置系统;当使用光栅作为位置测量反馈元件时，则可构成全闭环位置系统。

7 结束语

本文充分利用小型PLC的内置功能和现成的功能模块，构建了一个基于小型PLC的模拟量接口位置伺服系统。这为模拟量接口的伺服驱动单元与小型PLC配合提供了一种思路和方法。但以这种方式构建伺服控制系统，与中大型PLC模块相比，其控制性能相对差一些。比如，在位置调节器采用PI调节时，在定位结束时存在一定位置调量;而当位置调节器采用P调节时，则位置跟踪误差较大。所以这种控制方式仅适用于一些定位精度和性能要求不高的控制场合。

为了实现S5 PLC与S7 PLC之间稳定的点对点通讯连接，在新老设备之间采用直接连接没有达到生产要求的情况下，我们采用了3方多协议网关通讯设备，在新老设备之间建立了间接的基于多协议网关的连接。实现了西门子S5 PLC与S7 PLC之间基于RK512协议的串行通讯，不仅达到了生产要求而且实现了生产管理系统的平滑升级。由此可见对于设备之间由于不明原因或者兼容性引起的通讯问题可以通过采用3方设备来快速解决。






1 引言




西门子S5系列PLC在我国工业生产中运用广泛，然而随着时间的推移和生产规模的不断扩大，目前这些运行中的S5 PLC有些已经逐渐无法适应新的生产需要，而且西门子公司已经不再生产S5系列PLC，一旦这些PLC某些部件发生故障将很难找到可替换的零配件。因此一些企业急需将原有的S5系列PLC升级为S7系列或者其它的PLC。然而在某些生产环境中为了保证生产的连续性，不可能将所有的S5 PLC一次性全部替换，只能通过逐步、分级替换的方式来完成。在替换过程中新老PLC之间的通讯问题是能否完成新老PLC系统之间无缝连接以及系统升级能否顺利完成的关键。




本文主要论述了一种用于在特殊情况下解决S5 PLC与S7 PLC之间实现点对点通讯的解决方案。




2 项目概述




某公司立体仓库用于负责该公司产品的中转和储运工作，是保证整个生产能够顺利进行的关键环节。该自动化仓库采用的计算机网络监控方案，将整个生产过程分为o，1，2共3级进行管理。




其中，2级为计算机管理级别，负责生产任务的设定、管理，生产数据的维护、数据库的管理和维护、监控状态显示等功能，是整个中间库监控系统的大脑。




1级系统为西门子S5—155H PLC，负责将2级计算机产生的控制任务转化为0级系统能够识别的具体的代码，并将该代码发送给0级系统，调度0级进行相应的工作。同时，实时接收0级系统发送来的当前状态和任务执行情况，并将其传送给2级的计算机管理系统。1级PLC与2级计算机之间的通讯是通过以太网方式进行的，和。级之间的通讯过程是通过点对点通讯进行的。1级系统相当于自动化仓库中的神经系统。




o级系统为多个西门子S5系列PLC，具体控制各个不同的动作执行机构完成各项出入库任务。0级系统接收从1级PLC发送来的经过转换的代码，根据已经编制好的程序执行具体的动作过程，并将自己的工作状态通过1级PLC反馈给2级系统。当一项任务完成后，0级PLC将进入等待状态，等着2级安排新的任务。0级系统相当于整个系统的手和脚。




由于长时间大负荷运行以及设备老化等原因需要将1级管理系统的S5 PLC全部升级为功能为强大的s7—400 PLC。在改造过程中要尽量避免对0级和2级系统程序的改动，而且新的S7—400 PLC要能够和O级的S5 PLC协调工作保证生产的正常进行。并且还要保证将0级PLC换为S7—400 PLC后，O级和1级PLC协调稳定的运行。




3 项目实施中关键问题




系统升级的关键是解决新1级系统S7—400PLC和O级系统以及2级系统的通讯问题。由于原系统中O级系统S5 PLC的CPU配置为155U;点对点通讯为CP544(3964R通讯协议，RK512报文)，和1级系统之间使用的是点对点连接方式，1级系统和2级系统之间采用的是以太网连接方式。因此1级系统的S7—400 PLC CPU选用416—3;点对点通讯模块选用CP441—2加两个20mA电流环接口(3964R通讯协议，RK512报文);以太网模块为CP443—1。CP441—2模块通过RK 512协议与。级PLC通讯，CP443—1模块通过以太网与2级系统进行通讯。




但是在进行小规模试验的时候发现S7—400和S5进行点对点通讯的时候，短时间内运行没有问题，但是如果连续数天长时间运行的时候偶尔会出现丢失数据包的现象，这在24 h不间断的进出库操作过程中是不允许出现的，在去除了试验环境内所有可能的干扰源后，问题依旧存在。




4 解决方案




我们所采用的RK512协议包含物理层，数据链路层和传输层。每一个命令报文都有一个响应报文，保证数据的无差错传送，而且该通讯协议采用类似客户机服务器的通讯模式，通信的主动端通过“FETCH”读出被动端的数据，通过“SEND”修改被动端的数据。而且该协议目前主要用于与S5 PLC的串口进行通讯。




因此从通讯协议的选择上来说是正确的，不是协议本身的问题造成通讯过程中的丢包问题。于是我们从硬件方面的问题去查找，但是通过替换法检查，无论是S5还是S7—400 PLC通讯模块本身都没有问题。因此初步认为是由于西门子S5与S7—400之间点对点通讯模块存在某些不兼容的环节。我们决定通过3方产品来实现S5与S7—400之间的间接通讯来解决这个问题。




通过查找发现WoodHead公司的产品可以进行各种常见通讯协议的转换，实现不同设备之间的通讯过程。基于这一点考虑，相同通讯协议之间进行通讯应该也可以实现。了一套测试方案并得到了一个GT4010网关进行S5和S7之间的点对点通讯测试。




GT4010 4串口网关(型号：APP—GTW—S4R)，每个通道内配置20 mA电流环通讯接口。GT4010通讯网关的通讯原理是通过不同的接口电路如20 mA电流环或者Modbus，连接支持不同的通讯协议的通讯节点，将需要进行通讯的数据采集到自己的数据库中，经过协议转换后再发送到目的节点上，如图1所示。








通过串口通讯配置软件GT4010 Con—sole如图2所示，可进行端口协议配置和数据自动读写功能。测试系统连接图如图3所示。








s7—400通过CP441—2点对点通讯模块与G，r4010进行连接，为此在CP441一侧需安装9632电流环接口模块，在GT4010一侧需安装5BC20电流环接口模块，具体的接线形式如图4所示。








S5—155与GT4010的连接是通过CP544(或者CP525)进行的，其接线形式和CP441类似。具体接线形式如图5所示。 


 








5 系统测试




为了能够测试整个通讯系统工作的情况，设计了两种通讯工作形式：方法1分别在S5和S7上编制点对点通讯程序，以S5和S7为数据收发的主动方，主动向GT4010发送和读取数据，GT4010只作为数据中转站使用;方法2以GT4010作为数据收发的主动方，在S5和S7上没有通讯程序，由GT4010直接读取和写入相应的数据块中，GT4010作为数据通讯网关使用。




为了能够真实检测通讯效果，在测试时间上，确定为8 h，一周5 d不间断大数据量的数据读取，这样的工作强度过了改造后实际系统的工作状况。如果在这样的测试中系统能够满足要求，那么在实际工作状态下应该可以实现系统设计要求。




两次的测试分别用了一周时间完成，通过监控STEP7中的目的数据块中的数据变化过程，没有发现有数据中断、丢失、错误等情况，系统实现了设计要求，能够满足实际工作环境下的应用。在这样的结果基础上，方法2应该是的工作形式，因为这种方法充分发挥了多协议网关作为通讯网关的优势作用，减轻了PLC的通讯编程负担，释放了CPU的资源，使得PLC可以完成多的控制工作。而且，这种工作方式，通讯网络结构简单，不仅可以实现点对点通讯还可以实现一点对多点和多点对多点的通讯，而且使网络功能划分合理，简化了网络结构，提高了系统的性。

0引言




近年来，电子产品越来越小型化，对电子器件的外形尺寸要求也越来越高，SOT.23就是晶体管小型化中的一种封装，其外形只有一粒米大小，被广泛地应用在平板电视、手提电脑、手机等电子产品中。自动粘片机是SOT一23封装中的关键设备，目前设备依赖进口，一台设备动辄几十万，甚至上百万元，让很多生产TO.92封装的企业对投资SoT-23望而却步，因此改造现有设备，使产品升级换代就显得颇为迫切与重要。




SOT一23封装与TO一92封装的主要区别在于：TO-92封装采用条状框架，框架硬，焊盘大，粘结一个芯片之后就进位一次，SOT一23封装则常采用卷带框架，框架软，焊盘小，且框架容易氧化，通常粘结几个芯片之后才进位一次。南韩KDB-140自动粘片机原来生产TO一92封装，为了能生产SOT一23封装，在设备原有基础上进行主机结构与自动控制系统设计。




1主机结构




KDB一140生产TO一92时，条状框架从上料器中逐排分离出来，然后进入轨道，粘结完芯片之后，进入卸料器，以便送到下工序中。生产SOT·23时，盘状卷带框架慢慢释放，进入封闭轨道中，粘结完芯片以后在自动切断机中切成条状，然后再送到下道工序。由于框架不同，生产TO一92时的上料器、轨道和卸料器都要被拆除，重新设计放带机构和封闭轨道。




1.1放带机构设计




SOT一23框架厚为0.1mm，非常柔软，一般是卷在一个塑料筒轴心上，为了防止框架变形，每层框架之间用一层纸隔开。工作时将卷带插在一个交流电机带动的轴上，框架一头伸进封闭轨道内，由进料器电机拖动框架向前运动，卷纸一头盘绕在由力矩电机带动的转盘上，力矩电机一直通电。当上限传感器感应到框架时，交流电机动作，卷带缓慢地释放出来，同时力矩电机开始收紧纸带，直到下限传感器感应到框架，交流电机和力矩电机才停止运动。为了防止框架释放进程中，由于卷带盘卷得太紧或太松，造成框架释放不出来，或一次释放得太多，造成框架变形，在框架释放路径上设置了2个接地传感器，平时处于高电位，当框架碰到任一个接地传感器时，相应传感器变成零电位，机器立即停机报警，整个放带机构结构如图1所示。








1.2封闭轨道的设计




SOT·23框架平放在封闭轨道内，在轨道出口处有一个伺服电机，当一列框架完成芯片粘结后，电机立即运转，拖动框架向前运动，在轨道入口处安装了一个对射型光纤传感器，当框架前进一个节距时，光纤传感器感应到框架的定位孔，立即控制电机停止。SOT·23封装一般在410-45013的高温下采用共晶粘结，框架在高温下易氧化，因此在封闭轨道内按19：1的比例通AN，和H，混合气体，保护框架不被氧化，整个封闭轨道的结构如图2所示。








2控制系统设计




2.1硬件结构




KDB一140自动粘片机原有的上料器、轨道和卸料器在开机和运行过程中，有自检和运动，它们与整机运行之间有一定的时序和配合关系?，当这3部分被拆除之后，由于其相应的控制电路和程序与整机固化连接在一起，不能改。因此需要通过PLC来接收传感器的信号，并按照整机运行时的时序要求，及时将信号反馈给粘片机，使自动粘片机能正常运行。




由于一般PLC采用DC24V电源，粘片机控制电压使用DC5V电源，为了防止干扰，保证粘片机动作，对PLC与粘片机之间的信号连接采用P521进行光电隔离。新增加的放带机构和封闭轨道的进位电机运动也由PLC控制，放带机构的任务是保证在框架的基础上，及时为进位电机进位提供框架。为了配合整机运动时序，进位电机的起始信号取自原机的条状框架进位信号，由于原机的进位信号为5V的脉冲信号，脉冲时间为200ms，为了防止信号干扰产生误动作，PLC通过光电隔离对原机的脉冲信号计数，当数到5个脉冲之后，PLC以高的频率给封闭轨道进位电机发出脉冲指令，力保在200ms之内，光纤传感器能感应到框架的定位孔，从而能按照时序要求准确地进位，PLC接口及硬件结构如图3所示。








由于PLC需要对原机进位高频脉冲计数，并要发出高频率的脉冲信号，根据输入输出总点数，实际选用FXlN-。oMT PLC，其高速计数器可以捕获60kHz的脉冲，高速输出响应达到100kHzl21。




2.2程序设计 


 




KDB-140粘片机开机时，按顺序对所有传感器状态都要进行检测，各运动部件相应地回到原位，当检测到上料器、轨道和卸料器时，PLC发出信号给对应的传感器接口，使自动粘片机主机认为相应部分的动作已经完成，开始下一部分检测，直至所有部分检测完毕，进到工作状态。




自动运行中，当PLC检测到粘片机5个进位脉冲信号时，立即发出高频脉冲，使框架在封闭轨道内行进一个节距，以便粘结芯片;当SOT.23框架行进到接近放带机构上限传感器时，放带机构同时动作，将框架源源不断地释放出来，直到下限传感器感应到框架才停止，如此不断循环，整个控制流程如图4所示。








3结论




一台设备改造总共约需5万元人民币，机器产能与产品质量维持原有水平，机器开机、操作过程不变，运行，满足了企业产品升级换代的需要，具有进一步的推广，现已有多台同类型的设备改造后投入生产。