西门子模块6ES7331-7KF02-0AB0支持验货

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、系统硬件

在张力控制系统的设计中，采用西门子S7-200系列小型PLC作为逻辑控制，通过它来控制复合机生产过程中的各个环节。通过对磁粉制动器和直流拖动电机的控制，实现生产过程恒张力控制。根据复合工艺流程顺序，整个张力控制系统也可以按不同工艺过程分为如下4个部分来处理：

3.1 放卷控制

1、放卷过程结构

放卷过程张力控制分为两段：纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节制动力矩来满足张力恒定。张力传感器检测负载张力，经过张力信号放大器以后，送到控制器中。控制器综合给定和反馈张力，输出控制信号，经功率放大器驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环控制系统。

2、输入输出信号

放卷过程输入输出信号流如图3所示。装在张力感应辊两端的张力传感器把感应压力转换为电压信号，经过放大变成0～10V标准信号，输入PLC模拟量输入口。在张力控制过程中，给定值与反馈值比较后，得到一个张力偏差量e（t），经PID算法子程序处理后，获得控制量u（t），经功放后驱动磁粉制动器，以此控制刹车的制动电流大小，进而控制刹车输出制动转矩，从而使放卷张力维持在一定的范围，实现张力的恒定。

1 引 言

    随着现代科学技术的发展，PLC己广泛地应用于工业控制微型计算机中。

    目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、性高、体积小的SIEMENS S-200可编程控制器 ，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。

2 工业机器人关节直流伺服系统

    工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。

    2.1 控制系统结构

    系统采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D／A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图1所示。

图1 机器人关节直流伺服系统结构示意图

    2.2 系统工作原理

    系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△ 型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

    控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR， 正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成(见图2)，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。

图2 工业机器人关节直流伺服系统原理图

    系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正， 电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和； 反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流， 因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响小。反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程， 因此， 电机停转时，系统的环流达大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。
3 系统程序设计

    程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性， 因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态

1 引 言

    随着水库水利工程“无人值班”(少人值守)工作的不断开展，对水库水利工程的自动化技术提出了高的要求。计算机技术、信息技术和现场总线技术的飞速发展给水电厂自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水库水利工程应该成为一个集计算机、控制、网络以及多媒体为一体的综合系统。

2 系统设计

    该工程自大伙房水库引水，通过隧洞和管道，采取封闭供水方式，向抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦六城市供水。输水管道总长度为259.13km， 沿途设取水头部，鞍山加压泵站(含配水站)和抚顺、沈阳1、沈阳2、 辽阳、营盘共5座配水站。

    当前，水利工程数据采集与监视控制系统(scada系统)一般采用开放式、全分布、分层式结构，设调度组、分级、和现场控制单元级(注：local control unit， 在本文中均以lcu表示)。

    项目根据功能和性价比原则选用罗克韦尔 controllogix系列plc作为水利工程信息自动化系统lcu控制。并以此对controllogix系列 plc的系统组成、特点和 controllogix系列plc在水利工程信息自动化系统中的系统结构、功能和应用作一些探讨。其系统结构原理如图1所示。

图1 水利工程信息自动化系统原理与结构图

2 基于controllogix plc的lcu

    lcu主要完成对被监控设备的就地数据的采集及监控功能，采用触摸屏作为现地人机接口。其设计能保证当它与主站级系统脱离后仍然能在当地实现对有关设备的监视和控制功能。当其与主站级恢复联系后又能自动地服从主站级系统的控制和管理，是水利工程信息自动化系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令后都在此发出，因此lcu是整个监控系统中重要的和性要求很高的基础级控制设备。

    controllogix系列 plc在某水利工程信息自动化系统的实现进行讲述。lcu主要实现以下功能：数据量采集(数字开关输入量、模拟输入量、温度输入量等)、设备控制(数字开出量等)、数据通讯(串口通讯、以太网通讯)、人机界面等。lcu系统结构如图2所示。

图2 lcu系统结构图

    为了提高系统的性，保证系统在恶劣环境下运行，lcu主控部分采用controllogix热备系统，采用1756-l63冗余系统。lcu各远程i/o单元采用contrlnet总线接入冗余cpu主控制器，为了提高性，contrlnet总线采用冗余介质。主控单元主要由cpu 1756-l63、contrlnet总线模件cnbr、以太网模件enbr、智能通信管理装置等组成。远程i/o单元主要由contrlnet总线模件cnbr、开关量输入模件、开关量输出模件、模拟量输入模件、模拟量输出模件等组成。

    在上述配置中，1756-l63是控制系统的，controllogix在简单易于使用的环境下，实现了的性能，堪称业内。controllogix控制器大存储容量可达8兆，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。可以根据应用要求，选用不同存储容量的控制器。compactflash卡可做程序的移动存储。多种处理器、多种通讯模块和i/o可以混合使用，不受限制。不需要处理器执行i/o的桥接和路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架。

3 结束语

    该自动化系统控制方案已被国内几个大型水利工程信息自动化系统所采用。从系统日常运行情况来看，该系统运行稳定，能准确、实时地反映水利工程设备的运行状态和参数，能准确、地控制现场设备；各项性能满足水利工程信息自动化系统的要求，且该系统维护简便，同时也为水利工程信息自动化系统的运行、维护减少了工作量及生产成本，为实现水利工程信息自动化系统“无人值班”(少人值守)的运行管理模式创造了条件。

1 引 言

    plc是近四十年发展起来的现代工业控制技术，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点和继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格等优点结合起来，并且其本身具有体积小、功耗低、性能稳定等特点，因而在工业生产过程控制中的得到了广泛应用，被称为现代工业自动化的三大支柱(plc、 数控技术、工业机器人)之一。

    对于输入输出点数比较少的系统可以不需要接口扩展；当点数较多时，需要进行输入输出扩展。不同公司的plc产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，就不得不使用网络结构，这既增加了系统的复杂度，也提高了系统成本。

    针对大量开关量信号输入的问题，以日本三菱公司的fx系列plc为例，本文设计了一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，借助于输入接口板，可以实现多个开关输入信号接入plc单个输入点，使用这种方法，对输入点数较多的控制系统，可以节省plc的输入点数，提高plc的信息效率效率，对降低控制系统成本具有重要意义。

2 硬件设计

    对于工业现场中经常会用到的开关、按钮等开关量信号，通常按照图1的配线方法接入plc的输入点，该方法以com端作为所有开关量输入信号的公共端，每一个开关或按钮接入一个plc的输入点。

图1 常用开关量信号接入方法

    为解决大量开关量信号输入问题，利用信号扫描原理，设计了一种基于组扫描输入的plc开关量输入采集方法，硬件结构如图2所示。图中以16个开关量输入信号为例，这16个开关量输入信号被分为4组，分别接入四块接口板(每块接口板可接入4路信号，通过二管输出)。通过接口板后，k1、k5、k9、k13均接入plc的x1输入端，依此类推，k2、k6、k10、k14均接入plc的x2输入端，k3、k7、k11、k15均接入plc的x3输入端，k4、k8、k12、k16均接入plc的x4输入端，16个开关量输入信号只占用了plc的4个输入端。

    4块接口板分别由plc的4个输出y1～y4选通(用虚线画出)，如当y1有效而y2～y4均无效时，接口板i被选通，此时k1～k4的信号被送入x1～x4，当y2有效而y1、y3、y4无效时，k5～k8的信号被送入x1～x4，另外两组信号的送入方法相同。在这种结构中，输出端y代替com作为公共端。

    这样每个周期扫描4次，可分4次将16个信号送到plc的输入端，每次扫描过后在程序中将x1～x4的状态转移到其他位置。16个输入信号仅占用了4个输入端和4个输出端，节省了一半的plc输入输出点数，在实际使用中还可以根据需要进行灵活扩展，获得高的使用效率。如若每块接口板上接8个开关量输入信号，4块板共接入32个输入信号，共占用plc的8个输入端，输出端仍然是4个。

    设计时要注意接口板中二管的选择，一定要选择质量高、稳定性好的二管，如果出现二管损坏或击穿的情况，将会出现输入信号不能被正确送入plc输入端或出现输入紊乱。另外输入信号的组数不宜过多，图2中是4组，若每次扫描时间间隔为100ms，则4次扫描的扫描周期是400ms，输入信号的延迟大可能达到400ms，若组数过多(如过10组)，会出现信号延迟导致系统的灵敏度下降。

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    在工业控制中，用PLC控制的工程在上/下位机通讯上一般采用RS-232/RS-485串口通讯，这种方法对于数据量较大，通讯距离较远，实时性要求高的控制系统，很难满足通讯需要。

    近年来随着计算机网络技术的飞速发展,网络化数控已经成为现代制造业发展的必然趋势, 控制系统正向虚拟化、网络化、集成化、分布化和节点智能化的方向发展。[1]许多大型PLC厂商生产的PLC都配备了相应的以太网通信模块，本文讨论了OMRON PLC的以太网通信体系结构，并以CP1H PLC的ENT2l以太网模块为例实现与计算机的通信。

    1、Winsock网络通信控件

    Winsock控件是不可视控件，它提供了访问TCP和UDP网络服务非常简便的途径，使编程人员开发客户/服务器应用程序时，不必了解TCP的细节或调用低级的Winsock API函数，只通过设置Winsock控件的属性并调用其方法，就可直接连接到一台远程计算机进行，并可实现双向数据交换。

    WinSock主要支持两种类型的套接字:①流式套接字（Stream Socket）也称面向连接方式,该方式对应的是TCP协议,其传输特点是通信性高,可以保证数据流的传输是的、有序的、无重复的,可提供双向的数据流,数据被看作字节流,无长度限制。②数据报套接字（Datagram Socket）又称无连接方式,对应的是UDP协议,这种方式不提供的正确性、有序性和无重复性,因为它支持面向记录的数据流。因此,传输的数据可能丢失和重复,并且接收顺序混乱,报文长度是有限的。考虑到本系统对通信性和正确性的要求很高,选用流式套接字方式。基于Client/Server模式的流式套接字通讯过程如图1所示。

图1 流式套接字进程通讯过程时序图

    2、Ethernet网络通信单元的设置

    在组建网络时，根据网络类型的不同，网络中的每个节点需要安装相应的通信单元，PLC上需安装Ethernet网络通信模块，例如0MR0N公司的CJ1W—ETN21以太网模块。应用之前必需对网络进行必要的设置，分为开关设置和CPU总线单元系统设置。

    开关设置主要包括以下几项内容：确定分配给CJ1W—ETN21单元的内存工作区（CIO区、DM区），该地址在CPU总线区，由UNIT No.开关确定ETN单元的单元号范围为0～F;NODE No.旋转开关设定两组l6进制数作为ETN单元在网络中的节点号，范围为O1～7E;IP地址设置网络号和主机节点号，由32位二进制数组成，分4段以十进制数表示。

    CPU总线单元设置主要通过编程设备如CX—Programmer软件或编程器对网络单元进行模式、本地IP地址、子网掩码、FINS端口号、FTP登录名及口令和IP路由器表等项进行设定。若使用FINS/TCP协议，则还需在以太网单元设置中修改FINS/TCP项的部分参数，如：自动分配的FINS节点号、是否保持等项。

    3、面向上位计算机的通信协议
   
    如图2所示，以太网的分层模型分为物理层（Physical Layer）、网际层（Internet Layer）、传输层（Transpot Layer）和应用层（Application Layer）。其中：传输层可使用无连接的UDP或需建立连接的TCP协议;应用层为FINS（Factory Interface Network Service）协议，FINS协议是由OMRON公司开发的用于工厂自动化控制网络的指令响应系统。主要规定对PLC存储空间的数据读写等操作方法。应用层使用FINS协议，传输层使用TCP协议的通信实现方法称为FINS/TCP方法。

图2 网络的分层结构

    FINS协议包含指令系统和响应系统，其命令帧格是由FINS报头、指令代码、响应代码和正文等几部分组成。从上位计算机发出的指令和响应符合下面帧的格式要求，并提供合适的FINS报头信息。[3-4]FINS通信服务是通过FINS命令帧和它们对应的响应帧交换实现的。

    FINS命令/响应帧格式如图3所示。FINS/TCP header中规定了五种命令，用于客户机（host computer）与服务器（PLC）之间通信：发送客户机节点地址（node address）;（2）发送服务器节点地址（node address）;（3）发送Fins frame;（4）Fins frame发送出错通知;（5）客户机与服务器联机确认。

图3 FINS命令/响应帧格式

    4、通信程序的具体实现

    在新建VB工程后，需要执行VB工具栏“工程/部件” 命令，将Winsock控件添加到工程中， 并命名为“WskClient”。程序采用TCP/IP协议进行通信，其主要属性设定如下：

    With WskClient
    .Protocol = sckTCPProtocol ‘采用TCP/IP协议
    .LocalPort = 9600 ‘本地计算机端口号
    .RemoteHost = txtIP.Text ‘远程PLC的IP地址
    .RemotePort = txtPort.Text ‘远程PLC端口号
    .Bind 9600 ‘使用的本地端口
    End With

    初始化工作完成后向PLC提出连接请求，待PLC接受请求并发送应答信息后，客户端程序依照各种帧格式建立好要发送的信息帧，就可以与PLC进行双向的数据交流了。在这一过程中，可建立发送失败后的重发机制，以增强通信的性。

    ，建立并发送“握手信息”指令（20字节），指明客户机节点号;当计算机接收到PLC返回帧（24字节）后，检查PLC是否收到命令，并服务器和客户机节点号。当计算机接收到PLC返回的数据时，会产生DataArrival事件，参数BytesTotal包含接收到的数据字节数。在DataArrival事件中，可以调用GetData方法接收数据。如果接收到Close事件，则用Close方法关闭连接。另外，可用Winsock的State属性来反映当前TCP/IP的连接状态。这里仅列举主要程序如下：

    ‘向服务器请求连接
    WskClient.Connect
    TimeDelay 100
    Do
    DoEvents
    Loop Until WskClient.state=sckConnected
    ‘建立并发送FINS命令帧
    Private Sub SendData_Click（）
    ReDim SendData （19） As Byte
    SendData （0） = &H46‘FINS命令帧报头的1个字节
    ……
    WskClient.SendData SendData（） ‘发送FINS命令帧
    End Sub
    ‘接收PLC响应帧，并分析数据
    Private Sub WskClient_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）
    Dim i As Integer
    ReDim ArriveData（bytesTotal） As Byte
    wsk.GetData ArriveData, vbArray + vbByte, bytesTotal
    ‘接收数据，保存在ArriveData数组中
    For i = 0 To bytesTotal - 1
    txtArData.Text = txtArData.Text & " " & ArriveData （i）
    Next i
    ……‘其它数据处理
    If ArriveData（7） <> 16 Then
    MsgBox“接收信息丢失“
    ElseIf SendData（19）= ArriveData （bytesTotal-5） Then
    MsgBox“节点地址错误“
    End If
    End If

    在接收信息后,当PLC收到传输过去的信息后,会将对应的命令反馈值传回,这个事件程序内的程序将它显示在文本框中,还可作进一步处理。主程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

    若采用UDP协议，则通信的基本过程与TCP相同，只是不需要建立连接。此外,UDP应用程序可以是客户机,也可以是服务器,而不必象TCP应用程序那样分别建立客户机程序务器程序。由于UDP在传输数据报前不用在客户务器之间建立一个连接，且没有时重发等机制，故而传输速度很快。因此如果网络中设备不是很多，且发送数据量不大时，可选择耗费计算机“资源”小的UDP协议进行通信。

    5、结束语

    采用Winsock控件实现的上位机以太网通信程序，已成功应用于数字小样并条机监控系统中，该法简单实用,在不追加投资的情况下,实现车间设备的网络数据实时监控的功能，达到了理想的效果。而且以VB作为软件的开发平台，软件的二次开发不受限制，节约成本，并可根据需要随时对程序进行升级。为实现对控制系统进行有效的信息管理与监控，基于以太网的PLC控制系统必将有为广泛的应用，本文的论述对解决这类问题提供了一定参考。