6ES7321-1BH50-0AA0型号含义

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1 引言
可编程控制器（PLC）是一种以微处理器为，带有指令存储器和输入、输出接口，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。PLC 具有性高、编程简单、通用性好、功能强大、体积小、功耗低、设计施工等特点，其应用领域已覆盖了所有工业企业。本模拟器中采用日本松下电工株式会生产的输入、输出均为16 路的FP0_C32 型可编程控制器。

大规模数字I/O 扩展是针对被监控系统中由于数字I/O 量非常多,但普通的数字I/O 卡无法满足需求而提出的一种I/O 扩展方法。由于此模拟器的研制需要近千个I/O 通道，因此采用了一种32 路光电隔离多通道数字I/O 板。与FP0_C32 型PLC 配合使用，以指示灯或开关为例，共能采集4096 种开关状态，同时控制1024 个指示灯。

ControX2000 通用软件是由北京华富惠通公司开发的一种的工业控制用软件，它融过程控制设计、现场操作以及资源管理于一体。该软件功能强大，组态方式灵活，拥有庞大的驱动程序库，支持几百种常用的硬件设备，与PLC 的通信非常方便，在生产过程参数监控和生成人机交互界面中也具有的优势。因此，笔者采用ControX2000 软件与FP0_C32 型PLC 共同完成对本模拟器的监控， 在PLC 和ControX2000中如何编程是本设计的关键所在。

2 系统结构
该模拟器采用安装有ControX2000 软件的工业控制计算机作为系统主控和人机界面显示。由于被监控设备和控制计算机距离较近，因此采用RS- 232 端口和FP0_C32 型PLC 进行实时数据交换。PLC 通过16路输入端口采集数据，同时通过16 路输出端口送出数据。系统结构如图1 所示。







图1 系统结构示意图
下面以读取开关状态和控制指示灯为例简要说明PLC 通过32 路光电隔离多通道数字I/O 板监控设备的原理。在使用PLC 的16 路输出时，将其分为高8位和低8 位，高8 位表示用来输出选中一组设备（8 个灯或8 个开关状态为一组设备）的地址。低8 位用来输出控制指示灯的数据，该数据中的二进制数位为1则该灯亮，为0 则该灯灭，255 表示这一组的8 个灯全亮。如果要使6 组设备的5 个灯亮则PLC 输出数据为6×256＋8＝1544，如果要读取处于128 组开关设备的状态则PLC 先输出数据128×256＝32768，然后通过16 路输入口读取表示该组开关状态的数据，通过对该数据的分析则可知该开关处于什么位置。

3 PLC 的基本工作原理及编程设计
3.1 PLC 的基本工作原理
PLC 的工作方式为循环扫描方式，工作过程大致分为3 个阶段，即输入采样、程序扫描和输出刷新。PLC 重复地执行上述3 个阶段，周而复始。每重复一次的时间称为一个扫描周期。
1．输入采样
PLC 在系统程序控制下以扫描方式顺序读入输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入状态寄存器，此时输入状态寄存器被刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。输入状态的改变只能在下一个扫描周期输入采样到来时，才能重新读入。
2．程序执行
PLC按照梯形图先左后右，先上后下的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入变量和输出变量，是在相应的输入状态寄存器和输出状态寄存器中取用，运算的写入输出状态寄存器。
3．输出刷新
将输出状态寄存器的内容传送给输出端口，驱动输出设备，这才是PLC 的实际输出。
PLC 的工作原理与计算机的工作原理基本一致，都是通过执行用户程序实现对系统的控制。但是在工作方式上两者有很大差别。计算机在工作过程中，如果输入条件没有满足，程序将等待，直到条件满足才继续执行。而PLC 在输入条件不满足时，程序顺序往下执行，它将依靠不断地循环扫描，一次次通过输入采样捕捉输入变量。但由此带来的问题是，如果当扫描到来时输入变量在此期间发生变化，则本次扫描期间输出就会有相应的变化。如果在本次扫描之后输入变量才发生变化，则本次扫描周期输出不变，只有等待下一次扫描输出才会发生变化。这就造成了PLC 的输入与输出响应的滞后，甚至可滞后2～3 个周期。尽管这种响应滞后对工业设备来说是允许的，但表明只有当输入变量满足条件的时间大于扫描周期，这个条件才能被PLC 接收并按程序执行。这种现象在对PLC 编程设计时应给予高度重视，否则将不能得到正确的输出。

3.2 PLC 的参数设置及编程设计
本模拟器采用FP0_C32 型PLC，其通信参数设置如下：
网络类型：RS232 串行端口：COM2
波特率： 9600 bps 数据长： 8 位
停止位： 1 位 奇偶校验：奇
鉴于PLC 的工作原理和本模拟器的实际情况，为PLC 的输入与输出响应滞后的影响，保PLC 输出的实时性和准确性，笔者用符号梯形图在PLC 中编程（部分）如图2 所示：











图2 PLC中的编程
注释：
V1：CT100 为一减计数器，当R9012 继电器接通时其内部计数器数值减1，当减到0 时C100 继电器接通，计数器复位。
2：当EV100＝49 时，将输出寄存器的高8 位置128。“128”是一组开关设备的地址，下面的129、130、131 的意义与128 同。
3：当EV100＝48 时，将DT0 送至输出寄存器，并将输入寄存器的数值保存在DT128 中。
4：当EV100＝47 时，将输出寄存器的高8 位置128。这一步不可省。
5：当EV100＝46 时，将DT1 送至输出寄存器。
6：当EV100＝45 时，将输出寄存器的高8 位置129。
7：当EV100＝44 时，将输入寄存器的数值保存在DT129 中，将输出寄存器的高8 位置130。
8：当EV100＝43 时，将输入寄存器的数值保存在DT130 中，将输出寄存器的高8 位置131。
说明：
1、DT0 和DT1 中存贮的是从ControX2000 中获得的表示灯的状态的数据，所有表示灯的状态的数据都通过这两个寄存器由PLC 送出。因此PLC 和ControX2000中的编程应设计，确保DT0 或DT1 中的数据再次变化之前PLC 已经将它们送出，否则将丢失数据。
2、每次PLC 将DT0 或DT1 送往输出寄存器之前将输出寄存器的高8 位置128，且地址为128 的设备为开关或为空。否则灯的状态将不能正确显示。
3、在电路设计时应尽量使有可能在同一时刻产生状态变化的灯分在同一组设备内，上面的设计可让2 组（16 个）灯在同一时刻发生状态变化。也可跟据需要增加具有DT0 功能数据寄存器的数量。
4、DT128、DT129、DT130 中存贮的是表示开关状态的数据，编程设计应使这些数据在再次变化之前已被ControX2000 取走。
5、如果读取的开关设备组数较多，应在编程中增加将DT0 或DT1 送往输出寄存器指令的次数，以保证灯的状态能实时的发生改变。
4 ControX2000 中的编程设计
在ControX2000 的工程游览窗口的“硬件系统”中新建名为“PLC”的设备，建立与FP0_C32 表1 controx2000的标签变量表
标签类型 变量名 主设备 主地址 扫描周期
开关量 n1-n4 内存
开关量 m1-m4 内存
I/O标签 DT0 PLC DT0 10ms
I/O标签 DT1 PLC DT1 10ms
I/O标签 DT128 PLC DT128 10ms
I/O标签 DT129 PLC DT129 10ms
I/O标签 DT130 PLC DT130 10ms
型PLC 连接，计算机串行口参数设置应与PLC 中的一样。建立标签变量如表1 所示。
在图页中建立名为a1 的图页变量，扫描步长为4，在扫描事件中编写如下程序：
{读取开关状态数据并判断}
if (DT128.Value and 1)=1 then n1.Value:=0;
{开关n1 处于关的状态}
if(DT128.Value and 2)=2 then n1.Value:=- 1;
{开关n1 处于开的状态}
if (DT128.Value and 4)=4 then n2.Value:=0;

    随着计算机及相关技术的发展，使用工业PC机、基于开放式结构已成为数控系统发展的主要方向。与这种情况相适应，基于PC平台的嵌入式软件PLC由于专门的编程器，可以充分利用Pc机的软硬件资源，直接采用梯形图或语言编程，具有良好的人机界面等优点，在数控系统中正逐渐取代硬件PLC，成为该领域辅助功能控制的新方法。基于PMAC的软件PLC技术就是其中的典型代表，近年来已经在各种机器设备中得到了很好的利用，本文就是对基于PMAC的软件PLC技术中，如何合理、巧妙运用触发条件的应用总结，特别是“影子变量”的引入，使得“边沿触发”的实现变得为容易，。

    1 PMAC简介

    PMAC(Brogrammable Multiaxes Controller)可编程运动控制器是美国Delat Tau公司推出的开放式多轴运动控制器，该控制器自带高速CPU，并提供快捷的可视化开发平台，是众多运动控制器中性能比较优越的控制器之一。PMAC运动控制器功能强大，它集成了位控板、PLC、I/O等多个功能模块，CNC系统低层的实时任务大多由PMAC来完成，CNC系统的接口也都是围绕PMAC来设计的。它可同时控制1—8个轴，既可单执行存储于其内部的运动程序，也可执行运动程序和PLC程序。PMAC内含了可编程逻辑控制器(PLC)。PMAC的I/O点可以扩展至2 018位，但所有的I/O点都由软件来控制的，只要使用一个类似程序中的指针变量指向某一个I/O地址，就可以方便地在运动程序和PLC程序中通过指针变量来对该I/O点进行输入或输出控制。同时该PLC具有强大的逻辑功能判断能力，可编制复杂的逻辑关系。

    2 触发的实现

    在PMAC中，软PLC程序的大部分动作是依靠PMAC中事先已经定义好了的M、P变量的状态，如输入、输出、计数器等的条件语句来实现的。实际应用中，可能希望通过电平或边沿触发来实现不同的控制功能，这些都可以做到，但使用的方法不同。

    2.1 电平触发

    由电平触发条件控制的分支是很容易实现的。让一个输入变量。来控制变量的增加，可用如下程序：

    如果输入为真时，将每秒增加几百次；当输入变为时，将停止增加，开始增加。此时或的增加，靠变量处于高电平或者低电平来控制，所以叫做“电平触发”。

    2.2 边沿触发

    设只希望在每次变为“on”的时候，也就是输入变量=1的时候，才给增量一次，即的上升沿触发，也叫做“一次触发”或“锁定”。要这么做，可能会复杂一些，需要一个复合条件来触发动作。作为触发条件的一部分，设置触发条件中一个条件为，这样在下一个PLC扫描时该动作就不会发生。这样做简单的办法就是使用一个“影子变量”，它将跟随输入变量值的变化。只有在影子变量与输入变量不匹配时动作才会发生。所编的代再为：

    ELSE   如果M11为””(即：Mll=0)

    P11=0    影子变量P11则随着M11变换为“”(即：P11=0)

    ENDIF 结束

    特别值得注意的是，在PMAC中，任何PLC程序里的SEND、COMMAND或DISY命令仅仅在一个边沿触发条件中才能执行，因为PLC程序的循环要比这些处理它们的数据操作要快，并且如果在PLC的串行扫描下执行这些程序，通讯通道可能会无法工作。例如：

    在本例中，如果没有使用这个影子变量(即未使用边沿触发)，由于PLC的高速循环扫描，PMAC将不停地发送“#1J+”命令，系统将无法正常工作，甚至导致严重事故。

    3 结束语

    本文论述的基于PMAC的开放式数控系统中软件PLC的触发技术，在本课题组为星火机床有限责任公司开发的轧辊磨床数控系统中已多次使用。触发技术的正确运用，可以方便、地实现各种复杂的逻辑关系，充分体现了开放式数控系统的优越性。基于PMAC的软件PLC技术具有方便的编程环境、灵活的编程方式，降低了PLC编程的进入门槛，大地方便了用户的使用，为开放式数控系统的普及奠定了基础。

2.2多泵或单泵运行方式
当系统在一大一小运行达到满负荷时，即变频器工作在工频50Hz时，PLC即可对其进行计时，若在一定的时间段内，压力仍小于给定的压力，PLC就自动启动另处一台变频器或软启动器，变频器再自动调节输出频率，直到压力达到给定值，如运行的变频器输出频率已在50Hz，压力还达不到要求，则要启动后一台水泵，直至压力上升到给定值。
而当系统在一大一小的方式运行，而变频器的输出频率某一值（一般为30Hz左右）时，管网的压力仍给定的压力，PLC也自动启动计时器，在一定的时间段内，如果压力仍给定值，PLC就自动停止软启动器的运行，由单台的变频器运行，直至压力降低为止。

2.3PLC的工作
PLC在本系统中主要通过RS485通信接口读取变频器、软启动器上传的频率、压力及各水泵的故障信息等，并依此对水泵的开/停进行控制，同时记录每台水泵的运行时间，对高低压配电系统如绝缘、过压、过流等监测。

2.4故障的处理
在供水加压站的设备不多，所以主要的故障来源于潜水泵和变频器或软启动器本身。由于每台的潜水泵都由配有单的综合保护器，当潜水泵发生故障如轴承温度、绕组温度、漏水、绝缘报警时，综合保护器就会根据故障的类型、或轻重程度决定是否先停止运行该潜水泵，同时将故障信号传到变频器或软启动器，再通过变频器或软启动器RS485接口报知PLC，在PLC系统发出停止信号和发出声光报警，以通知工作人员及时处理。而变频器或软启动器本身故障时，也通过RS485的接口上传故障信号至PLC，PCL发出报警信号并自动发出停止信号。

三、系统主要设备的配置及PLC软件设计
（1）变频器和软启动器的配置
在一般的控制系统中变频器的输出频率是通过PLC来控制，即由PLC采集压力信号，并进行PID运算，然后再输出频率信号，变频器根据此信号来决定输出。在本系统中采用了变频器自身控制的方法，变频器用的是施耐德Altivar38产品，软启动器用的也是施耐德Altivar48产品，这种型号的变频器内部自带PID调节器采用了优化算法，它可以接受现场压力传感器的4-20mA的标准模拟信号，与给定的压力参数比较，调节输出，平稳地控制了管网的压力。由于PID运算在变频器内部，就可省去了对PLC存储容量 和PID算法的编程，降低了成本，提高了生产效率。
（2）PLC控制系统的配置
由于PLC在本系统中只承担“总监总控”的角色，而且PLC与变频器和软启动器的通信是通过RS485接口进行，所以配置较为简单，除CPU模块、通信模块、电源模块外，只配置了16点的开关量输入模块1块，8点模拟量输入模块1块，主要的输入信号来源于配电系统中的开闸合闸、手动/自动、电流、电压、有功功功率、无功功率等，所以对PLC的配置要求不高。
（3）PLC软件的设计
3.1开停泵的程序
根据出水管压力和水池的水位高低来确定开泵台数，实现恒压控制。即当出水管压力设定压力时，增加开泵的台数；当出水管压力设定压力时，减少开泵的台数。
3.2系统控制和报警记录程序
系统的总控制由PLC来完成，记录每一台机组的运行时间，当达到一定时间段时，按“先投先切”和“先切先投”的方式，自动轮流切换。PLC还接受变频器、软启动器和潜水泵的报警信号，并按情况决定是否停止该机组的运行，并把报警时间、类型等信息记录，以便日后的查询。

四、系统的优点
本系统由于采用了PLC+2变频器+2软启动器的控制方式，与相应的PLC+4台变频器控制的系统相比，用户节省了给每台水泵配置变频器大成本（毕竟变频器比软启动器贵好多），而且PLC配置低，程序简单，也同样也达到由单台运行到多台运行采用变频控制的多种运行方式，达到恒压供水的目的。由于变频器的运用，也没有了因为电气设备频繁的启停操作而导致的寿命减短的问题。因此，该系统具有了节资、节能、节水的目的。

五、结束语
在供水系统中目前广泛地采用了变频调速的方法，也有很多的控制方法，但终的目的也是只有一个：即恒压又节资、节能。相信随着技术的不断新和成熟，也不断有新的方法出现，本文者只是根据所在的公司在供水加压站的应用实例写出，希望借此能同大家共同交流和探讨。

       在过去的几十年里，可编程逻辑控制器(PLC)一直被广泛用于自动化领域，而在可预知的未来，PLC仍将长盛。面向离散控制而设计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。

然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师在自动化系统中集成多的I/O、处理和控制策略。

新的可编程自动化控制器(PAC)硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加多的功能，并提高机器的效率。

1、需求：如何提高机器的效率

如何提高机器的效率?让我们来看看IntegratedIndustrialSystems(I2S)公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为的。

I2S也曾经长期使用PLC来自动化和

控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图新轧制设备控制系统，以提率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能准确地控制金属厚度。

数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中模拟信号，实现高度的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。

2、伽马测量仪技术

伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的部是一个和前置放大器。当通过发射源和之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由进行测量，并转化成带厚度测量。

实施改造步：现有设备试验

为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。

因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中模拟信号并进行处理以计算的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合处理和高速模拟I/O。

二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法

在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIOPAC，以提供改进轧制机器质量所的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和性，又能提供多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。

三步：添加I/O

CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列(FPGA)芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节(反锯齿、隔离、ADC、DAC等)、高速计时(模拟I/O速度达到800kHz，数字I/O速度达到30MHz)和高分辨率(24bADC)，可与任何工业传感器或者触发器连接。

图1CompactRI/O架构

I2S使用CompactRIO模拟输入模块来连接伽马级厚度传感器，以提供测量所需的高速计时和分辨率。由于每个I/O模块都是直接和FPGA相连的，工程师们于是能使用LabVIEWFPGA来轻松自定义CompactRIO的模拟I/O速率。

四步：添加处理

从伽马传感器获得模拟数据之后，CompactRIO使用内置的NILabVIEW实时浮点功能块来在实时处理器中对数据进行处理，并将之转化成的厚度测量。

LabVIEW的实时功能块对数据进行确定的对数处理(如下面的等式1和等式2所示)，以进行计算厚度测量值。由于LabVIEWReal-Time具有内置计算和分析功能，PAC能够很容易进行这一操作。

等式1：logI=(logI0)y/μ=(y/μ)logI0

等式2:y/μ=logI0/logI=log(I0-I)

CompactRIO系统在FPGA和实时处理器中进行所有的I/O和信号处理，并将高度厚度测量传输到相连的PLC上，又不会降低现有PLC控制系统的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程师可以为伽马级传感器添加这一自定义测量和分析功能，而不需要牺牲轧制机器的控制速度。

五步：整合PAC

每个轧制机器都带有三个形成网络的CompactRIO系统。这三个系统都是智能节点，能利用一个工业标准Modbus/TCP、TCP/IP或UDP协议进行通信。其中有两个系统与伽马级传感器连接，并进行模拟输入测量和处理，来计算厚度测量值。





图2典型系统拓扑

三个CompactRIO系统则从另外两个系统中厚度值，并转换成模拟输出测量值，输入到正在控制轧制机器的PLC上。所有三个系统都通过以太网连接实现了互连，并使用一个UDP以太网信息协议来传输厚度测量值计算。将PAC连接到现有PLC架构上有三个基本方法：

1.基本模拟和数字I/O。模拟/数字信号能够从PAC输出到PLC中。这是将PAC整合到PLC的一个基本的方法。I2S公

司就是运用这种方法来将处理过的数据从CompactRIOPAC传输到运行轧制机器控制系统的PLC上的。

2.工业网络。大多数PAC产品都支持工业协议，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太网的协议如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。这使得工程师在连接PAC到PLC上时有很多网络选择。I2S公司运用的是以太网协议来在CompactRIOPAC之间传输数据，并将PAC和PLC连接到形成网络的HMI。

3.OPCConnectivityPAC还可以作为OPC客户端或者服务器，并通过OPC标签来收发网络数据到PLC或其它PAC上。OPC标准提供了一套标准的流程，让不同厂商的自动化系统之间可以很容易实现连接。

处理过的数据会以不到20毫秒的间隔在通过以太网互连的CompactRIO系统之间传输。CompactRIO测量值的获得、处理和传输速度都很快，因此，将厚度测量值键入到PLC控制系统的过程丝毫不会降低整个系统的速度。

I2S公司可以很容基于LAN的CompactRIO系统和10/100Mbps以太网接口将系统连接到形成网络的AllenBradleyPLC，并利用一个标准的TCP/IP协议将之连接到人机接口(HMI)系统。轧制机器中的所有仪器都通过以太网实现了连接，因此不需要在一个电器噪音嘈杂的环境下长距离地传输模拟信号了。

3、总结

在未来的几年，PLC仍将继续用于自动化领域。但是随着机器的改进和自动化效率提高的需求，PLC不再是的。PAC技术给PLC提供了很好的，增加了传统PLC所不能提供的I/O和处理。将PAC连接到现有PLC架构中的方法有很多，所以工程师们将能够很容易地改进其基于PLC的自动化系统。

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