西门子6ES7314-1AG14-0AB0型号含义

西门子6ES7314-1AG14-0AB0型号含义

1  引言

       在工业控制系统中，PLC作为一种稳定的控制器已经得到了广泛的应用。但是由于中小型PLC的人机接口功能不很完善，不能提供给用户一个友好的交互界面，因此妨碍了对现场运行过程的跟踪与监控。
       PLC实际工作中，通常人们采用4种装置为PLC配置人机界面：编程终端、显示终端、工作站及个人计算机。编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱。显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示。工作站系统很受用户欢迎，它功能、使用简单，但由于要配置组态软件，因而价格比较昂贵。个人计算机可配备多种语言，提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等，与PLC相结合组成一套PC-PLC监控管理系统，能够充分发挥它们各自的优点。但是在该系统中，关键的问题就是通信，用户对此须做较多的开发工作。
       本文详细阐述了PC与PLC互连通信的一般方法，并以永宏公司的FATEK-FBS PLC为对象，以实际四层电梯模型监控系统为例，介绍了利用大家都熟悉的编程语言Visual Basic 和Step7，实现PLC与上位计算机实时通信的通信过程。 

2  通信方式
       面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功 能、编程等方面各不相同，没有一个统一的标准，各厂家制订的通信协议也千差万别。目前，人们主要采用以下三种方式实现PLC与PC的互联通信：
(1) 通过使用PLC开发商提供的系统协议和网络适配器，来实现PLC与PC机的互联通信。但是由于其通信协议是不公开的，因此互联通信使用PLC开发商提供的上位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。可以说这种方式是PLC开发商为自己的产品量身定作的，因此难以满足不同用户的需求。
(2) 使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、InTouch、WinCC、力控等，来实现PLC与PC机的互连通信。组态软件以其功能强大、界面友好、开发简洁等优点目前在PC监控领域已经得到了广泛的应用，但是一般价格比较昂贵。组态软件本身并不具备直接访问PLC寄存器或其它智能仪表的能力,借助I/O驱动程序来实现。也就是说，I/O驱动程序是组态软件与PLC或其它智能仪表等设备交互信息的桥梁，负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，它的性将直接影响组态软件的性能。但是在大多数情况下，I/O驱动程序是与设备相关的，即针对某种PLC的驱动程序不能驱动其它种类的PLC，因此组态软件的灵活性也受到了一定的限制。
(3) 利用PLC厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式来实现PLC与PC机的互连通信。这种方式由用户定义通信协议，不需要增加投资，灵活性好，特别适合于小规模的控制系统。
通过上述分析不难得出，掌握如何利用PLC厂商提供的标准通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现PC与PLC之间的实时通信是非常必要的。

3  FATEK-FBS PLC通信方式及原理
       FATEK-FBS PLC内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通信功能，可在多种模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式有特色，通信协议可由梯形图程序控制，通过它可以实现PLC与任何具有通信能力的设备进行互连，因而在本系统中选用自由口通信方式。
目前PLC与PC机的链接通信有两种方式，一种是PC机始终处于主导地位，数据的传送都由PC机定时发出命令，另外一种是PLC始终具有权。在本电梯模型监控系统中所有的控制信号均为开关量信号，考虑到上位PC机仅实时显示电梯的运行状态，不需向PLC发送控制指令，采用二种通信方式。利用PLC循环扫描的特点，设备状态一旦改变，PLC立即检测到，并将反映系统状态变化的数据存入的数据缓冲区，通过XMT发送指令，将数据通过COM口发至上位机。每个系统的状态对应于数据缓冲区中的一个字节，所存储数据均为16进制数据，为保证通信过程的性，上位机对所接受到的数据进行尾字符校验，如果校验成功，则说明接收到的末字节之间的数据是正确的，从而进行处理，否则，放弃这批数据，要求对方重发。 
 

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4  应用实例与程序设计
(1) 系统构成
       FATEK-FBS PLC内部集成的PPI接口物理特性为RS485，而上位机的标准串口为RS232，为了实现两者的通信进行协议转换，永宏公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，因此再不增加任何硬件的情况下，可以方便的实现二者的互联和协议转换。
作为控制器的FATEK-FBS PLC利用电梯模型自带的电源线实现与四层电梯模型的互连，该电梯模型为教学试验装置，具备一般电梯的基本功能。
(2) PLC部分编程
① 自由端口的初始化 
  在自由口通信模式下，通过设置特殊存储器SMB30（端口0），来为自由端口通信选择波特率、奇偶校验和数据位。这些设定与PC机设定值相一致。其格式如下：
SMB30
pp为奇偶校验选择，d为数据位选择，bbb为波特率选择。
 00为无校验，0为每个字符8位，000为38 400
baud，001为19 200baud；
 01为偶校验，1为每个字符7位，010为9 600 baud，011为4 800baud；
 10为无校验，100为2 400baud，101为1 200baud；
 11为奇校验，110为600baud，111为300baud；
mm为协议选择：00为PPI协议，01为自由口协议，10为PPI/主站模式，11默认为PPI/从站模式。

② FATEK-FBS PLC实时向上位PC机传送数据 
在对电梯模型控制中，所有的控制信号均为开关量，基于这一特点，系统状态的改变即为这些开关量信号状态的改变，因此可通过跟踪这些开关量信号的上升沿信号、下降沿信号的到来，做为系统状态改变的依据。据此在本系统中，通过对同一个开关量信号的上升沿、下降沿分别定义不同的16进制数的方式，来代表信号的产生与结束，当检测到这些信号产生时，便将这些数据存入的数据缓冲区中的字节中，并通过COM口发至上位PC机，同时产送完成中断，PLC延迟等待接收来自上位机的应答信号，通过分析存储在接收字符缓冲器SMB2中的数据，判断是否需要重新发送

组合应用了施耐德Twido系列PLC，XBT-G2110触摸屏，ATV38变频器。采用通信方式对变频器进行控制来实现系统控制功能，用户可以通过触摸屏控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。 

关键词：PLC；触摸屏；变频器；串行通信；恒压供水 

1、引言 

在工业现场控制领域，可编程控制器（PLC）一直起着重要的作用。随着国家在供水行业的投资力度加大，水厂运行自动化水平不断提高，PLC在供水行业应用逐步增多。触摸屏与PLC配套使用，使得PLC的应用加灵活，同时可以设置参数、显示数据、以动画等形势描绘自动化过程，使得PLC的应用可视化。 

变频恒压供水成为供水行业的一个主流，是保证供水管网在恒压的重要手段。现代变频器完善的网络通信工程，威电机的同步运行，远距离集中控制和在线监控等提供了必要的支持。通过与PLC连接的触摸屏，可以使控制加直观，操作加简单、方便。 

组合应用PLC、触摸屏及变频器，采用通信方式对变频器进行控制来实现变频恒压供水。 

2、系统结构 

变频恒压供水系统原理如图1；它主要由PLC、变频器、触摸屏、压力变送器、动力及控制线路以及泵组组成。用户可以通过触摸屏控制系统的运行，也可以通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。PLC设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。 

3、工作原理 

该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，通过控制柜上的启动和停止按钮控制水泵运行，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运行时，由1#水泵变频运行，变频器输出频率从0HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。如压力不够，则频率上升到50HZ，由PLC设定的程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，使得1＃泵变频切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；如用水量减少，PLC控制从先起的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。 

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，人工启动，系统自动恢复到初始状态开始运行。变频自动功能是该系统基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。 

4、设备参数的设置 

在进行通信之前对PLC、触摸屏和变频器的通讯参数进行正确设置。本系统定义为Modbus协议，波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。变频器除设置通信参数外，还需启用“自由停车”以保护电机。 

PLC通讯参数设置:TWDLCAA24DRF——硬件——端口——端口设置，在端口设置中进行端口参数设置；触摸屏通讯参数设置：IO管理器——ModbusRTU01[COM1]——Modbus Equipment，双击“Modbus Equipment”即可进行通讯参数设置。 

5、PLC控制系统 

该系统采用施耐德的TWDLCAA24DRF，I/O点数为24点，继电器输出，PLC编程采用施耐德PLC编程软件Twidosoft，软件提供完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。为了提高整个系统的性价比，该系统采用可编程控制器的开关量输入输出来控制电机的起停、自动投入、定期切换，供水泵的变频及故障的报警等，而且通过PLC内置的PID给定电机的转速、设定压力、频率、电流、电压等模拟信号量。 

施耐德PLC的编程指令简单易懂且程序设计灵活，步进计数器功能模块（%SCi）提供了一系列的步，这些步可赋值给动作。从一个步移动到另一个步取决于外部或内部事件。通过模拟输入和输出模块TWAMM3HT以及内置的PID运算器

1 引言  

切纸机械是印刷和包装行业常用的设备之一。切纸机完成的基本动作是把待裁切的材料送到位置，然后进行裁切。其控制的是一个单轴控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进系统的实现是利用单片机控制的。控制过程是这样的，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车起作用以推进系统的惯性，从而实现。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用PLC的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用HMI（人机界面Human Machine Interface）进行裁切参数设定和完成一些手动动作。

2 改造的可行性分析

现在的大多PLC都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百KHz的脉冲信号，而切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高。可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在PLC处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，让PLC对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到定位的目的。另外当今变频器技术了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度提升，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。

3 主要控制部件的选取

3.1 PLC的选取

设备需要的输入输出信号如下：
x0脉冲输入

x1脉冲输入

x2前限位

x3后限位 y3 前进!

x4前减速位 y4 后退

x5电机运转信号 y5 高速

x6上位 y6 中速

x7滑保护 y7 低速

x10压纸器上位 y10

x11光电保护 y11

x12小车后位 y12 进给离合

x13双手下按钮 y13 压板下

x14停止按钮 y14 离合

x15连杆保护 y15 电机禁启动

x16回复到位

针对这些必需的输入点数，选用了FX1s－30MR的PLC，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换等都通过人机界面实现，不需占用PLC输入点，从而为选用位的FX1s系列PLC成为可能，因为FX1s系列PLC输入点多只有16点。另外此系列PLC的高速计数器具有处理频率高达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。

3.2 编码器的选取

编码器的选取要符合两个方面，一是PLC接收的脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500P/R（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验如下：

本系统脉冲频率＝25转/秒×500个/转×2（A/B两相）＝25KHz

理论进给分辨率＝10mm/500=0.02mm

同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在PLC程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的A/B相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此PLC可处理的脉冲频率为30千赫，因此满足了个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度满足此要求。

3.3 变频器和HMI的选取

这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。

4 F920GOT-BBD-K-C的特点:

F920GOT是带按键型的HMI，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：1）可以方便的实现和PLC的数据交换；2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制PLC内部的软继电器，从而可以减少PLC输入点的使用;3）具有两个通讯口，一个RS232C（用于和个人电脑通讯）和一个RS422（用于和PLC通讯），利用电脑和F920GOT相连后不仅可以对HMI进行程序的读取和上传，还可以直接对PLC的程序进行上传下载、调整和监控。

5 PLC和HMI程序的编写

此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和具体位置定位功能，并且HMI上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器C235和C236。C236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；C235用于进行定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到C235，不论进给机构前进还是后退C235进行减计数，同时对C235中的数值进行比较，根据比较驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是C235中的计数值减小到0时，而是让C235和一个数据寄存器D130比较，当C235中的值减小到D130中的设定值时PLC控制变频器停止输出。D130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的

1 引言

等离子熔射由于其温度高且能量集中，能够熔射金属、陶瓷或复合材料的特点在表面改性、功能薄膜制备和材料加工工程中被广泛应用[1-2]。为了保证熔射皮膜成形性与成形质量，在数字图像处理、过程控制、人工智能等方法基础上进行系统集成控制与工艺优化。当前上几大热喷涂设备和材料生产厂家，如英国bbbbllisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美国Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+现场检测+过程控制的等离子熔射系统。但是由于上相关熔射设备价格昂贵，不能引进到国内每一个加工车间或者科研院所，因此需要自主开发适用于特定工艺的熔射过程检测与控制系统。目前国内已有基于单片机、微机、PLC等进行熔射控制系统开发的相关研究和报道[3]，然而如何集成PC机优势以及基于PC+PLC等离子熔射控制系统设计仍需加深入的研究。

本文基于PC+PLC开发等离子熔射控制系统,采用开放式OPC协议实现二者之间通讯，并在PC中执行机器人路径规划、在线监控与熔射过程数据管理等。结合PLC现场控制稳定性和计算机过程运算与数据存储能力，来保证熔射过程稳定性与过程控制实时性，进而保证等离子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高质量应用。

2 等离子熔射自动控制系统结构

2.1 系统组成和工作原理

基于PC+PLC等离子熔射控制系统组成原理如图1所示。PC主要完成对实体进行三维造型、切片、后生成机器人能够识别的机器人路径代码，并根据现场反馈信息进行路径调整，同时也对整个熔射过程进行监控，采样主要工艺参数并保存到加工过程文档中。PLC实现对数控旋转工作台和整个等离子弧发系统实时控制，对现场采样数据进行初步处理后传送到上位机PC中。

2.2 PC与PLC功能分配

在等离子熔射过程中，环境恶劣，噪音等污染严重，干扰强，系统工作周期长。因此现场设备控制采用西门子S7-300型PLC，充分利用该型PLC性和良好的抗干扰能力来保证系统性。并配备了A/D、D/A模块和CP5611通讯卡，可以实现模拟量采样与输出和与上位机之间通讯。同时PLC系统还配备了西门子稳压电源，保证了系统运行稳定性，避免与整个系统共用电源产生干扰。

由于PLC无法进行监控图表显示、图像处理和复杂算法设计，操作人员也不能直观了解现场状况[4]。为了以上不足，系统增加PC进行现场监控与数据运算，其主要任务是机器人状态信息和皮膜温度采样信息，根据设定工艺优化算法执行结果进行实时熔射路径调节;对等离子射流检测图像进行处理，反馈调节信息至PLC实现对等离子射流发生装置调控;同时能对系统故障做出及时报警，并能采取相应应急处理措施和加工现场断点保护等。



图 1 基于PC+PLC等离子熔射控制系统组成原理图

3 控制系统软件设计

3.1 控制软件设计

控制软件系统主要功能包括：参数设定、过程监控、工艺优化、故障信息处理与报表系统等。这些部分相互结合，实现对整个等离子熔射过程状态和实时现场数据监控、系统故障报警和相应处理、熔射主要工艺参数记录和报表打印输出功能等。

3.2 OPC客户端程序设计

OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户从低层开发中脱离出来[5-6]。

OPC客户端软件设计流程如图2所示，其客户端程序开发目的是基于OPC协议实现计算机与PLC之间通讯，通过PC机直接读写PLC中变量，提高数据访问速度，保熔射工艺优化算法的运算结果及时传送到PLC现场控制设备中，实现整个系统实时控制，从而能够充分地利用计算机数据处理能力和丰富的软件资源。

3.3 PLC运行程序设计

等离子熔射系统由西门子S7-300型PLC作为现场设备控制，实现对现场设备控制，整个工艺过程动作控制和现场数据采样。PLC内部程序分为手动控制和自动运行两个部分，可分别响应控制面板上按钮动作和上位机发来的控制指令。

PLC程序采用Step7进行设计，主要过程包括：在Step7中建立一个新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根据PLC硬件配置及模板物理安装位置进行硬件组态。其次插入Simatic PC Station，在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI网络建立PC Station与Simatic 300 Station之间网络连接。MPI网络建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU单元内设计的所有的数字量、模拟量和数据块等各种变量。基于MPI方式进行组网后的网络连接图如图3所示。后基于SimaticNet软件建立名称Spray的OPC服务器，这样就可以通过OPC客户端程序访问PLC中变量。



图2 OPC客户端程序设计流程图



图3 基于MPI方式组网的网络连接图

PLC中运行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模块包括系统主控模块OB1，负责调用其他功能块等。然后分别设计针对送粉器控制、工作转台控制、机器人故障处理、系统故障处理等功能块，供主控块调用。为了确保PLC程序执行，增加对象块OB80、OB82、OB85分别实现对模板诊断错误和时错误处理，OB121和OB122响应同步错误。设计过程中可以按照变量分类或者针对某一功能块设计数据块，将控制系统中的变量统一分组管理。

4 结束语

本文开发了一套基于PC+PLC等离子熔射自动控制系统。经过实验验证，系统具有良好的抗干扰能力，能够适应等离子熔射工艺需求，为该工艺由技术转化为生产力奠定了一定基础。同时PC作为上位机提供了良好的人机界面与有效的系统监控和管理，PLC作为下位机执行现场控制，保证了系统运行稳定性。该控制系统可以方便地与机器人、其他执行机构或者生产线等配套组成等离子熔射系统。

本文作者点：本文结合PC+PLC进行等离子熔射控制系统设计，集成了PLC在恶劣的熔射环境下性能稳定的特点和PC能够进行图像处理与复杂算法运算的优势，基于OPC协议实现PC与PLC之间的通讯，保证了过程控制中多变量信息、传输和处理的实时性。该自动控制系统为提高等离子熔射皮膜成形性和成形质量奠定了基础。

0 引 言

随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。

1 系统构成

基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。

1.1 扩展热电阻/热电偶模块

在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。



图1 扩展温度模块的温控系统

1.2 扩展通用A/D模块

在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，因此温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，而且其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。



图2 通用A/D转换模块温控系统

2 输入输出控制

比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。

在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：

输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias

程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500 PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。



图3 数值整定原理

整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。



图4 PID模块在线参数设定与标志位

表1 PID模块参数说明



一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设的上升段过程中，大致采用三段控制。置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性；接下来转入PID控制；接近设时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。

表2 PID模块参数设定



温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0～4124，SCP指令把它整定为0～16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7∶38中，把控制输出值放入N7∶39当中。后用MOV指令把N7∶39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP－PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP－PV＞－30和SP－PV＜50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP－PV＜－30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。

3 显示扩展

PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。

采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。



图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口

图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴公共地。

SLC500有RS232通信口，可以通过电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。

4 PLC与PC通信设计

4.1 PLC数据包的信息格式

SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：



图6 PLC数据包的信息格式

DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。

PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600 bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：

1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
2）set the module for bbbbbded response
3）set detect for automatic
4）disable duplicate packet detect
5）set the baud rate for 9600.

4.2 PC机程序

PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：

With MSComm 1 // 通信参数设置
CommPort＝1 // 通信口COM1
Settings＝“9600，年n，8，1”// 波特率9600 bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen＝2 //一次读取2个字节
bbbbbMode＝comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen＝Ture // 打开通信端口
End With

PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示。