呼和浩特西门子PLC模块触摸屏供应商

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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，并且具有较高的性能比，因而采取以PLC为下位机，以装有LabVI EW软件的工控机为上位机开发平台，通过RS232或RS485串口与PLC通讯，实现对工业现场的 监控与现场数据的分析。这样可以利用LabVIEW软件强大的数据处理功能和良好 的人机交互环境通过简单的编程实现上位机的SA功能。

1系统的基本结构
现以实验室中的双容水箱对象为例来构建基于LabVIEW与PLC的过程控制系统。系统结构如图1所示。系统采用OMRON公司C200HG系列的PLC为下位机，用RS232型电缆将HO ST bbbb模块直接连到装有LabVIEW的工控机的串口上。

2PLC与上位机连接系统的通讯
上位机与PLC之间的通信实际上是计算机与PLC通信模块HOST bbbb之间交换命 令和响应的过程。上位机具有初始传送权，所有通讯均由上 位机启动，不需要PLC编写通信程序，HOST bbbb能够对上位机发送来的字符串进行分析，检查数据格式，分析指令代码，然后根据指令代码进行相应的操作，并向上位机发出响应信号。通知上位机已完成或反映通信的错误，如奇偶校验错误、FCS错误、代码错误等。在一次交换中传输的命令格式和应 答数据称之为一帧。命令帧要通过用户编写的上位机通讯程序实现，PLC的上位链(Hostbbbb )单元会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回给上位机。



2.1命令帧格式
上位机命令格式如下：

其中@表示一帧的开始。节点号是上位机按该号来识别PLC。识别码是含有两个字 符的上位机链接命令代码，它表示上位机要对PLC进行何种操作，其识别码的含义见文献［4］。“正文”包括起始字和字数，起始字指的是要读写通道的起始地址，字数是指要读写的通道个数。FCS设置两个字符帧检查顺序码，FCS码由上位机计算，并设置在命令帧里。它主要是 用来保证在传送一帧数据时，在终止符前安排一个FCS码，以检查在传送数据时，是否发生 错误。FCS码的具体算法是：从一帧数据的开始到帧正文结束(FCS之前)所有数据字符的ASCI I码执行“异或”操作的结果，此结果是一个8位二进制数，然后分别把其高4位和低4位转换成两个16进制数并看成ASCII码。终止符是“*”，“回车”符表示命令的结束。
2.2应答帧格式
应答帧是由PLC自动返回的，其应答格式如下：

其中“结束码”是两位16进制数，它是PLC返回给上位机的通讯错误代码，其中00表示通讯无错误，不同错误代码的含义可参考编程手册。“正文”中每4位16进制表示一个通道的数据。
2.3LabVIEW与PLC通讯的实现
(1)PLC上位机链接设置
采用RS232C端口时，需要置DM6645的12～15位为0，PLC的节点号设置在DM6648的00～07位。 文中采用OMRON C200 PLC的默认设置。即在CPU的DIP开关J脚置OFF的情况下，PLC与上位机 之间采用如下参数进行通讯：
启动位：1位；数据长度：7位；停止位：2位；奇偶校验：偶校验；波特率：9 600 b/s。
(2)LabVIEW中串口通讯的步骤
LabVIEW共有5个串行通讯节点，包括初始化端口(Serial Port Init.vi)、串口写(S erial P ort Write.vi)、串口读(Serial Port Read.vi)、检测串口输入缓存中的字节数(Bytes at Serial Port.vi)、串口中断(Serial Port Break.vi)等功能，各个节点端口参数表见文献［2］。
在LabVIEW的程序中可采用下列步骤实现与PLC之间的通讯：
①初始化串口，设置双方通讯的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等；
②把要发送的数据按PLC命令帧的格式打包，包括计算帧校验序列FCS；
③写端口，把整个命令帧发送到串口；
④延时等待PLC的应答帧到达串口；
⑤读串口，读取PLC的应答帧；
⑥把读取的应答帧解包，读取相应的数据。
(3)LabVIEW中串口通讯的实现
①初始化串口，按照PLC串口通讯的要求，通过Serial Port Init.vi节点设定，端口号设为0，即设定上位机的串口COM1与PLC通讯，若设其他串口，端口号依此类推；波特率设为9 600 b/s;数据位为7位；停止位设定为2位；奇偶校验设定为2，即对数据帧进行偶校验。
②对PLC数据帧计算FCS并把数据帧打包，其子程序如图2所示：

0步为计算帧校验序列FCS程序；1步为数据帧打包程序。
在编程时应注意以下几点：
1)对于长度为n的字符串，要进行n-1次“异或”，因此循环次数应为n-1；
2)利用循环结构的移位寄存器对每个字符的ASCII码进行“异或”时，要对左侧的移位寄存器进行初始化［3］。在系统中，由于任何一帧数据都是以“@”开始，因此程序中采用“@”的ASCII码来初始化左侧的移位寄存器；
3)在For循环与循环外部的数据交换通道采用无索引(Disable Indexing)形式，这样就可在循环结束后一次性读取FCS的数值；
4)由于数据帧中FCS的数字是字符型的，要通过“Number To Hexadecimal bbbbbb”这个节点把整型表示的FCS数值转换成2个以16进制表示的ASCII码字符；
5)程序中的“13”是回车符ASCII码数值。
③对串口的发送与接收及解包程序
数据的发送与接收主要是通过串口写、串口读节点来实现的。在写串口完成后要延时一段时 间(如延时250 ms)后再读串口，这样才能保证串口通讯正常进行。解包程序与打包程序类似，其过程正好相反。数据收发子程序如图3所示。

3系统的分析及方案设计
3.1系统分析
通过作双容水箱上升阶跃，采用LabVIEW的波形显示控件可得到一条与“S”型相近的响应曲线，可用一阶惯性环节加纯迟延近似表示其传递函数：

由于τ/T=1.06＞1，故系统迟延较大［4］，且动态特性存在非线性。经分析，动态特性的非线性主要是由于变频器及水泵的非线性造成的。在采用单级PID控制时，由于系统迟延较大，在水箱B出现正偏差、降负荷的初级阶段，水箱A中的水位值已经开始下降，但水箱B中的水位继续上升，使系统的动态特性变差；基于上述现象的存在，系统动态特性呈现一种近似等幅振荡状态。因而系统不宜采用单级PID控制。
3.2系统设计
经分析，采用串级控制系统可以改善对象的动态特性，提高系统的工作频率；对负荷的变化具有一定的自适应力；适用于非线性对象［1］。故采用串级控制方案，其控制系统框图如图4所示。

主调节器和副调节器是在LabVIEW中用公式节点实现的，整个串级控制算法为［1］：

Kp、Ti、Kd分别为调节器的比例增益、积分时间、微分时间。
在整个串级控制中，把整个控制对象分为导前区(水箱A)和惰性区(水箱B)，其中副 调节器的任务 是快速系统内扰，以及克服变频器及水泵在系统负荷变化时对水位测量值的影响，起粗 调作用，故采用P调节规律；而主调节器的任务是维持水箱B水位的稳定，采用PID调节规律 。PLC的D／A转换模块DA004是12位的，所能接收大数字量为OFFF(即4095)，这时在主调节 器积分的作用下，在整个系统开始启动、停止或给定值变化幅度较大时，由于短时间内出现 很大的偏差，在积分作用下，整个调节器输出进入深度饱和状态，产生积分饱和［1］，使系统产生较大的调和振荡。在控制程序中采用积分分离的PID算法。在偏差大于某一值M时，主调节器采用PD控制，在水位测量值接近给定值时，采用PID控制。整个控制 系统的阶跃响应曲线见图5。

4小结
以PLC为下位机，以LabVIEW为上位机开发平 台，利用LabVIEW软件强大的数据 运算能力和数据分析能力并通过LabVIEW与PLC之间的串口通讯，组成了完整的串级控制系统 ，试验表明，调节后水位的波动范围在±1 mm范围内，而且作系统扰动试验时，水位能够很 快的实现平衡。从而符合系统所要达到的稳、准、快的特性。PLC与LabVIEW的串 口通讯程序的设计方法亦要移植到其他上位机，整个系统的设计思想可应用于工业现场控制 的其他场合

1. 内部结构特点及工作原理
CPU212由处理器(CPU)、输入/输出接口(I/O)、I/O扩展接口、定时器、计数器和编程口等组成。
1.1 CPU212特点
●程序存储量为512字节(存储在非易失的读/写存储区)；
●数据存储量512字节(其中的64字节可以存储在非易失的读/写存储区)；
●PLC基本单元中有8个开关量输入和6个开关量输出；
●可以额外连接两个I/O扩展模块(包括模拟量模块)；
●大开关量I/O点数为30，大模拟量通道数6AI/2AO；
●64个定时器(2个1ms,8个10ms，54个100ms)；
●64个计数器(48个加计数器，16个加/减计数器)；
●128个内存标志位、368个标志位；
●四则算术运算能力；
●中断能力：
为用户定义的协议(自由口通信)接收和发送中断；
1个由上升沿或下降沿触发的输入中断；
1个时间中断；
1个高速计数器中断；
●1个2kHz的高速计数器；
●快速的布尔逻辑执行速度(1.3μs/指令)；
●由级电容供电的数据存储区可维持50小时(电池)；
●3级口令保护。
CPU212内部结构如图1所示。

1.2 CPU212的结构及工作原理
CPU212的工作原理是建立在下列单元的基上的：，程序存储器中存储用户程序；二，处理器周期性扫描程序，即在一个周期开始时，处理器将所有的输入端的信号读入，存储于过程输入映象寄存器(PII)，然后，在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐步扫描程序，接着处理器将新的信号状态和过程输出到映象寄存器(PIQ)中，并从这里传送到输出端。CPU212的结构及工作原理示意图如图2所示。
1.3 CPU212的外部特征
CPU212外部包括输入点、输出点、编程口、面版状态指示灯。CPU是PLC的大脑，它根据编制的应用程序作出相应的决定，而输入/输出是PLC的控制点。输入用于监视现场装置，如开关、传感器等，输出用于控制其它装置，如电机、泵、开关等；编程口用于连接编程装置，如一台计算机或手持编程器等。要装载SETP7－MICRO/DOS软件才能对CPU212进行编程。由于CPU212的编程口传输信号采用的是RS－485标准，而计算机串行通讯口采用的是RS－232标准，因此连接时需要使用PC/PPI电缆将CPU212和计算机连接起来。由于PC/PPI电缆自带转换器，可完成两种不同标准信号的转换。如图3所示。
CPU212的面板状态指示灯用于显示CPU的运行方式和I/O状态。所有状态指示灯每秒刷新多次，并用于指示CPU212内部诊断测试结果。I/O指示灯用于指示传感器输入状态和CPU控制的输出状态(导通则亮)。如图4所示。
若I/O点未接，在通电时只有CPU状态指示灯显示CPU运行方式。当系统出现内部错误时，红色的SF指示灯亮，此时应切断电源，故障。

2. 多路流量积算和系统软件编程
2.1 软件编程
由于系统需要测量瞬时流量和累积流量，若采用转子流量计，可按体积流量计算。
瞬时体积流量
Q=αCH·(2Vfg/Af)1/2(ρf－ρ)/ρ
累积体积流量
W=Qdt
式中，Vf为转子体积；ρf为转子材料密度；ρ为被测流体密度；g为重力加速度；Af为转子的大横截面；H为转子在锥管中的高度；C为与锥形管锥度有关的比例系数。
在PLC编程方面，系统具有主控模块、数据示模块、瞬时流量和累积流量计算模块等等。
本系统所具有的的优点是：利用的编程技巧，使CPU212的512个字节程序存储区得以充分利用，完成相对功能强大的多路流量积算和显示功能；同时，将程序的扫描周期降至1ms，满足了实时要求。系统采用STEP7－MICRO/DOS编程语言。主控模块中只完成对多路流量输入计数，由扫描显示器控制每路流量计算的相应按键，若有键按下，则调用相应的子程序以完成流量的计算功能，这样就可以达到降低扫描周期的目的。内部计数器利用输入脉冲的上升沿计数，并用定时器限制脉冲宽度以排除计数脉冲的干扰信号。
2.2 多路流量积算和显示系统硬件组成
本系统由1个可编程控制器(PLC)、1个显示器和多个流量计组成。如图5所示。

3. 系统性能
● 流量脉冲频率：小于50Hz。对应于各种流量计的流量范围如表1所列。
● 精度：主要取决于流量计精度，即SPX系列为±1％满量程；WTX系列为±0.75％满量程，系列流量脉冲频率>50Hz时，会产生附加误差。
● 电源：交流220V。

4. 系统主要功能
本系统可以计算和分路显示瞬时流量和累积流量，其显围为：0.0000?2949.0000(l/m)
系统通过显示器将CPU212中的各路瞬时流量和累积流量显示出来，并可清零及设置K系数，其设置方法为：K=3.7854/K′，式中K′为流量计标签上的K系数，按四舍五入法则取K的小数点后4位数。
5. 结束语
本系统在工业生产中有广泛的应用前景。可以计算和显示多路瞬时流量和累积流量，度高；使用可编程程序控制器使系统的性能价格比较高，同时由于使用了显示器，系统用户界面非常友好

1引言

    水电站的空间存在强的电磁场，发电机的电压高达数千伏，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十千伏或数百千伏，发电厂的空间具有强的电磁干扰。这种强的电磁干扰将对PLC系统的通信、CPU的正常运行、PLC电源等造成影响。

        PLC是水电站计算机监控系统部件，并且自成系统，PLC系统的性直接关系着整个计算机监控系统的性，采取措施提高水电站PLC系统的性是十分必要的。

2环境对PLC系统运行的影响

2.1开入的“信号”可能造成PLC系统的误动

    若强电电缆和PLC的信号电缆不能有效地分隔开，甚至敷设在同一电缆沟内时，高电压、大电流电路接通和断开瞬间产生的强电干扰可能会在PLC输入信号线上产生很强的感应电压和感应电流，足以出光电耦合器的抗干扰作用有效范围，使PLC输入端的光电耦合器中的发光二管发光，使PLC输入点有效。这样的输入叫“信号”或“误输入”，将导致PLC产生误动作。

    当PLC的开入模块上接到“误输入”时，其控制程序并不能识别，将依据既定的逻辑关系作出推断，并发出动作命令,同时将此“误输入”不加识别地传向后台计算机。这样的动作命令属于“误动”，可能造成意外停机甚至重大事故。

2.2电源干扰将引起PLC系统不能正常运行甚至死机

    水电站各种大功率用电、发电设备通过供电线路的阻抗耦合干扰PLC的电源，从而影响PLC系统的正常运行。当PLC系统供电电压过低时，系统将不能正常工作甚至死机；当供电电压过高或出现峰值电压时，将会对PLC系统造成冲击甚至损坏PLC系统。

2.3通信数据出错

    水电站强电磁场的工作环境，将会对PLC的通信系统产生大影响。较强的电磁干扰将会影响通讯数据的正确性，甚至会造成通信中断、瘫痪。

2.4开出端对PLC造成冲击，甚至对PLC系统造成损坏

    水电站的控制电路电压等级一般为DC220V，这样的电压一般不能直接接入PLC数字量输出模块。另外开出电路的感应电流、感应电压也会窜入PLC开出模块对PLC系统造成冲击。

3所采用的性措施

  针对工作环境对PLC系统的各种影响，可以采取以下相应措施以保证系统的性。

3.1屏体选用屏蔽性能良好的结构，以保证外部电磁干扰不在屏内部产生感应电压和感应电流。

3.2开入端选用光电隔离端子。外部开入信号的电压等级为DC220V，增强抗干扰性能；内部因为没有什么强电磁干扰，开入信号电压仍选DC24V工作。光电隔离端子输入侧和输出侧的绝缘电阻很高，一般为1012～1013Ω，而分布电容值很小，一般仅为0.5～1pF，从而输入侧的干扰很难通过；光电隔离端子中信息的传送介质为光，而信息的转换与传送过程是在不透明的密闭环境中进行的，从而不受通常的电磁信号和外界光的干扰。光电隔离端子不仅增加抗干扰性能，还能避免由开入端来的强干扰损坏屏内元器件。

3.3开出选用开关量输出端子。为避免开出端的干扰对PLC造成冲击，甚至对PLC系统造成损坏，应使用出口继电器，并选用开出量端子。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC 220V电路中，用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC 220V的负载。PLC系统只通过出口继电器的空接点对电站控制回路进行操作。对于屏内的信号灯、光字牌等工作电压为DC24V的负载可以用PLC输出模块内的小型继电器直接驱动。

3.4对于通讯部分，为提高其抗干扰性能，选用适合强干扰的工业环境的现场总线方式，通信介质选用屏蔽电缆。在实际应用中我们选用CAN总线方式。CAN采用短帧结构传输，每帧有效字节为8个，传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有CRC校验和其他检错措施，保数据出错率低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。CAN总线是适合水电站等强干扰工业环境。实际运行证明CAN是水电站PLC通信的上佳选择。

3.5电源部分

    如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应地接地。

    低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，如用L1和L2来表示用来抑制高频差模电压，L3和L4来表示用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。C1和C2来表示用来滤除共模干扰电压，C3来表示用来滤除差模干扰电压。R表示压敏电阻，其击穿电压略电源正常工作时的电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。

    高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。

    如果使用220V的直流电源（蓄电池）给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证PLC的正常工作。

    若PLC电源模块选用DC24V供电模块，可以选用外加开关电源方式，如图1。

    这样，就把电源方向的干扰挡在开关电源之外了，现场运行证明这种方案是切实可行并的。

3.6模拟量输入部分

    模拟量尽量采用4～20mA这种不易受电磁干扰的电流信号方式，模拟量输入无论屏内还是屏外均要求用屏蔽电缆接线，并且屏蔽层一端要接地，否则，电磁干扰将影响模拟量采样值的正确性。同时，在采样算法中也应加入滤波算法剔除较短的峰值较大的脉冲干扰。

3.7关于站内安装与布线

        PLC应远离强干扰源，如高压开关柜、大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备、动力线等。与PLC装在同一个屏内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路，以避免屏内强磁场的产生。

        PLC的I/O线与大功率线应分开走线，如因条件限制实在要在同槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。