西门子6AV2124-0UC02-0AX1

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3.2 控制器 

系统的关键的设备部分是PLC。PLC是以单片机为专门用于工业过程自动化控制的电脑器件，具有高的性和稳定性。本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU222PLC作为控制的，利用CPU222的2路立的20KHz的高速脉冲输出来控制步进电动机的运动。此高速脉冲信号不能直接驱动步进电动机，需通过步进电机驱动器将功率放大后才能起作用。5路数字量输入分别与5个传感器相连接，用来判断步进电机的位置、工件的位置、头的位置。14路数字量输出中，有6路用来控制步进电机驱动器，8路用来控制电磁阀开关。 

PLC本机有一个通讯口，为标准的RS-485借口，在PLC与上位机进行通讯时需将RS-485接口转换成标准的RS-232接口，可以采用四门子提供的隔离型PLC/PPI电缆进行转换。该电缆有拨码开关可以进行设置。在上位几上将控制软件编写好后，通过此线下载程序并监视程序的运行情况。为了降，在程序调试好以后就可以不必用上位机进行操作和控制，而是用简单的操作面板即可。本系统选择是DP210操作面板。 

3.3 系统的外设 

根据系统对加工精度的高要求，选用步进电机来控制加工程序。步进电机可以到一个脉冲，在本系统中一个脉冲的精度是0.005mm。步进电机驱动器用于驱动步进电机,从而控制头的动作,完成平头。步进电机驱动器接收到PLC的信号,包括CP步进脉冲信号,DIR方向信号,FREE脱机信号,经过其内部的功放电路和处理电路后输出到后面连接的两相步进电机。步进电机根据信号的编号来产生相应的动作。电磁阀直接接受来自PLC的控制信号产生动作。另外,PLC直接接受传感器的信号,通过内部程序的运算和逻辑判断来决定输出。 

变频器用来控制主轴三相电机的转速。本系统中变频器采用基本参数运行模式,由电位器来设定运行频率,变频器的启动和停止由外部端子控制.根据不同工件的特点,通过旋转电位器来改变主轴电机的转速,外部端子的信号由PLC的12路数字量输出控制。 

4、系统的软件设计 

系统的软件包括人机交互界面DP210程序和系统的主控程序。DP210程序完成操作人员同PLC之间的对话，主要是各个操作画面之间的相互转换和每个操作画面当中各个按键动作所对应的PLC程序的控制位。程序画面要与生产现场的工作流程相适应，越是的画面就越是使用率高的画面。 

PLC程序接收到DP210的操作信号后，按照工作要求进行整个头工作的控制。主程序的流程图如图3所示。PLC主控程序中的控制是对步进电机的控制

一、引言  随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。  在电缆自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。关于整个系统的设计与实现另文介绍，本文主要介绍该系统中用作下位机的可编程控制器的作用、与计算机的通讯及程序设计方法。  二、可编程控制器的性能特点  用于控制系统中的可编程控制器是以循环扫描的方式工作，它不断读取输入点的状态，然后按照既定的控制方式进行逻辑运算，将从输出端送出，从而达到控制的目的。它是由工业微型计算机、输入/ 输出继电器、保护及抗干扰隔离电路等组成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特性。由于它具有可编程的功能，且其基本输入/输出点全部使用开关量，因而可以替代继电器控制系统和由分立元件构成的控制系统。从应用角度来看，可编程控制器具有如下特点：  1、性高：可编程控制器的输入/ 输出端口均采用继电器或光耦合器件，即基本输入/ 输出点均为开关量，同时附加有隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在比较恶劣的环境下工作。  2、体积小：在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程替代了硬连线，达到了小型化，便于安装。  3、通用性好：可编程控制器采用了模式化结构，一般有CPU模块、电源模块、通讯模块、PID模块、模拟输入/ 输出模块等。用这些模块可以灵活地组成各种不同的控制系统。对不同的控制系统，只需选取不同的模块设计相应的程序即可。  4、使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当控制对象及输入/ 输出硬件结构选定后，若要改变控制方式或对控制对象作一些改动，只需修改相应程序即可，无须对系统连线作较大的修改。从而减少了现场调试的工作量，提高了工作效率。  三、用作下位机的可编程控制器  由于可编程控制器具有上述特点，因而在检测和控制系统中得到广泛应用。但因其性太强以及受输入/ 输出节点数的限制，在由可编程控制器构成的系统中，可编程控制器主要用来完成组合逻辑与时序逻辑的输入/ 输出控制。另外，由于可编程控制器无法以比较灵活的方式显示当前各个输入/ 输出点的状态，不能以多种方式提供整个系统的运行情况，因而，在用可编程控制器构成比较大的检测控制系统时，一般用可编程控制器完成信号的采集和控制，比较复杂的数据处理、图形显示、人机界面等由计算机来完成。  在电缆自动生产线检控系统中，可编程控制器作为下位机用来控制各种电机、风机的启、停，调速器的投切，读取各控制点的状态，然后将各点的状态输入到上位机——计算机。计算机处理可编程控制器和其他设备的信息，以图表的方式显示，使操作者对生产线的工作状态一目了然。计算机和可编程控制器的硬件连接及可编程控制器与各控制端、状态点的连接如图1所示。   图1 可编程控制器接线示意图 图1中，输入到可编程控制器的检测点可分为按键类和光电开关类。按键类主要有：启动、停止、帮助、诊断、查询、复位按键等。光电开关类主要有：张力轮位置、张力杆位置、左右托位置、左右盘位置、抓勾位置、左右防护位置、排线位置、排架位置、光电开关等。可编程控制器的输出用来控制循环水、退火水、吹干风机及各种电机的启停等。  可编程控制器不断读取输入端，按既定的控制方式对输入端的状态进行逻辑运算，然后将运算经输出端输出（即进行控制），从而保证生产线的、连续运行，同时将本系统的状态按某种协议反映给上位机，上位机处理可编程控制器和其它设备的信息，作出响应，并以图表的方式显示，使操作者能随时掌握生产线的工作状态，以便在需要时进行调试。  四、通讯连接及程序设计  上位机和下位机进行数据交换的方式有很多，如网络方式、485方式、RS232方式等。由于在电缆生产线中，上、下位机之间距离较近，因而我们选用了RS232方式，其硬件连接如图2所示。   图2 可编程控制器与计算机连接示意图 图2是我们使用三菱公司的FX2可编程控制器与计算机的连接方法。可编程控制器端使用了FX - 232ADP串行通讯模块，即可编程控制器与计算机之间以RS232方式进行数据交换。当可编程控制器与计算机的距离比较远时，也可以485方式进行数据交换，只要在计算机中插一个485接口板，并将可编程控制器的ADP - 232模块换成485模块即可。  1、可编程控制器通讯程序设计  在可编程控制器与计算机通讯之前，设置相互认可的参数，这些参数有：波特率、停止位和奇偶校验位等。可编程控制器通讯参数通过寄存器D8120的位组合方式来选择，其各位定义如下：  b0 数据长度：= 0 ，7位； = 1， 8位  b2b1 校验： = 00，无校验； = 01，奇校验； = 10， 偶校验  b3 停止位： = 0， 1位； = 1， 2位  b7b6b5b4 波特率；  = 0011， 300 bps； = 0100， 600 bps；  = 0101， 1200 bps； = 0110， 2400 bps；  = 0111， 4800 bps； = 1000， 9600 bps；  = 1001， 19200 bps；  可编程控制器通讯适配器FX - 232ADP的命令为Ram ò n，其中S设定了传送数据的缓冲区址，m为从地址开始的m个顺序单元，D为接收数据的缓冲区址，n为接收数据的n个顺序单元。可编程控制器完成一次传送的程序流程如图3 所示。   图3 可编程控制器发送数据流程 M8000是当PLC运行时，处于接通状态的特殊辅助继电器。  可编程控制器是以循环扫描的方式工作（如图4 (b)所示），即按顺序反复地执行一条一条指令。如图4(b)所示，IN为一组输入指令，即一组将接点状态读入可编程控制器的指令，MEM为一组记录接点状态的指令，CAL为若干条完成控制所需的计算、处理指令，OUT为执行控制和一组输出指令，TRN为若干条向串行口发送数据的指令，依次反复执行IN、MEN、CAL、OUT、TRN，从而完成控制和数据交换的任务。由此可见，可编程控制器从串行口送出的数据是一个分段连续的数据流，如图4 (a)所示。   (a) 可编程控制器发送的数据流   (b) 可编程控制的工作流程  图4 图中Dn（n=1, 2……N）为连续从串行口输出的N个数据，在TRN之外的时间里串行口并不工作。这样，当计算机在接收可编程控制器的数据时，就需作如下考虑：  1) 应找到数据流的部，因为计算机对可编程控制器的访问具有很大的随机性，当计算机在读串行口时，有可能读到的是数据流中的任何一个数据，因而，只有找到数据流的部，然后读到的数据才是正确的、完整的数据。  2) 计算机读串行口时，应有足够的等待时间，如果计算机读串行口时，恰好读到的是数据2（D2），由于本次读到的数据不是完整的，因此计算机大约需要等可编程控制器的一个扫描周期才能读到一组完整的数据。  2、计算机通讯程序设计  在设计电缆自动生产线检测控制系统时，我们已明确了可编程控制器向计算机发哪些数据，即计算机读可编程控制器数据的个数M已知，因此可以用该数据个数M来判断所读数据是否完整。初始化串行口就是将可编程 控制器和计算机串行口的波特率、停止位、校验位、数据位等设置为相同。为了使计算机能够准确找到数据流的部，我们根据该数据流的特点和可能出现的情况，定义了03FFFF为数据流的部，即可编程控制器发送的个数据为03，二个数据为FF，三个数据为FF，然后依次发送可编程控制器的数据。计算机读取数据时，检查读到的是不是03，如果是03，再读下一个数据并检查是否为FF，若是，再读下一个数据并检查是不是FF，若是，则认为读到了数据流的部，接着读取数据，如果上述任意一项检查不符，则认为没有读到数据流的部，再重复上述检查，直至读到数据流的部为止。这样既保了数据交换的正确性，也保了数据交换的完整性。  综上所述，我们在分析了可编程控制器的工作流程、串行口工作方式和系统工作情况的基础上，设计了数据流的标志，设定了传送数据的个数，以此来判断计算机所读取数据的位置及数据的完整性，并以这种方式设计了通讯程序，实际证明效果良好。  五、结论  本文简要介绍了可编程控制器的性能、特点，在电缆自动生产线中将可编程控制器与计算机以RS - 232的方式连接，并设计了相应程序。按照这种连接和设计，我们完成了计算机与可编程控制器的通讯，实现了电缆生产线的检测控制系统，实际运行良好。(end)

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。 

1 机型的选择 

PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比的优化机型。 

在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则选用模块式结构的PLC。 

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。 

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机。其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了PLC的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合 

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。 

2 输入/输出的选择 

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。 

通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。 

2.1 确定I/O点数 

根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。 

表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数 

2.2 开关量输入／输出 

通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入／输出信号为24～240V，直流输入／输出信号为5～240V。 

尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。 

在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。 

2.3 模拟量输入／输出 

模拟量输入／输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。 

一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。 

2.4 特殊功能输人／输出 

在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定如定位、快速输入、频率等　。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从耗时的任务处理中解脱出来。 

2.5 智能式输入／输出 

当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。 

智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII／BASIC处理器、RS—232C／422接口模块等。表3归纳了选择I/O模块的一般规则。

表3 选择 PLC 的 I/O 接口模块的一般规则 

3 PLC存储器类型及容量选择 

PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。 

PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表４同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法 

4 软件选择 

在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。 

5 支撑技术条件的考虑 

选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容： 

(1) 编程手段 

便携式简易编程器主要用于小型PLC，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器； 
CRT编程器适用于大中型PLC，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本； 
由于IBM-PC已得到普及推广，IBM-PC及其兼容机编程软件包是PLC很好的编程工具。目前，PLC厂商都在致力于开发适用自己机型的IBM-PC及其兼容机编程软件包，并获得了成功。 
(2) 进行程序文本处理 

简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑； 
程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用； 
图形和文本的处理。 
(3) 程序储存方式 

对于技术资料和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或EEPROM存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。 

(4) 通信软件包 

对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用PLC的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。 

6 PLC的环境适应性 

由于PLC通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。 

一般PLC及其外部电路（包括I/O模块、辅助电源等）都能在表５所列的环境条件下工作。

表5 PLC的工作环境 

7 结束语 

随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的控制系统。(end)

1. DCS是一种“分散式控制系统”，而PLC (可编程控制器) 只是一种控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调，PLC装置只实现本单元所具备的功能。  2. 在网络方面，DCS网络是整个系统的神经，它是双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性好。而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与标准不符。在网络上，PLC没有很好的保护措施。我们采用电源，CPU，网络双冗余。  3. DCS整体考虑方案，操作员站都具备工程师站功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制， 协调控制;而单用PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能。  4. DCS在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。  5. DCS性：为保证DCS控制的设备的，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行换维护并需重新编程。所以DCS系统要比其性上高一个等级。  6. 系统软件，对各种工艺控制方案新是DCS的一项基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于PLC构成的系统来说，工作量其庞大，需要确定所要编辑新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，后再用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项目中（500点以上），基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因。  7. 模块：DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，故障带电插拔，随机换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。  8. 现在的PLC与DCS的功能已经差不多，DCS对网络和分布式数据库还要定时扫描有较强的功能，同时对运算和模拟量的处量比较拿手。  9. PLC还分大、中、小、微PLC，其中的只卖几百块到2000块，点数也好少，大型的可以带数千点，运算能力与DCS差不多，但对多机联网功能较弱。现在两个技术平台都差不多，只是不一样。

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