6AV6640-0DA11-0AX0型号规格

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4 井下风门实现自动启闭

兖州矿业（集团）公司东滩煤矿和山东省煤炭科学研究所开展了井下风门自动控制的研究，通过井下风门的特殊结构，由远红外传感器对来往的车辆进行动态检测，同时利用可编程控制器实现井下风门的自动开启和关闭，了车辆和行人的。

现在井下使用的风门均是由人工操作的。由于负压大，开门的操作力相当大，不仅开启、关闭十分不便，而且其容易损坏风门。这项研究的技术关键在于先开窗口然后开门。风门两侧的空气有着一定的压差，由于风门的面积很大，一般风门的开启压力为30～50kg。但是当风门已经有了比较小的开启时，这个压力就会锐减到5kg以下。为了减小开启的压力，他们在风门上设置一个窗口。因为窗口的面积比较小，其开启压力只有10kg左右。窗口打开以后，风门内外两侧的压差立刻大为减小，有效地减小了开启机构的强度和汽缸的操作力。

此项成果工作原理如下：当风门需要开启时，控制信号传送给了二位五通双控电磁阀，电磁阀打到供气位置，汽缸的活塞带动行走部分向外运动，随即打开设在风门上的小窗。当小窗开启到与风门夹角成30时，小窗就会被固定销挡住，无法继续打开，而行走支点继续向前移动，从而带动风门开启。由于风门上的小窗已经打开，风门内外的压差基本消失，所以风门很容易就可以开启。当风门开启角达到90时自动停止动作，车辆和行人可以通行。当风门需要关闭时，控制信号传输到二位五通双控电磁阀使其换向，控制压气进入汽缸的另一端，汽缸的活塞带动行走部分向回移动，先是小窗被关严，然后带动风门转动，直到风门被关严为止。

们认为：此项成果有效地解决了风门开关不便的难题，可以防止风门撞车事故的发生，值得大力推广使用。

5 可编程控制器在通风机自动化变频控制中的应用

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿在山东科技大学的协助下，成功地将可编程序控制器应用于南风井和北风井的主通风机自动化变频系统，运行稳定、调速平滑方便，而且实现了包括前导器和风门在内的全自动操作，由于其结果使得矿井的风量需求减少而全年节约电费110万元。

该系统是以可编程序控制器为控制、智能变频器为执行的机电一体化成果。为了确保通风机的运行，主回路设计为两部分：低频部分由1台VF61-2004智能变频器和2台ABB型低频接触器组成，是通风机的主运行回路；工频部分由2台降压启动器组成，作为低频系统的后备回路，用于低频系统发生故障的时候降压启动并且全速运行通风机。

控制系统由5部分组成：SU-6B工业可编程序控制器完成系统的自动控制和智能保护、风量传感器实现系统的风量闭环控制、风门绞车编码器实现风门的绞车行程控制、电流变送器实现通风机的过流保护、前导器电动执行机构由可编程序控制器控制自动开启和关闭通风机的前导器。

通风机的风门控制和风量闭环是程序设计的关键点。①在通风机运行过程中，如果风门的开、关过位，则有可能造成风门绞车断电或者对风门造成损坏；如果开、关不到位，则会引起漏风从而影响通风机的效率。因而，除了在系统的硬件设计中给予了充分的重视之外（采用TRD1000型轴编码器），软件的设计也作了周密的考虑。②风量闭环的质量直接影响到矿井的通风质量甚至通风，所以在软件设计中采用了PD调节的方式，以保证闭环的质量。

实践表明：此项成果与国内使用单片机和工业控制机进行改造的类似项目相比较，无论是在性还是参数变的灵活性方面都具有很大的优越性，可以广泛地应用于矿井主通风机的自动化改造。

6 空气压缩机群组的微机监控系统

由兖州矿业（集团）公司杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所研制的以可编程控制器为的空气压缩机群组微机监控系统，解决了以单片机或者工业控制机为的空气压缩机微机监控系统数据测试不准以及整机抗干扰能力差的问题，完善了空气压缩机在运转过程中的保护。

空气压缩机是煤矿生产的重要动力设备之一。国内目前运行的空气压缩机大都是采用一般的继电器控制，其监控与保护的技术水平低下，不能够达到《煤矿规程》对空气压缩机运行的规定要求，因而故障率高、维护量大。虽然有些矿井采用了空气压缩机自动控制以及微机控制技术，但由于所选机型或采取的技术措施不能适应煤矿空气压缩机房的特殊生产环境，安装不久就不能正常使用。新研制的空气压缩机群组微机监控系统由温度变送器、压力变送器、断水装置实时采集现场信号，送到可编程控制器各相关模块，由CPU进行处理，经传感器数显仪表实时监测、显示设备的工作状态与参数值，具有温度监测与保护、压力监测与保护、断水指示与保护、电参数监测与保护、空气压缩机群组集中控制等功能。

其主要性能特点是：①主机采用进口可编程控制器，整机稳定，抗干扰能力强；其模块化结构与简单易懂的编程语言，便于现场维护。②采用温度、压力变送器及传感器数显仪表、线性电源对AD/DA模块供电、“一对一”屏蔽电缆接线等技术。③系统具备集中控制、参数自动巡检（巡检时间间隔由用户自由设定）与手动检测的功能，且具有运行指示、告警指示、消音、复位等项功能。④整机硬件配置合理，软件结构化设计，性能价格比高；面板PVC工艺制作，外形美观漂亮。

7 PLC在矿山空气风缩机集中监控中的应用

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿与山东省煤炭科学研究所合作，采用SU-6B可编程控制器对4台空气压缩机进行集中监测与控制改造，通过对现场出现的问题不断进行持续调整，达到了基本完善的集中监测与控制功能。

该矿工业广场的空气压缩机房布置4台L8/60-7空气压缩机，采用同步电动机直联拖动，励磁柜供励磁电源。每台空气压缩机采用9路开关量、7路模拟量信号输入、7路开关量输出。水温与水压设计成4台机公用，模拟信号传输电缆采用屏蔽电缆，输出数据采用4台机公用显示，定期扫描巡检输出，带手动自锁巡检按钮，便于司机抄表。系统具有故障记忆功能，在声光告警状态下，自动记忆并锁定故障车号及故障状态参数，以便分析，按下“复位按钮”方可恢复系统自动运行。为了确保设备在可编程控制器及故障检修状态下运行，设置了手动控制系统与可编程控制器系统相互切换，手动控制与改造前的控制功能相同。由于压风机启动、停车都按程序进行，先卸荷、放风使空气压缩机空载然后再停车，故将方式开关作为紧急停机开关信号引入。

在软件上加了紧急停车回路，按照《煤矿规程》的要求，将停水、断油、温与紧急停车开关组合成紧急停车回路，确保故障状态或紧急情况下人为紧急带负荷停车，防止事故蔓延。由于卸荷打风的压力传感器都是的，每台机的打风卸荷受各自传感器控制，而传感器都装在各自的风，风包排气管路又相互联结在一起，就使较灵敏的压力传感器先动作，打风卸荷交替运行，而不灵敏的传感器基本上不动作，总处在满负荷工作状态。为此，将程序作了修改，使一台机连续运行一定时间后自动卸荷，直到风压降到下限，再投入运行。

8 集散式分布控制系统应用于矿井水处理系统

兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿原有的矿井水处理设施已无法满足矿井水排量的需求，对原处理设施进行技术改造，提高矿井水的处理能力。为此，他们在山东省煤炭科学研究所的帮助下增设了一套新的矿井水处理设备。为了降低了水处理成本，采用了集散式分布控制系统，对设备异常采用级文本指示可能出现故障的原因，有利于准确分析、判断和排除故障。

该矿的矿井水处理设施分两点布置，一级站与二级站相距450m。站内设备布置相对集中，分别设有1台可编程控制器（PLC）对设备进行控制。由于过程控制涉及到整个系统设备监控、数据采集及自动加药排泥、等诸多环节，所以自动加药排泥和都具备立的控制单元。矿井水处理过程控制系统由网络服务器、上位机系统、可编程控制器控制系统、控制系统、智能仪表、传感变送器以及打印机等组成。此系统采用Porfibus工业总线集散式分布控制方式。上位系统通过MPI总线与下位控制单元PLC、智能控制单元等进行通讯，从而完成相关设备运转的工况监控、相关工艺参数的实时监测和显示、工艺流程控制、动画显示、数据存储、报表管理、定时打樱

实践表明，集散分布控制方式的大优势在于控制风险分担，将控制功能分散到若干个智能控制单元，避免系统某一环节异常或故障而造成整体瘫痪，有着较高的性。下位机如PLC、智能仪表具有立的CPU，既可脱离上位机立完成控制功能，又可通过网络通讯接受上位机的监控与管理。由于系统配置灵活、扩展方便，各工控智能单元作为下位机既立又与整个系统融为一体，优势得以充分发挥，具有较高的性能价格比。

9 用PLC实现选煤厂设备起车前故障检测

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿选煤厂采用可编程序控制器控制选煤厂设备起车前的故障预检测，保证全部设备一次起车成功，成功率几乎达到了**，了良好的效果。

该厂的设备均采用集中控制方式。在起车过程中，只要其中有一台设备发生了故障，其余的设备就全部停车检修，而且要待到所有设备均无故障后才能再次起车。由于选煤厂的设备数量多达数百台，因而起车的过程经常需要重复好几次，不仅严重影响了正常生产秩序，还造成了设备的空运转磨损，浪费了电能消耗。为此，他们采用可编程序控制器对设备进行起车前的故障预测。此项改造完成后，开车前由可编程序控制器对电动机的二次控制回路进行故障检查，检测接点被串入集中控制起车信号回路和电动机控制回路中。在设备完好状态下，检测接点是闭合的，设备有输入信号，此时即可以起车；当设备有故障时，检测接点则是打开的，这时设备没有输入信号，立即可找出故障。常见故障有漏电继电器、热继电器、综合保护器等跳闸及停止按钮按下后没有复位等。

运行实践表明，这项改造成果的预检测功能是相当的，经济效益和社会效益均非常显著。们对济宁三号煤矿选煤厂应用可编程序控制器实现全厂设备起车之前的故障预检测的成果给予了高的评价，希望能够尽快地在大的范围得到推广。

10 PLC在鲍店选煤厂系统的应用

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿选煤厂的控制系统采用底层可编程控制器系统与上位机监控相结合的模式，以数据量逻辑控制为主，配以少量工艺过程参数的模拟量检测监视，用于实现工艺流程系统设备的集中启、停车控制和运行过程中的连锁控制，并且具有工艺过程参数的闭环控制系统，达到国内**业中的水平。

该厂原先的系统采用SIMATIC TI545、配煤系统采用SIMATIC S70-300。系统的整体框架分为原煤重介选矸系统、筛分系统、储装运系统、跳汰系统、捞坑系统和沉降离心脱水系统；原煤室操作原煤系统的重介选矸系统和筛分系统；储运室操作储装运系统；压滤车间设备仅在模拟盘上显示。三个室有各自的可编程控制器主机，互不通讯，版本不一。改造后的新系统将洗煤、压滤与储运系统合为一台可编程控制器主机，原煤车间单一台可编程控制器主机；两台主机不直接通讯，系统通过上位机通讯互访。

控制方案选用施耐德140系列PLC系统，主机选用CPU11303处理单元，具有512K字节RAM，MODBUS、MODBUS PLUS接口。与现场设备状态检测及控制电路相连的部分采用MODBUS PLUS工业总线结构的分布式控制系统，在厂调度室和原煤车间分别设置立的可编程控制器主机站，在主厂房洗煤车间9PD、10PD和5PD-1配电室、原煤车间3PD、重介二楼配电室、重介三楼配电室、筛分车间配电室、原煤1#变电所、储运5PD-1、原煤2#变电所、块煤仓下、原煤仓下和压滤车间配电室设置分布站，除了原煤车间3PD、重介二楼配电室、重介三楼配电室、筛分车间配电室和原煤1#变电所分布站由原煤系统可编程控制器控制外，其余分布站均由厂调度室可编程控制器控制。

11 提高PLC控制系统性的措施

可编程控制器在选煤厂已得到广泛应用，但由于各种原因造成控制系统性低。兖州矿业（集团）公司职工大学通过原因分析，从软硬件及安装使用等方面提出一些措施，有效地提高可编程控制器的性。

⑴设计完善的故障报警系统。在自动控制系统中设计三级故障报警系统。一级设置在控制现场的各种控制面板上，用指示灯指示设备正常运行和故障情况。二级故障显示在的控制大屏幕监视器上，设备出现故障时有文字显示故障类型，工艺流程图上对应设备闪烁。三级故障显示在控制室信号箱内，出现故障时信号箱声光报警，提示及时处理。

⑵提高输入信号性。①硬件。选用性较高的变送器和开关，防止各种原因引起的传送线路短路、断路或接触不良。②软件。在程序设计中加数字滤波程序，增加输入信号的性；现场输入触点后加一定时器，其定时时间根据触点抖动情况和系统要求及相应速度确定，保触点稳定闭合后才有其它响应；模拟信号滤波采用下法：对现场信号连续采样3次，其间隔由A/D转换速度和模拟信号变化速度决定，去掉大、小值，保留中间值存放在数据寄存器中；程序设计时可利用信号间关系判断信号程度，如贮罐上下液位保护的开关动作发出信号给可编程控制器，将此信号与液位计信号对比正确说明真实，反之可能限开关故障或传送信号线路故障；系统功能表上有时不出现互锁，但为了提高性在编程时加以互锁。

⑶执行机构。负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，吸合、释放；开启或关闭阀门时，关闭时间根据阀门开度而不同，设延时又检测不到开或关到位的信号，如信号不能准确返给可编程控制器则阀门可能有故障。

⑷安装、布线采取抗干扰。PLC的电源、I/O电源一般采用不带屏蔽层的隔离变压器供电，在较强干扰源环境中使用时接地截面积不小于2，接地电阻不大于100kΩ，接地线采用立接地方式；可编程控制器电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线和直流线尽量分开布线，开关量信号、模拟量信号要分开布线，模拟量和数字传输线采用屏蔽线并屏蔽接地。

（一）数字量输入和输出映象区
1.输入映象寄存器（数字量输入映象区）（I）
数字量输入映象区是S7-200 CPU为输入端信号状态开辟的一个存储区。输入映像寄存器的标志符为I，在每个扫描周期的开始，CPU对输入点进行采样，并将采样值存于输入映象寄存器中。
输入映象寄存器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从I0.0-I15.7，共有128点
（2）按“字节”方式：从IB0-IB15，共有16个字节
（3）按“字”方式：从IW0-IW14,共有8个字
（4）按“双字”方式：从ID0-ID12，共有4个双字
2.输出映象寄存器（Q）
数字量输出映象区是S7-200 CPU为输出端信号状态开辟的一个存储区。输出映像寄存器的标识符为Q（从Q0.0-Q15.7,共有128点），在每个扫描周期的末尾，CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从Q0.0-Q15.7，共有128点
（2）按“字节”方式：从0-15，共有16个字节
（3）按“字”方式：从QW0-QW14,共有8个字
（4）按“双字”方式：从QD0-QD12，共有4个双字
（二）模拟量输入映象区和输出映象区
1.模拟量输入映象区（AI区）
模拟量输入映象区是S7-200 CPU为模拟量输入端信号开辟的一个存储区。S7-200将测得的模拟量（如温度、压力）转换成一个字长（2个字节）的数字量，模拟量输入映像寄存器用标识符（AI）、数据长度（W）及字节的起始地址表示。
从AIW0-AIW30,共有16个字，总共允许有16路模拟量输入。
说明：模拟量输入值为只读数据。

2.模拟量输出映象区（AQ区）
模拟量输出映象区是S7-200 CPU为模拟量输出端信号开辟的一个存储区。S7-200将1个字长（2个字节，16位）的数字量按比例转换为电流或电压。模拟量输出映像寄存器用标识符（AQ）、数据长度（W）及字节的起始地址表示。
从AQW0-AQW30,共有16个字，总共允许有16路模拟量输出。
（三）变量存储器（V）（相当于内辅继电器）
PLC执行程序过程中，会存在一些控制过程的中间结果，这些中间数据也需要用存储器来保存。变量存储器就是根据这个实际的要求设计的。变量存储器是S7-200 CPU为保存中间变量数据而建立的一个存储区，用V表示。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从V0.0-V15119.7，共有40960点。CPU221、CPU222变量存储器只有2048个字节，其变量存储区只能到V2047.7位。
（2）按“字节”方式：从VB0-VB5119,共有5120个字节
（3）按“字”方式：从VW0-VW5118，共有2560个字
（4）按“双字”方式：从VD0-VD5116，共有1280个双字
（四）位存储器（M）区
PLC执行程序过程中，可能会用到一些标志位，这些标志位也需要用存储器来寄存。位存储器就是根据这个要求设计的。位存储器是S7-200 CPU为保存标志位数据而建立的一个存储区，用M表示，用M表示。该区虽然叫位存储器，但是其中的数据不仅可以是位，还可以是字节、字或双字。
（1）按“位”方式：从M0.0-M31.7，共有256点。
（2）按“字节”方式：从MB0-MB31，共有32个字节
（3）按“字”方式：从MW0-MW30，共有16个字
（4）按“双字”方式：从MD0-MD28，共有8个双字
（五）顺序控制继电器区（S）
PLC执行程序过程中，可能会用到顺序控制。顺序控制继电器就是根据顺序控制的特点和要求设计的。顺序控制继电器区是S7-200 CPU为顺序控制继电器的数据而建立的一个存储区，用S表示。在顺序控制过程中，用于组织步进过程的控制。
可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从S0.0-S31.7，共有256点
（2）按“字节”方式：从SB0-SB31，共有32个字节
（3）按“字”方式：从SW0-SW30，共有16个字
（4）按“双字”方式：从SD0-SD28，共有8个双字
 （六）局部存储器区（L）（相当于内辅继电器）
S7-200 PLC有64个字节的局部存储器，其中60个可以用作暂时存储器或者给子程序传递参数。
局部存储器和变量存储器很相似，主要区别是变量存储器是全局有效的，而局部存储器是局部有效的。全局是指同一个存储器可以被任何程序存取（例如，主程序、子程序或中断程序）。局部是指导存储器区和特定的程序相关联。
几种程序之间不能互访。
局部存储器区是S7-200 CPU为局部变量数据建立的一个存储区，用L表示。该区域的数据可以用位、字节、字、双字四种方式来存取。
（1）按“位”方式：从L0.0-L63.7，共有512点。
（2）按“字节”方式：从LB0-LB63，共有64个字节
（3）按“字”方式：从LW0-LW62，共有32个字
（4）按“双字”方式：从LD0-LD60，共有16个双字
（七）定时器存储器区（T）
PLC在工作中少不了需要计时，定时器就是实现PLC具有计时功能的计时设备。定时器的编号：
T0、T1、.....、T255
S7-200有256个定时器
（八）计数器存储器区（C）
PLC在工作中有时不仅需要计时，还可能需要计数功能。计数器就是PLC具有计数功能的计数设备。
计数器的编号：C0、C1、......、C255
（九）高速计数器存储器区（HSC）
高速计数器用来累计比CPU扫描速率快的事件。S7-200各个高速计数器计数频率高达30kHz。
S7-200各个高速计数器有32位带符号整数计数器的当前值。若要存取高速计数器的值，则给出高速计数器的，即高速计数器的编号。
告诉计数器的编号为：HSC0、HSC1、......、HSC5。
S7-200有6个高速计数器。其中的CPU221和CPU222仅有4个高速计数器（HSC0、HSC3、HSC4、HSC5）
（十）累加器存储器区（AC）
累加器是可以像存储器那样进行读/写的设备。例如，可以用累加器向子程序传递参数，或从子程序返回参数，以及用来存储计算的中间数据。
S7-200CPU提供了4个32位累加器（AC0、AC1、AC2、AC3）。
可以按字节、字或双字来存取累加器数据中的数据。但是，以字节形式读/写累加器中的数据时，只有读/写累加器32位数据中的8位数据。如果是以字的形式读/写累加器中的数据时，才能一次读写全部32位数据。
因为PLC的运算功能是离不开累加器的。因此不能像占用其他存储器那样占用累加器。
（十一）特殊存储器区（SM）
特殊存储器是S7-200 PLC为CPU和用户程序之间传递信息的媒介。它们可以反映CPU在运行中的各种状态信息，用户可以根据这些信息来判断机器工作状态，从而确定用户程序该做什么，不该做什么。这些特殊信息也需要用存储器来寄存。特殊存储器就是根据这个要求设计的。
1.特殊存储器区
它是S7-200为保存自身工作状态数据而建立的一个存储区，用SM表示。特殊存储器区的数据有些是可读可写的，有一些是只读的。特殊存储器区的数据可以是位，也可是字节、字或双字。
（1）按“位”方式：从SM0.0-SM179.7，共有1440点。
（2）按“字节”方式：从SM0-SM179，共有180个字节。
（3）按“字”方式：从SMW0-SMW178，共有90个字
（4）按“双字”方式：从SMD0-SMD176，共有45个双字
说明：特殊存储器区的头30个字节为只读区。
2.常用的特殊继电器及其功能
特殊存储器用于CPU与用户之间的交换信息，例如SM0.0一直为“1”状态，SM0.1仅在执行用户程序的个扫描周期为“1”状态。
SM0.4和SM0.5分别提供周期为1min和1s的时钟脉冲。SM1.0、SM1.1和SM1.2分别是零标志、溢出标志和负数标志

1．计数器模块
模块的计数器均为0～32 位或± 31 位加减计数器，可以判断脉冲
的方向，模块给编码器供电。达到比较值时发出中断。可以2 倍频和
4 倍频计数。有集成的DI/DO。
FM 350-1 是单通道计数器模块，可以检测达500kHz 的脉冲，
有连续计数、单向计数、循环计数3 种工作模式。FM 350-2 和CM 35
都是8 通道智能型计数器模块。
2．位置控制与位置检测模块
FM 351 双通道定位模块用于控制变级调速电动机或变频器。FM
353 是步进电机定位模块。FM 354 伺服电机定位模块。FM 357 可以
用于多4 个插补轴的协同定位。FM 352 高速电子凸轮控制器，它
有32 个凸轮轨迹，13 个集成的DO，采用增量式编码器或式编
码器。
SM 338 声波传感器检测位置，无磨损、保护等级高、精度稳定
不变。
3．闭环控制模块
FM 355 闭环控制模块有4 个闭环控制通道，有自优化温度控制算
法和PID 算法。
4．称重模块
SIWAREX U 称重模块是紧凑型电子称，测定料仓和贮斗的料位，
对吊车载荷进行监控，对传送带载荷进行测量或对工业提升机、轧机
载进行防护等。
SIWAREX M 称重模块是有校验能力的电子称重和配料单元，可
以组成多料称系统，安装在易爆区域。
5．电源模块
PS 307 电源模块将120/230 伏交流电压转换为24V 直流电压，为
S7-300/400、传感器和执行器供电。输出电流有2A、 或10A 3 种。
电源模块安装在DIN 导轨上的插槽1。

西门子PLC在运行时采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。
    下面是循环处理的各个阶段的任务：
    1) 操作系统启动循环时间监控。
    2) CPU将过程映像输出区的数据写到输出模块。
    3) CPU读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。
    4) CPU处理用户程序，执行用户程序中的指令。
    5) 在循环结束时，操作系统执行其他任务，例如下载和删除块等。
    6) CPU返回阶段，重新启动循环时间监控。
    有个网友提出这样一个问题：为什么不是像其他PLC那样，在本次扫描周期结束的时候将过程映像输出区的数据写到输出模块，而是在下一个扫描循环周期才写到输出模块？这样不是产生了一个扫描周期的延迟吗？
    我的回答如下：PLC的扫描工作方式是一种重复的循环过程，就像我们日常使用的时钟一样，23点59分59秒过了就是下的0点0分0秒。说起来进入了下，实际上只差时间。因此在下一扫描周期的开始将数据输出到外设，与本周期结束时输出的效果基本上是一样的。这两种方法的输出时间相差不是一个扫描周期，基本上没什么差别。

为了扩展数控系统逻辑功能的可编程能力，通常在数控系统中配置PLC功能。并采用立PLC或内置式PLC两种方式。但目前内置式PLC一般使用软件实现。有一套特有的编程与配置方法，这对使用者熟悉新功能提出了额外的要求。现场可编程逻辑器件FPGA具有很强的在线逻辑编程能力。常被应用于实现某些逻辑控制中。比如交通信号灯控制：近来也有用FPGA实现PLC的尝试。即将与需要实现的控制功能对应的梯形图直接做成FPGA硬连线逻辑。但这些应用都没有脱离FPGA本身的现场可编程特性。用户如需修改控制逻辑。就需要掌握VHDL语言及FPGA的EDA设计方法。否则不能提供加友好、通用的PLC编程界面。
 
本文介绍了一种新的数控系统中内置式PLC的FPGA实现方法。它能较好地解决上述技术难题，也便于实际应用。

1 基于ARM和FPGA的数控系统
机床数控系统由控制系统、伺服驱动系统和伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，被发送到伺服驱动系统。然后由伺服驱动系统形成伺服电机的运转控制令。从而使伺服电机完成相应的动作。
 
基于ARM+FPGA的数控系统的FPGA部分结构框图，下载接口、配置器件及FPGA 3个部分组成了FPGA自身的开发调试环境。可以方便地与PC组成开发调试平台。机床控制单元MCU使用32位的ARM嵌入式处理器。运行uC／0S实时操作系统，实现控制系统的大量分析和计算工作。比如G代码解析，根据加工要求形成坐标轴的运动指令以及数控系统的人机界面等。FPGA除了完成对运动指令进行细插补之外。同时还实现了数控系统键盘电路的扫描模块、编码计数器模块和驱动器控制模块的功能。本文要介绍的数控系统内置式PLC也是在FPGA内部实现的。

2 用FPGA实现PLC的软硬件架构
为了有好的人机界面。符合工程习惯。采用与主流商业PLC兼容的编程语言进行编程。内置式PLC可以接受终用户输入的PLC指令表(一个特定的子集)。并终实现相应的逻辑控制功能。FPGA内部是硬件逻辑。显然无法识别PLC指令，因此，为了实现这种构想。设计一套指令集。该指令集定义了FPGA可以执行的小操作的集合。然后根据指令集来设计编译器和FPGA内部的PLC逻辑。其软硬件架构如图2所示。PLC指令被编译后，生成FPGA可执行的指令代码。然后将指令代码下载到FPGA内部，由执行逻辑对代码进行逐条执行。终实现PLC的逻辑控制功能。

PLC逻辑是一个状态机。可以根据不同的输入指令执行不同的操作。在设计中。应确定需要执行的指令集合，即状态机的指令集设计。然后根据指令集来设计编译器和PLC逻辑功能。PLC指令编译器源程序使用C语言编写。这样。此编译器可以方便地移植到PC、ARM或别的任何支持C编程的平台上。基于图2中的软硬件架构的PLC不能立运行。需要MCU对其进行相应的设置和辅助。在MCU端。需要一个专门处理与PLC接口的任务(对于多任务操作系统)或程序。

在MCU端，可以提供相应的PLC人机界面，提供PLC梯形图或指令表的编辑、编译甚至排错界面，当编译完成后。生成可供FPGA内部的PLC逻辑执行的“PLC中间操作码”。当要执行PLC功能时，MCU配置FPGA处于“代码下载状态”。并由MCU将编译后的代码下载到FPGA的RAM中：下载完成后。MCU将FPGA设置为“PLC运行状态”。开始依次读入输入和输出端口的状态。并根据所要执行的指令新状态。后输出刷新状态。FPGA还有一个“监控状态”。此时。ARM处理器可以直接设置PLC的输入输出10寄存器的值。并可以单步运行PLC中间操作码。ARM结合返回信息。并配合相应的界面，即实现了对PLC的调试。
 
3 PLC逻辑的EDA设计方法
新型FPGA器件及新的EDA设计软件和工具是这种数控系统内置式PLC实现方式的前提。没有EDA设计流程和方法的支撑。是很难完成相应设计工作的。
图4是典型的EDA设计流程。主要包括设计输入、功能、综合与优化、映射和布局布线以及后的下载验证等环节。EDA设计流程中。重要的环节便是。因为所设计的对象在FPGA内部很难在硬件上进行测试。利用诸如Active—HDL。ModelSim等工具进行功能、综合后以及布局布线后。设计过程和过程是交叉同步进行的。而且设计一个模块。即对一个模块的功能进行，确保其正确后，才可以集成到高层面的设计中去。的主要任务就是检验HDL是否能满足设计所提的要求。检验的方式是编写测试平台。在测试平台上给模块输入条件。观察或检验其输出。从而验是否满足设计要求。Active—HDL的Generate TestBench功能还可以生成测试向量的模板。大大加速了设计过程。

总之，掌握并正确使用EDA设计方法。是使用FPGA进行逻辑设计成功的关键。
 
4 在数控系统中的实现与分析
基于FPGA的PLC实现方法在我们的基于ARM+FPGA的数控系统中得到了应用。形成了PLC原型机，实现了基本的PLC逻辑控制功能。能够与数控系统集成在一起。结合相应的控制界面。可以对机床的各逻辑开关量进行PLC编程控制。重要的是。这种框架下的PLC具有开放式结构。可根据需要不断完善。实现复杂的功能。如图5所示，PLC有2个主要状态。即输入输出刷新(pc status=0)和运行状态(pc status=1)。在pc status=0时，输入被采样，输出映像被置位：当pc status=1时，PLC开始运行，pc pointer为PLC内部指令的指针，在每个时钟周期，PLC执行一条指令，并将指令指针后移，当执行完所有指令后，outputfresh置高，允许输出映像寄存器的输出到端口plc io out中去。以上过程反复进行，便实现了PLC的基本逻辑功能。

针对数控系统中各种内置式PLC的实现方式。基于FPGA的解决方案在以下一些方面做了特别的处理：
(1)复位问题。当FPGA一上电时，其内部的PLC逻辑即令其自身进入了一个自复位状态。此时如果没有外部MCU给予正确的操作指令。FPGA将不会进入其他任何状态。从而确保PLC不会产生任何的误动作。
(2)响应时间。PLC程序会得到周而复始的执行，当输入状态(in image)改变时，输出状态会在下一个允许输出信号有效时(outputfresh=1)得到新。PLC的大响应周期取决于所执行的指令条数。对于绝大多数指令而言。PLC可在每个时钟周期执行一条语句。在后一条语句执行完成后的下一个时钟上升沿输出得到刷新，同时在此刷新时钟周期内。PLC进行循环复位的初始化工作。差的情况时。输入信号在上次采集刚刚结束后发生变化。需要在下一次采样并执行完成后才能反映到输出上。即响应时间为Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×时钟周期，本文使用的时钟周期为50ns，因此有：Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×50ns：受FPGA内部的EAB(bbbbbded Arrav B10ck。一种专门用来综合成RAM的内部资源)数量的限制。只能综合出约2k bvte RAM(除非设置必要的控制寄存器)。当执行约有2 000条PLC指令时。大响应时间为0。2ms量级。
对于一般以软件方式实现的PLC。多使用一个特定的任务来实现PLC逻辑控制功能。在嵌入式操作系统中。任务的上下文切换时间一般在斗s量级；而且随着系统中其他任务的就绪。PLC任务将面临被暂时挂起。在这种情形下。其响应时间将进一步变长。当然。如果使用高频率运行下的嵌入式处理器(60MHz以上)，在指令条数较多时，其响应时间也可接受。但数控系统中的PLC功能一般都只实现对机床的简单逻辑控制。控制环境比较简单。指令条数有限。因此使用FPGA方式实现还是有其特有的优势的。
(3)PLC运行阶段的性。PLC是将编译后的可执行指令放到FPGA内部的RAM中运行。只要完成必要的配置。PLC便立运行，不再需要外部MCU的干预。换言之，此时。即使MCU死机或程序跑飞，也不会影响正在执行中的PLC功能。因此。使用FPGA来实现PLC功能。对于提高数控系统的整体性是有优势的。
(4)PLC指令长度的支持。由于FPGA内部的EAB资源有限，因此能够容纳的PLC指令长度有限。同时。每次PLC运行前都由MCU将代码下载到FPGA中。然后才可控制PLC开始运行。即FPGA不能自实现PLC功能。为了解决这一问题，可考虑为FPGA专门配置非易失性的存储器。比如Flash。这样不但可以扩大PLC指令长度。而且还可实现上电自动运行PLC程序。甚至不需要MCU的辅助和干预，但这将需=要诸如编程器之类的部件的支持。