吉林西门子S7-1200代理商

一． 概述：

    接近开关是一种常用的传感器件，有时用在特殊的场合，例如：数控雕铣机，数控机床，对刀装置等场合。对其重复定位的精度要求很高，稳定性好。用在此场合的器件往往需要对其进行筛选，对检测接近开关的设备的定位精度要求高，可靠的稳定性，操作简单，响应速度快，于是我们就采用由Fx1N系列PLC，GOT1000系列人机界面和MR-J3系列交流伺服系统组成的检测系统就能满足该应用需求。

二．接近开关设备的结构

    该设备的结构主要由X，Y两轴高精度的滚珠丝杠，接近开关的夹具组成。

    X轴主要带动Y轴系统做水平方向的移动。

    Y轴系统带动感应头和光栅尺做垂直方向的运动，对移动的精度要求高，响应要快。

    接近开关的夹具采用气动夹紧，实现快速夹紧，提高检测的效率，夹具系统不能采用铁质的材料。以免对接近开关产生影响，且接近开关之间的距离需要按照接近开关说明书的安装距离进行安装，否则，接近开关之间产生相互干扰，产生误动作，影响测量的精度。该设备的结构示意图如下：

三．检测设备的工作原理

    该设备工作原理完全是按照实际的工作状况进行测试接近开关，将接近开关输出信号接到PLC，利用PLC输入中断功能使Y轴进行停止，由安装在Y轴上的光栅尺将定位长度转换为脉冲，利用PLC的高速计数器进行计数，转换为实际的长度。通过多次采样，多次测量，测量出其重复定位的误差。测量时，需要进行一次试运行，确保被测接近开关每个都能感应到。先进行回零，再测量一次，使用HMI取得参考值，然后进行测量，经过两个周期的测量后，需要对传感器进行断电（注意：光栅尺和其他的不能断电，否则，测量数据不准确）一段时间，再进行测量。在性能比较好的接近开关，一般在上电后50～100ms的时间就能进入稳定状态，有一些性能差的接近开关需要5～10分钟才能稳定。整个测量过程通过软件全自动完成。

四．控制系统简介

    1.控制系统由一个HMI（人机界面）进行人机对话，两个交流伺服传动系统（伺服放大器和伺服电机），光栅尺和PLC构成。

    2.控制系统的硬件结构：
 
    GOT1150-QBBD-C+Fx1N-40MT+MR-J3-10A+HF-KP13

    3.控制系统的软件设计：

    1）HMI的设计：

    画面由HMI运行控制，参数设置，数据显示，输入监测，输出监测，报警画面，检测报告等画面组成。

    运行控制画面：测量系统的手动控制，自动控制，回零，定位功能。

    参数设置画面：螺距设定，移动距离，回零距离，测量范围，小报警误差，大报警误差，机械误差校正。

    数据显示画面：当前测量的位置，各个接近开关的参考值，小误差，大误差。

    输入监测画面：对输入显示实时监测。

    输出监测画面：对输出显示实时监测。

    报警画面：    显示当前的报警，报警复位。

    检测报告画面：对检测的时间，参考值，小误差，大误差，误差范围，测量次数，测量结果。误差平均值。

    2）PLC的程序设计

    三菱Fx1N系列PLC单体可以同时输出2个1相100KHZ的脉冲输出，具有原点回归和单速定位运行等指令，可以用来控制伺服电机的运行，定位位置由其输出高速脉冲进行jingque定位。

    利用Fx1N系列PLC单体具有1个高速2相30KHZ的高速计数功能，用来将光栅尺的输出脉冲转换为实际的测量位置。

    利用Fx1N系列PLC输入中断功能实现在测量过程中伺服的停止和换向。

    位置控制的开关信号由GOT1150人机界面来实现人机对话，通过人工回零和定位，整个的测量过程由系统全自动完成。在测量的过程中，Y轴运行速度对测量精度产生重要影响，速度越慢，测量精度就越高，速度可根据实际安装系统的回零速度来确定。速度在HMI中进行设定，更接近实际应用。

    测量过程：开始进行回零，试运行一次，确保与每个接近开关可靠的感应，防撞措施通过设定软件中数据实现。如果没有什么问题，就可以开始进行测量，需要测量一次，为以后测量提供参考值。然后，就可以进行测量，每采集一次数据，超过误差发生警告，当测量系统发生故障和误差报警范围停止工作。在测量两个工作周期后，在软件中设定对传感器断电30分钟，然后，进行下个周期的测量，当测量过程结束后，自动生成一个测量的报告。

    在本系统中，测量接近开关的重复定位精度时，可以通过软件设定对系统进行校正，保证对系统的高精度需求。

一、概述

    本文介绍了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系统中的应用并着重介绍该产品的PID闭环功能在恒温控制上的实现和强大的网络通信功能对EMERSON EV2000变频器运行控制的实现。该老化房控制系统是家电，电子，电脑行业产品生产检测的重要设备，也是产品生产合格检查的重要环节。该系统采用EMERSON EC20 PLC和多台EV2000变频器，实现对室内温度和变频器运行的集中控制。

二、             老化房控制系统工艺要求：

老化房结构如图所示：

具体要求如下：

1,  该系统所控制的老化房面积达16×30M，要求控制范围在20-55℃，控制精度达±5℃，能够在上位机对温度设定/显示/保存；（加湿控制采用单独进行和PLC无关）

2,  该系统有3个风机，用于进风，回风和排风；有4个风闸：新风闸，回风闸，排风闸，防火闸；2个防尘过滤网；6个火灾报警点；

在正常情况下（温湿度），关闭进风阀和排风阀，停止进风电机和排风电机，打开回风阀和防火阀，启动回风风机，保持老化房内回风循环；

在高温情况下，排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出部分空气；

在火灾报警情况下，防火阀关闭，回风禁止循环，全部从室内抽出；同时排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出室内空气；

3，其他要求省略；

三、             工作原理：

PLC系统结构如下：

EC20PLC设备的I/0接线如图：

工作原理：

    根据老化房工艺要求组成如上图控制系统：上位机采用台湾研华IPC（工控计算机）；监控画面采用亚控公司的KINGVIEW软件，该软件操作简单，元件形象丰富，性能稳定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA类型的PLC和4个温度采集模块（EC20-4TC，接受K型温度信号）；传动采用EMERSON EV2000通用型变频器。

    在设备连接方面，EC20 PLC充分体现了自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和IPC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台变频器组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。

    IPC为整个系统的人机接口，IPC读取PLC采集的系统运行状态如各风机的运转状态，各测温点温度，报警状况并显示在监控画面上，IPC又把各种操作命令传给PLC以控制系统的运行，如温度的设定，PID参数设定，各种阀门的开闭，变频器的启动、停止等设定。并且可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警等，IPC还可以根据设定对采集的数据进行保存打印。

在系统设计中，EC20 PLC为整个系统的核心，执行各种系统操作及计算，EC20 PLC根据工艺要求和现场状况进行逻辑判断，开闭各种阀门和启停各风机；同时利用自身的PID功能对温度进行控制，具体方法后面描述。

    EV2000系列变频器自带RS485接口的通讯单元，符合RS485通讯规范，用于实现PLC与多台变频器的联网。根据MODBUS通讯协议，我们可以通过RS485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS485通讯链路传输距离远、配线简单、抗干扰能力强、可靠性高，因此在设计中，我们省略了变频器的外部起停控制线路，对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，达到了经济高效的目的。

四、             监控画面

    整个系统监控画面主要分为主画面，实时温度监控，PID参数设定，三个部分（其他部分省略），具体如下：

    主画面如上图所示，主要完成对系统状态的监控（如各种风阀的开闭状态，风机的运行状态，报警状态），数据统计（如系统运行的时间，启停系统的次数），温度设定/测量等功能。

    实时温度监控画面如上所示，此画面主要用于对温度的实时监控，并描绘出温度曲线趋势，以便判断系统的温度控制是否处于良好状态，同时可以实现对温度进行保存/打印等操作。

PID参数设定画面主要用于比例常数P，积分常数I，微分常数D的设定，同时根据实时温度曲线状况进行调节；同时显示PID控制的输出比例。

五、             对温度控制的实现

    为便于对整个老化房内温度的控制，同时充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脉冲输出（Y0，Y1）的优势，室内温度区域分为2个部分（上层和下层各8个测温度点），对温度取平均值作为温度的测量值，并把此平均值送入PID功能块进行运算，同时对加热执行元件（参考EC20 PLC的I/O接线图，固态继电器SSR1，SSR2，SSR3所控制的发热管的功率逐渐加大）也进行了分组处理：温度偏差较小的情况下，进行PID运算，通过Y0输出脉冲给SSR1，同时关闭SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止输出）；如果温度偏差较大，则Y1，Y2也参加输出，具体处理思路如下：

    通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3度以内,而且无论提升温度还是下降温度都很快速；同时把PID输出转化为PWM的占空比输出，又大大节省了PLC的资源（充分利用Y0，Y1的高达100KHZ的脉冲输出功能）。

    EC20 PLC的编程软件CONTROLSTAR的操作简单方便，指令丰富，功能强大，是一个很的全中文编辑工具。

    实现步骤具体如下：首先，在数据块设定PID各参数，其中的重点是设置P，I，D三个参数和输出量的上下限范围，由于PID的输出结果直接和PWM结合在一起，所以设置时要特别注意，在本例子中，按照PWM的周期为4秒（=4000MS）计算，把PID的输出上下限分别设定为4000和0；另外按照逆动作（BIT0=1），输出限定（BIT5=1）的要求对D7911各位进行赋值；

D7910   500           //采样时间S3      采样时间(Ts)范围为1～32767(ms)，比运算周期短的时间数值无法执行；

D7911   16#23                        //动作方向 >          逆动作，设输出限定

………………………………………………..//BIT0    0：正动作                1：逆动作；

………………………………………………..//BIT1    0：输入变化量报警无效    1：输入变化量报警有效；

………………………………………………..//BIT2    0：输出变化量报警无效    1：输出变化量报警有效；

………………………………………………..//BIT3-4    没使用；

………………………………………………..//BIT5    0：输出值上下限设定无效1：输出值上下限设定有效；

………………………………………………..//BIT6～BIT15  没使用

D7912   70                          //S3+2    输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0时没有输入滤波；

D7913   100                         //S3+3    比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]；

D7914   25                          //S3+4    积分时间(TI)范围0～32767(×100ms)，为0时作为∞处理(无积分)；

D7915   0                           //S3+5    微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益；

D7916   63                          //S3+6    微分时间(TD)范围0～32767(×10ms)，为0时无微分处理；

D7925   2000                       //S3+15   输入变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1=1时)；

D7926   0                          //S3+16   输入变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1=1时)；

D7927   4000                       //S3+17   输出变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0时)；输出上限设定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1时)；

D7928   0                   //S3+18   输出变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0时)；输出下限设定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1时)；

其次,在程序里调用PID指令和PWM指令用于控制Y0的输出（对SV和PV的比较而进行的逻辑控制输出较简单，故此处省略）。

六、             对变频器的启停控制

    由于EMESON EC20 PLC和EV2000变频器（非标）都集成MODBUS协议，所以实现它们的通信相对比较简单，整个网络采用RS485通信方式。

1.      各设备接口通信参数设置，对EC20 PLC设置如下：

2.      EV2000的设置要点：1，各通信参数要和EC20 PLC一致；2，各变频器的地址要有自己唯一的从机地址；3，注意变频器的通信跳线开关CN14拨在RS485方向 ；

3.      EC20PLC和变频器的连接如下：

4.      EC20 PLC和变频器之间采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”编码方式，先发送高位字节，然后是低位字节。RTU方式格式如下：

    RTU方式：在RTU方式下，帧之间的空闲时间取功能码设定和Modbus内部约定值中的较大值。Modbus内部约定的小帧间空闲如下：帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5个字节时间来界定帧。数据校验采用CRC-16，整个信息参与校验，校验和的高低字节需要交换后发送。具体的CRC校验请参考协议后面的示例。值得注意的是，帧间保持至少3.5个字符的总线空闲即可，帧之间的总线空闲不需要累加起始和结束空闲。

    Modbus主要的功能是读写参数，不同的功能码决定不同的操作请求。变频器Modbus协议支持以下功能码操作：

Modbus协议不同的功能码有不同数据的格式和意义，简要介绍如下：

改写多个变频器功能码和状态参数的格式协议：请求格式如下：

应答格式如下：

读取变频器参数的协议格式：请求格式如下：

应答格式如下：

变频器的功能码参数、控制参数和状态参数都映射为Modbus的读写寄存器。功能码参数的读写特性和范围遵循变频器用户手册的说明。变频器功能码的组号映射为寄存器地址的高字节，组内索引映射为寄存器地址的低字节。变频器的控制参数和状态参数均虚拟为变频器功能码组。功能码组号与其映射的寄存器地址高字节的对应关系如下：

    F0组：0x00；F1组：0x01；F2组：0x02；F3组：0x03；F4组：0x04；F5组：0x05；F6组：0x06；F7组：0x07；F8组：0x08；F9组：0x09；FA组：0x0A；Fb组：0x0B；FC组：0x0C；Fd组：0x0D；FE组：0x0E；FF组：0x0F；FH组：0x10；FL组：0x11；Fn组：0x12；FP组：0x13；FU组：0x14；变频器控制参数组：0x32；变频器状态参数组：0x33。

    例如变频器功能码参数F3.02的寄存器地址为0x302，变频器功能码参数FF.01的寄存器地址为0xF01。

5、具体程序编写：启动5#变频器正转，转速设定为50.00HZ（内部表示为5000）的命令如下：

程序清单：

读取5#变频器的运行频率，变频器应答运行频率为50.00HZ：

程序清单：

5#变频器以快速度停车：

七、   小结

    该系统以前是采用IPC+控制I/O卡的方式进行控制的，但是存在系统稳定性能差，控制效果不理想，故障率高的缺点，自从改用EMERSON 的PLC作为系统的核心设备后，系统不仅达到良好的控制效果和很好的经济效益，同时比较容易维护，受到用户的好评