西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0功能介绍
1 自动智能仓储系统简介
智能仓储系统是集机、电、微机、数据库为一体的产品。使用智能仓储系统的目的是能高效率地利用存储空间**保管使用率且存放安全。可编程控制器plc以其可靠性、灵活性、适应工厂现场控制等诸多优点在自动仓储控制系统中得到了充分体现。plc能对上位机传送的数据进行分析判断完成数据采集、逻辑运算输入输出控制等功能，然后把指令发给变频器控制电机操作完成动作。
2 自动智能仓储系统组成
本例智能仓储系统的现场人机界面采用触摸屏，对电机的控制采用变频器，控制系统主控单元采用siemens s7-200 plc。智能仓储系统中plc的输入设备有按钮、行程开关、接近开关，输出设备有继电器、接触器。因智能仓储系统的输入量太多，本项目采用了两个plc数字量扩展模块em221，如图1所示。
图1 em221扩展智能仓储系统的外接输入图
3 plc与外部设备的通信协议
西门子s7- 200系列的plc可以在四种通信模式下工作：ppi模式、mpi模式、profibus - dp模式和自由口通信模式。
ppi协议用于点对点接口, 是一个主/从协议。ppi方式用于与西门子公司的plc编程器或其它产品通信其通信协议是不公开的。
mpi协议适用于多点接口, 可以是主/主协议或主/从协议。
profibus-dp是西门子支持的现场总线网络。这种方式使得plc可通过profibus的dp通信接口接入现场总线网络从而扩大plc的使用范围。
自由口(freeport)通信模式是对用户完全开放的。自由口通信模式是由用户程序来控制cpu的串口通信。它是s7-200系列plc一个很有特色的功能。
本项目选用的s7200-226有两个通信口，一个通过em277采用mpi协议与触摸屏通信，一个采用自由口通信与变频器通信。在软件编写时，采用使用ppi协议pc/ppi电缆与pc通信。
3.1 使用ppi协议的plc编程电缆
本例智能仓储系统的plc程序在pc(个人计算机)上使用西门子的step7-micro/win32软件编写，step7-micro/win32是用于s7-200系列plc的开发工具，它使用pc机上的com口通过一条pc/ppi编程电缆连到plc的编程口上。虽然pc机的标准串口为rs232，但西门子公司提供的pc/ppi电缆带有rs232/rs485电平转换器因此在不增加任何硬件的情况下可以很方便地将plc和pc机互联。运行软件step7-micro/win32的pc(个人计算机)可以认为是一个ppi主站。
3.1.1 pc/ppi电缆的连接
将pc/ppi电缆有“pc”的rs-232端连接到计算机的rs-232通信接口，标有“ppi”的rs-485端连接到cpu模块的通信口，拧紧两边螺丝即可。
pc/ppi电缆上的dip开关选择的波特率应与编程软件中设置的波特率一致。初学者可选通信速率的默认值9600bps。4号开关为1，选择10位模式，4号开关为0是11位模式，5号开关为0，选择rs-232口设置为数据通信设备(dce)模式，5号开关为1，选择rs-232口设置为数据终端设备(dte)模式。未用调制解调器时4号开关和5号开关均应设为0。
3.1.2 pc/ppi电缆通信设置
step7--micro/win 32的指令树中单击“通信”图标，或从菜单中选择“检视→通信”选项，将出现通信设置对话框，“→”表示菜单的上下层关系。在对话框中双击pc/ppi电缆的图标，将出现pc/pg接口属性的对话框。单击其中的“属性(properties)”按扭，出现pc/ppi电缆属性对话框。初学者可以使用默认的通信参数，在pc/ppi性能设置窗口中按“default(默认)”按扭可获得默认的参数。
3.2 plc与变频器间的自由口通信模式
在工业控制中，交流电机的拖动越来越多的由变频器完成，传统的变频拖动控制采用开关量和模拟量信号对变频器进行控制，信号易受干扰，出现通信错误。本项目采用plc对变频器控制，减小了系统布线，避免现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响，有效地**了系统的抗干扰能力。
在本项目中，plc与变频器间的通信采用基于uss的自由口通信模式。
3.2.1通信口初始化
在进行通信之前, 必须先对通信口初始化。s7-200系列plc主要是通过对相关的特殊寄存器sm***(smb130)及其它特殊寄存器进行设置来实现的,
可通过sm***(通讯口0)允许自由口模式，但只有在cpu处于run模式时自由口模式才能允许。当cpu处于stop模式时，自由口通讯停止，通讯口转换成正常的ppi协议操作。
3.2.2 uss协议
step 7-micro/win32提供了uss指令库，uss指令库可以对变频器进行串行通讯控制，uss指令库使用s7-200 cpu的自由口通讯模式编程实现。
uss协议的通信字符格式为一位起始位、一位停止位、一位偶校验位和八位数据位。数据报文大长度位256个字节，包括3字节的头部、1字节的校验码和主数据块，数据块按照字的方式组织，高字节在前。主站与从站间的报文格式为：
stx lge adr 1 2 … … n bcc
stx：起始字符，总是02h;
lge：报文长度，n+2;
adr：从站地址及报文类型;
bcc：bcc 校验符。
在adr和bcc之间的数据字节称为uss的净数据。主站和从站交换的数据都包括在每条报文的净数据区域内。净数据区由pkw区和pzd区组成。
pkw pzd
pke ind pwe1 … … pwen pzd1 … … pzdn
pkw：此区域用于读写参数值、参数定义或参数描述文本并可修改和报告参数的改变。其中：pke：参数标记，用来控制传动装置的参数读写。位0~10为参数号位，12~15为参数读写控制。
ind：参数索引，是16位的区域，通用传动装置应设为0。
pwe：参数值。pzd为过程控制数据域，根据发送/接收报文格式的有所不同。
stw为控制字。
zsw为状态字。
sw为设置点。
iw为实际值。
pzd 报文格式
pzd1 pzd2 pzd3 pzd4
stw sw1 sw3 sw2 主站到从站
zsw iw1 iw3 iw2 从站到主站
3.3 plc与触摸屏间的mpi通信模式
3.3.1触摸屏
触摸屏的采用降低了人机沟通的障碍。人机界面(hmi)是操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁，是用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理或应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面，不必太多控制按钮便可实现手动、自动等多种功能，增进了人员与设备的信息交流，数据的修改，故障报警的识别变得易如反掌。
3.3.2触摸屏与plc间的mpi通讯
本例工程中屏与s7-200 plc通过mpi口通讯，屏的编程软件是winncc flexible 2008。plc与触摸屏间通过em277模块转接。
em277模块是专门用于profibus-dp协议通信的智能扩展模块。em277机壳上有一个rs-485接口，通过接口可将s7-200系列cpu连接至网络，它支持profibus-dp和mpi从站协议，本工程采用mpi从站协议。em277模块上的地址选择开关可进行地址设置，地址范围为：0～99。em277能读写s7-200 cpu中定义的变量数据块。这样，使触摸屏能与plc交换任何类型的数据。
在各类数字和计算机系统中，都离不开多谐振荡器，虽然市场上有许许多多种多谐振荡器，但功能却各不相同。本文以日本三菱公司型号为FX2-24MR的可编程控制器为例进行程序设计，并仿真验证，设计了一款用可编程控制器构成的多谐振荡器。与普通振荡器相比，本设计有以下几方面优势：
a.构成简单，具有通用性。改变程序和接线又可作其它用途;
b.程序编写简单，易于理解和掌握;
c.通过软件改变参数就可很方便地获得想要的频率和占空比。
1 设计
首先我们以一个具体工作任务为目标，看看整个多谐振荡器的设计全过程。该具体工作任务为设计一个频率为f=0.4Hz，占空比q=40%的多谐振荡器。
我们采用状态转移图SFC来实施这一工作任务。
(1)通过工作任务计算波形的周期T以及波形的高电平持续时间t1、低电平持续时间t2。周期按计算公式T=1/f=1/0.4=2.5s完成，t1和t2按占空比公式q=t1/(t1+t2)和t1+t2=T完成。将T=2.5s和q=40%代入到以上两个公式中，求解这个二元一次方程组，得到t1=1s，t2= 1.5s。
现在我们的工作任务变为要获得一个方波，它的高电平持续时间为1s，低电平持续时间为1.5S。即波形如图1所示。
(2)采用状态转移图SFC时，起始状态元件选择S0，中间状态元件选择S20。高电平持续时间继电器采用T0，低电平持续时间继电器采用T1，它们的时间参数根据规则分别设置为K10和K15。据此我们可以画出状态转移图SFC，如图2所示。
将状态转移图SFC变为可以实施的梯形图软件后，我们就可以将它写入到计算机里面去了。由图2的状态转移图得到的梯形图软件如图3所示。
2 I/O分配表
根据现场控制所需的输入信号和输出信号，分配可编程控制器的输入与输出点，见表1。
3 可编程控制器多谐振荡器实施的接线图
可编程控制器多谐振荡器的实施终要反映到三菱 FX2-24MR型可编程控制器的输入/输出接线上，图4为可编程控制器多谐振荡器实施的接线图。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，24V直流电源为可编程控制器外加的直流电源。
4 运行观察
根据所设计的可编程控制器多谐振荡器梯形图，采用型号为FX2-24MR的可编程控制器，把可编程控制器方式开关置于运行“SHOP”档，通过计算机及数据线把程序写入到可编程控制器中，再把可编程控制器方式开关置于运行“RUN”档，合上X0，我们会看到与Y0联接的指示灯亮1s后熄灭，紧接着与Y1连接的指示灯亮1.5s后再熄灭，以后交替循环进行，按X1可结束工作任务，从而达到工作任务所设计的要求。实际运用时，将指示灯更换成负载就可以正常工作了，Y0输出频率为f、占空比为q的方波，Y1输出频率为f、占空比为(1-q)的方波。
5 扩展小结
当我们需要任意频率f、任意占空比q的方波，我们只需改变图2和图3软件中的时间继电器T0、T1的参数就可以实现。方法如下：
将f和q代入公式
计算出t1=q/f，t2=(1-q)/f。T0时间继电器中的参数K就选择计算出来的t1×10，T1时间继电器中的参数K就选择计算出来的t2×10，修改好这二个参数后再按前面所叙述的方法将程序写入到可编程控制器中运行，我们所要求的结果就可以实现了
0 概述
气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气(氧气、氮气及氩气)，来满足生产单位的需求。
近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：
1)过程自动化程度低，信息采集和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。
2)仪表内部信息储存量小，采集的压力、**等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。
3)系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升。
鉴于以上三点，通过采用PLC(可编程控制器)控制系统，解决当前存在的问题。
1 PLC控制系统的特点及组成
PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I/0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。
PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远(800米左右)，因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10//触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。系统组成如图1所示。
1.1 系统结构及硬件配置
根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入(DI)采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。
1.2控制系统的功能实现
PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、**数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
1.3 现场显示
现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、**、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。
1.4 工控机配置
工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据;运行监控;故障记录和排除提示;参数设置;生产数据管理和处理;图形化示教和离线编程。
2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：
1)灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：
系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作;
2)报警功能：
当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警;
3)简单、方便的参数设定：
压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。
2. 系统控制功能
(1)过程控制的功能：
1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制;
2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理;
3)实现了**信号的温、压补偿，**了仪表的测量精度。
(2)逻辑控制
联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。
(3)人机接口
HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、**，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
(4)报表打印
以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。
3 软件设计
根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
(1) 数据采集及工程量转换
(2) PID算法
(3) **温压补偿计算以及**的累积计算
对于系统中的逻辑控制选用梯形图(LADDER)编程，直观、方便;对于PID回路控制**温压补偿计算以及**的累积计算部分则采用语句表(STL)编程，结构紧凑而又灵活。
PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
3.1 PID算法
STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID(FB41)和离散型PID(FB42)，根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数(比例系数、积分时间)输入等功能。
PID算法的输出实际上是比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分作用之和：
Mn=MPn+MIn+MDn
MPn = GAIN(SPn- PVn)
MPn = GAIN TS/ TI(SPn-PVn)+ MX
MDn = GAIN TD/ TS(PVn-1-PVn)
Mn：第n次采样时刻的输出值。
MPn：第n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
MIn：第n次采样时刻的积分作用，可以消除静差，**控制品质。
MDn：第n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。SPn：第n次采样时刻的设定值。
PVn：第n次采样时刻的过程值。
MX：第n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
GAIN：回路增益，P参数。
TI：积分时间常数，即I参数。
TI：微分时间常数，即D参数。
TS：采样时间。
从上面的公式中可以看出，参数P(GAIN)与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢;I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数(压力)的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到佳的控制效果。
4 采用该系统的意义
(1)计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除;
(2)该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，**了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。
