西门子模块6GK7243-1GX00-0XE0技术介绍

一、前言
当前，可编程控制器（PLC）作为一种成熟稳定的控制器，以卓越的稳定性、可靠性、抗干扰性和编程简单、容易掌握等特点在工业控制领域得到了越来越广泛的应用。在控制系统中，PLC作为主控设备，与控制对象中的各种输入信号(如：按钮、接近开关、编码器等检测信号)和输出设备（如继电器线圈、电磁换向阀等执行元件）相关联，随着控制系统的复杂程度和控制设备增多，PLC需要的输入输出点数也大量增加，这就有必要通过采用各种方法对I/O点进行优化，来减少系统占用I/O点数使用数量，提高I/O的利用率，降低硬件使用成本，下面以西门子PLC为例从软件和硬件两个方面进行探讨。

二、软件方法

1. 单按钮控制启动／停止

通常情况下，PLC控制的外部设备至少要有一个启动和一个停止按钮作为输入信号来控制程序的运行和停止，因此至少需要两个输入点，在点数紧张的情况下可采用单按钮控制进行优化，将节省下的点留作扩展功能。

图1为PLC的外部接线，SBl接输入I0.0，Q0.0接继电器输出，通常情况下，继电器应反向并联一个二极管。

图1

图2中，输入信号I0.0次短暂闭合，在正向脉冲指令下，辅助继电器M0.0输出一个周期的脉冲，则使网络3接通，输出Q0.0并实现自锁，输入信号I0.1第二次闭合，则网络2接通，使辅助继电器M0.1接通，常闭点M0.1打开，使网络3断开，输出Q0．0停止输出。

图2

除了上述的方法外还可以采用计数器，R/S指令，寄存器等方法实现。图3为采用R/S指令方式的方法。

图3

2. 典型问题和解决方法

在实际运用的过程中，如果对PLC的运行原理不了解或理解的不够透彻，那么在程序的编写上很容易出现问题，左图也为单按钮实现启动/停止的梯形图，但在实际的调试中确是不可行的，达不到为我们预期的效果，通过与图2的对比我们发现：在网络1上少一个正向脉冲指令，这个指令是关键。这样我们就清楚问题的所在：由于I0.0.接通的时间比一个扫描周期的时间长，有时为N个或N+1个，要达到我们的目的必须每次都是奇数才可以，所以导致调试时的不成功，因此加一个正向脉冲指令可解决这个问题。同样如果将图2中网络2和网络3颠倒，其结果是Q0.0没有输出，原因是：在一个扫描周期内，网络2和网络3先后接通，然后将运算结果存人映像寄存器当中，所以就不会有任何的输出。

图4

在R/S方法中，容易出现的问题是锁存器的R/S端不能采用图5这种结构，系统会提示错误，所以只能是图2中的结构，才能正确执行。

图5

上述是用单触点实现启动/停止方法中比较常见的典型问题，尤其是初学者容易出现，这些问题虽然不大，但往往都是关键，如果在设计和调试中考虑到这些因素的存在，那会减少错误和缩短调试的周期。

三、硬件方法

1. 优化输入点数

在某些应用场合下有“自动控制/手动控制”的要求，并且在运行过程中，自动和手动不会同时进行，这样就可以将自动和手动按照不同的控制状态分组接入PLC输入端，可减少输入点，提高输入点的利用率，图6中的示例节省了50％的I点，相当于输入点数扩充了一倍。

图6

其中SA为手动/自动切换开关，SBl，SB2，SB3为一组输入，SBl0，SB20，SB30为一组输入。

在某些联锁情况下，如果PLC内部不采集该触点信号的状态，可采用物理联锁的方式进行，即硬件连接上进行联锁(不必每一个开关量都接到PLC的输入端)，也可在一定程度上减少输入点数。

2. 优化输出点数

除了优化输入点数外还可优化输出点数，对系统整个运行过程中，输出状态完全一样的执行元件可以采用并联的方式，但要注意负载的功率情况，通常情况下采用继电器加续流二极管。此外还可以采用三八线译码器等方法，但需采用外部元器件，操作略微复杂一些。

四、结论

上述的几种方法虽然比较简单，但切实可行并且容易掌握，在不同的PLC中实现的途径略微不同，但基本思路都是一致的，通过对系统的优化可以进一步提高I/O的利用率，节省输入和输出点的数量，减少PLC的体积，降低硬件成本，具有很高的实用价值。

1、引言

近几年，随着微电脑技术的不断进步，人们对自动化控制系统要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、保证工程及产品质量、加快施工速度、提高劳动生产率和降低生产建设成本起着很重要的作用。触摸屏结合PLC在变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势，因为PLC本身有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点，而触摸屏（人机介面）在工艺参数较多需要人机交互时使用又使整个自动化控制系统的功能得到很大的加强。

通过触摸屏和PLC结合使用，可以在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过PLC与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。并可实时监控到被控系统实际值的大小及变频器内的多个参数，实现报警、记录等功能。一般PLC结合触摸屏的闭环调节的变频节能系统如下图所示。

2、系统主要硬件组成

系统硬件由可编程控制器（含数字量输入/输出模块、模拟量输入模块）、触摸屏一台、变频器、传感器及若干电器元件组成。各部分说明如下：

(1) PLC：选用SIEMENS公司的S7-200系列CPU224（配数字量输入/输出模块、模拟量输入模块）。通过接收开关量、模拟量输入经处理后输出开关量、模拟量去控制继电器的动作，同时与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏发出的信息进行处理等。

(2) 触摸屏采用SIEMENS公司MP370。实现人机对话，与PLC系统进行数据传送和交换，将设定参数写入PLC，也可将PLC、传感器及变频器内部参数读入触摸屏，实现了模拟量、数字量的实时监控，目标值的设定以及报警记录等。

(3) 变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC及触摸屏。

(4) 压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC和触摸屏。

(5) 电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。

3、触摸屏特点功能

触摸屏监控器是90年代出现的新型可编程终端，是新一代高科技人机界面产品。适于在恶劣的工业环境中应用，作为人机界面可代替普通或工控计算机，具有交互性好，可靠性高，编程简单，与PLC联结简便等特点。触摸屏的主要功能有：

(1) 主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时信息。
(2) 触摸屏上的触摸按钮可产生相应的开关信号、数字信号（数值）、字符给PLC进行数据交换,从而产生相应的动作控制系统或设备的运行。
(3) 可多幅画面重叠或切换显示，显示图形、字符串、报警信息、历史记录、趋势图等。

4、PLC在系统中的作用

PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。通过接收开关量、模拟量输入经处理后输出开关量、模拟量去控制继电器、变频器及电磁阀等的动作，主要体现以下几方面的作用：

1) 初始化变量，设置自由通讯口协议和中断协议。
2) 与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对触摸屏输入的信息进行处理。
3) 完成数字量与模拟量的相互转换。
4) 逻辑控制及PID等运算。
5) 发送模拟（数字）等调节变频器的输出频率。
6) 通过USS4协议读写变频器内部参数。
7) 判错传递数据信息、报警信息等。

5、触摸屏画面设计

触摸屏画面由ProTool等专用软件进行设计，然后从支持工具（个人电脑）中下载到触摸屏即可使用。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。

(1) 主画面的设计

在支持工具上，创建一个欢迎页面或被控主系统画面作为主画面，该画面嫩进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大至的了结。

(2) 控制画面的设计

该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。

(3) 参数设置页面的设计

该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，同时还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。

(4) 实时趋势页面的设计

该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。

(5) 信息记录页面的设计

该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值超范围和系统急停等故障。另外该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。

(6) 节能画面的设计

该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。

6、结束语

在变频节能系统中采用触摸屏作为人机交互工具，简单直观，便于操作；提高了整个变频节能系统以及企业的硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中结合使用，在几乎未提高系统装置多少成本的前提下，就实现了整个被控系统的质的飞跃，这种结合必将更多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点

汽车传动轴固定节是汽车驱动系统中一个重要的零部件，传动轴固定节的端面，如图1示。由于固定节中6粒钢球由工人手工进行安装，有可能发生少装的情况，如不及时发现，将出现质量问题，影响产品的正常使用和企业的声誉。因此根据厂方要求设计了此套系统，系统采用无损检测，运用图象处理与模式识别技术，对CCD拍摄到的图象进行处理，作出漏装与不漏装判断，并对漏装工件进行声光报警。

图1 汽车传动轴固定节端面

一、系统组成与控制过程

1. 系统组成

系统主要由机械部分、电气部分、控制部分组成。机械部分主要是完成零件的传送（从安装位置到检测位置，再送到下一个工序的加工位置）、定位（保证零件与摄像头的同心度）以及不合格零件的剔除；电气部分有传感器、汽缸等执行机构组成；控制部分采用PLC和工控机集成控制。系统硬件配置主要有工控机、可编程控制器、CCD摄像头、图像采集卡、I/O接口板、传感器等硬件及部分外围电路组成，它们的结构，如图2示。

图2 系统组成图

2. 控制流程

系统由工控机作为上位机，PLC作为下位机。系统的自动控制流程为：

1，工控机与PLC进行通信握手，表明一切就绪；
2，送料位置传感器检测到工件，发信号给PLC；
3，PLC根据测量位置传感器状态判断测量位置是否有工件；
4，如果测量位置没有工件，则PLC发信号驱动汽缸，放开送料挡块；
5，测量位置传感器检测到工件已经到达，发信号给PLC；
6，PLC进行延时，目的是让工件稳定有利于拍摄，然后发信号给工控机并延时，目的是让计算机进行图象处理与模式识别；
7，工控机执行程序由CCD摄像头摄取图像，由工控机实时处理图像，作出漏装或非漏装判断结果。把结果发给PLC；
8，PLC判断结果信息，如果全装且翻转位置无工件，发信号驱动汽缸放开定位挡块；如果漏装，PLC发信号驱动报警灯和蜂鸣器，进行声光报警由工人手工剔除。

PLC判断下料槽是否可以下料，若可以则翻转工件进入下一道工序。重复顺序执行2～8，就达到了系统的自动检测。从执行过程中可以看到，前后两个位置都实现了互锁。系统控制流程，如图3示。

图3 系统流程

在这个系统中，实现了工控机与PLC的集成控制。工控机主要完成对图象的处理，PLC完成对现场控制信号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/O卡来实现。控制系统物理结构，如图4示。

图4 控制系统物理结构

二、系统硬件模块

系统硬件模块主要分为数据采集子系统，微机基本子系统，数据分配子系统及基本I/O系统。它们之间的结构，如图5示。

图5 硬件结构组成

1. 微机基本子系统

它是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

2. 数据采集子系统

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

3. 数据分配子系统

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

4. 基本I/O子系统

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出检测结果、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自顶向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

1. 上位机软件设计

上位机监控软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

(1) 初始化模块

硬件初始化 对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化 包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

(2) 数据采集模块

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

(3) 检测/控制模块

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

(4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

用于实时更新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

(7) 故障自诊断与处理模块

它是提高系统的可靠性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机监控软件主要程序流程，如图6所示。

图6 上位机监控程序框图

2. PLC软件设计

PLC的程序采用了模块化设计方法，由主程序、手动控制程序、故障处理程序等模块构成。根据系统要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 输入输出信号

表1 PLC输入输出信号

(2) 梯形图编制

根据控制过程及输入输出信号编制出梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。同时，前后两个工件位置都进行互锁。部分梯形图，如图7示。

图7 定位工位梯形图

R001是内部继电器，表示选择“自动”，当PLC得到信号X010时，即传感器检测到定位工位有工件时，延时并输出允许摄像信号Y000，然后再延时2s（等待计算机作出判断）并且当翻转汽缸不在原位和翻转工位无工件时，输出工件可以离开定位工位信号。如果PLC接到计算机发出的“工件不合格”信号，即X014后，报警，直到按复位键停止报警。

四、计算机与PLC的通信

在计算机与PLC的集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信问题。在本课题中，对于计算机与PLC之间的通信，我们考虑了两种实现方法：一种是利用串口通信，另外可通过I/O卡来实现。由于串口通信在实时性、可靠性、抗干扰性等方面都没有I/O卡好，又根据厂里具体情况，后还是选用了后一种方法。I/O卡即开关量输入输出卡，在此项目中，我们选择了PCL—724，24位数字I/O卡，传输速率为300KB/s。该I/O卡具有2个八位端口（A，B），端口地址范围为200H～3FFH，两端口都可以进行输入输出操作，在进行输入输出操作时，无需进行握手，因为数据可以直接写或读到设定的端口。由PLC输入输出信号表可以看到，PLC需要接收计算机3个信号，计算机需要接收PLC一个信号。它们的通信协议定义与地址设定，如表2示。

表2 计算机与PLC的通讯协议定义与地址表

五、结束语

本系统是PLC与工控机集成控制的很好应用，投入运行后，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在PLC控制方面，以其卓越的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的广泛赞誉。