西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8品质好货
控制软件的设计思路
软件部分是实现脱硫控制的关键部分。软件按照模块化结构进行设计，以便达到较强的移植性和今后的功能扩展。
（1）程序流程
脱硫系统程序流程如图1所示：
图1 脱硫系统程序流程图
（2）闭环控制
为了经济运行又达到环保标准，需要根据SO2含量控制给料量。本脱硫系统PLC模拟量闭环控制PID功能图如图2所示，用SO2浓度传感器检测反应炉内的SO2浓度，变送器将传感器输出的电流信号转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与SO2浓度成比例的数字量，CPU将它与SO2设定值进行比较，按照PID控制算法对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号，用来控制给料机的输送量的多少，通过它控制锅炉内的SO2浓度，实现闭环控制。
图2 PID功能框图
S7-200 PLC提供了内置的PID运算指令。在进行模拟量闭环控制时，使用模拟量扩展模块（EM231、EM232）来完成PID控制。本文设计的PID功能指令如图3所示，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。本系统采用了现场实验整定法，直接在过程控制系统中进行参数整定。在上位机界面通过SO2实时曲线观察SO2浓度变化并修改PID参数，来达到理想的控制值。
图3 PID控制指令
7、结束语
通过应用西门子S7-200 PLC，实现了对脱硫系统进行可靠的、高效的实时控制和监控，提高了系统的可靠性、安全性和自动化的程度。在山东某热源厂的应用实践证明，本系统性能可靠，故障率低，具有非常好的环保效果和经济效益。
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在工业控制中，用PLC控制的工程在上/下位机通讯上一般采用RS-232/RS-485串口通讯，这种方法对于数据量较大，通讯距离较远，实时性要求高的控制系统，很难满足通讯需要。
近年来随着计算机网络技术的飞速发展,网络化数控已经成为现代制造业发展的必然趋势, 控制系统正向虚拟化、网络化、集成化、分布化和节点智能化的方向发展。[1]许多大型PLC厂商生产的PLC都配备了相应的以太网通信模块，本文讨论了OMRON PLC的以太网通信体系结构，并以CP1H PLC的ENT2l以太网模块为例实现与计算机的通信。
1、Winsock网络通信控件
Winsock控件是不可视控件，它提供了访问TCP和UDP网络服务非常简便的途径，使编程人员开发客户/服务器应用程序时，不必了解TCP的细节或调用低级的Winsock API函数，只通过设置Winsock控件的属性并调用其方法，就可直接连接到一台远程计算机进行，并可实现双向数据交换。
WinSock主要支持两种类型的套接字:①流式套接字（Stream Socket）也称面向连接方式,该方式对应的是TCP协议,其传输特点是通信可靠性高,可以保证数据流的传输是可靠的、有序的、无重复的,可提供双向的数据流,数据被看作字节流,无长度限制。②数据报套接字（Datagram Socket）又称无连接方式,对应的是UDP协议,这种方式不提供数据传输的正确性、有序性和无重复性,因为它支持面向记录的数据流。因此,传输的数据可能丢失和重复,并且接收顺序混乱,报文长度是有限的。考虑到本系统对通信可靠性和正确性的要求很高,选用流式套接字方式。基于Client/Server模式的流式套接字通讯过程如图1所示。
图1 流式套接字进程通讯过程时序图
2、Ethernet网络通信单元的设置
在组建网络时，根据网络类型的不同，网络中的每个节点需要安装相应的通信单元，PLC上需安装Ethernet网络通信模块，例如0MR0N公司的CJ1W—ETN21以太网模块。应用之前必需对网络进行必要的设置，分为开关设置和CPU总线单元系统设置。
开关设置主要包括以下几项内容：确定分配给CJ1W—ETN21单元的内存工作区（CIO区、DM区），该地址在CPU总线区，由UNIT No.开关确定ETN单元的单元号范围为0～F;NODE No.旋转开关设定两组l6进制数作为ETN单元在网络中的节点号，范围为O1～7E;IP地址设置网络号和主机节点号，由32位二进制数组成，分4段以十进制数表示。
CPU总线单元设置主要通过编程设备如CX—Programmer软件或编程器对网络单元进行模式、本地IP地址、子网掩码、FINS端口号、FTP登录名及口令和IP路由器表等项进行设定。若使用FINS/TCP协议，则还需在以太网单元设置中修改FINS/TCP项的部分参数，如：自动分配的FINS节点号、是否保持激活等项。
3、面向上位计算机的通信协议
如图2所示，以太网的分层模型分为物理层（Physical Layer）、网际层（Internet Layer）、传输层（Transpot Layer）和应用层（Application Layer）。其中：传输层可使用无连接的UDP或需建立连接的TCP协议;应用层为FINS（Factory Interface Network Service）协议，FINS协议是由OMRON公司开发的用于工厂自动化控制网络的指令响应系统。主要规定对PLC存储空间的数据读写等操作方法。应用层使用FINS协议，传输层使用TCP协议的通信实现方法称为FINS/TCP方法。
图2 网络的分层结构
FINS协议包含指令系统和响应系统，其命令帧格是由FINS报头、指令代码、响应代码和正文等几部分组成。从上位计算机发出的指令和响应必须符合下面帧的格式要求，并提供合适的FINS报头信息。[3-4]FINS通信服务是通过FINS命令帧和它们对应的响应帧交换实现的。
FINS命令/响应帧格式如图3所示。FINS/TCP header中规定了五种命令，用于客户机（host computer）与服务器（PLC）之间通信：发送客户机节点地址（node address）;（2）发送服务器节点地址（node address）;（3）发送Fins frame;（4）Fins frame发送出错通知;（5）客户机与服务器联机确认。
图3 FINS命令/响应帧格式
4、通信程序的具体实现
在新建VB工程后，需要执行VB工具栏“工程/部件” 命令，将Winsock控件添加到工程中， 并命名为“WskClient”。程序采用TCP/IP协议进行通信，其主要属性设定如下：
With WskClient
.Protocol = sckTCPProtocol ‘采用TCP/IP协议
.LocalPort = 9600 ‘本地计算机端口号
.RemoteHost = txtIP.Text ‘取得远程PLC的IP地址
.RemotePort = txtPort.Text ‘远程PLC端口号
.Bind 9600 ‘指定使用的本地端口
End With
初始化工作完成后向PLC提出连接请求，待PLC接受请求并发送应答信息后，客户端程序依照各种帧格式建立好要发送的信息帧，就可以与PLC进行双向的数据交流了。在这一过程中，可建立发送失败后的重发机制，以增强通信的可靠性。
首先，建立并发送“握手信息”指令（20字节），指明客户机节点号;当计算机接收到PLC返回帧（24字节）后，检查PLC是否收到命令，并取得服务器和客户机节点号。当计算机接收到PLC返回的数据时，会产生DataArrival事件，参数BytesTotal包含接收到的数据字节数。在DataArrival事件中，可以调用GetData方法接收数据。如果接收到Close事件，则用Close方法关闭连接。另外，可用Winsock的State属性来反映当前TCP/IP的连接状态。这里仅列举主要程序如下：
‘向服务器请求连接
WskClient.Connect
TimeDelay 100
Do
DoEvents
Loop Until WskClient.state=sckConnected
‘建立并发送FINS命令帧
Private Sub SendData_Click（）
ReDim SendData （19） As Byte
SendData （0） = &H46‘FINS命令帧报头的第1个字节
……
WskClient.SendData SendData（） ‘发送FINS命令帧
End Sub
‘接收PLC响应帧，并分析数据
Private Sub WskClient_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）
Dim i As Integer
ReDim ArriveData（bytesTotal） As Byte
wsk.GetData ArriveData, vbArray + vbByte, bytesTotal
‘接收数据，保存在ArriveData数组中
For i = 0 To bytesTotal - 1
txtArData.Text = txtArData.Text & " " & ArriveData （i）
Next i
……‘其它数据处理
If ArriveData（7） <> 16 Then
MsgBox“接收信息丢失“
ElseIf SendData（19）= ArriveData （bytesTotal-5） Then
MsgBox“节点地址错误“
End If
End If
在接收信息后,当PLC收到传输过去的信息后,会将对应的命令反馈值传回,这个事件程序内的程序将它显示在文本框中,还可作进一步处理。主程序流程图如图4所示。
图4 程序流程图
若采用UDP协议，则通信的基本过程与TCP相同，只是不需要建立连接。此外,UDP应用程序可以是客户机,也可以是服务器,而不必象TCP应用程序那样必须分别建立客户机程序和服务器程序。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。因此如果网络中设备不是很多，且发送数据量不大时，可选择耗费计算机“资源”更小的UDP协议进行通信。
5、结束语
采用Winsock控件实现的上位机以太网通信程序，已成功应用于数字小样并条机监控系统中，该法简单实用,在不追加投资的情况下,实现车间设备的网络数据实时监控的功能，达到了理想的效果。而且以VB作为监控软件的开发平台，软件的二次开发不受限制，节约成本，并可根据需要随时对程序进行升级。为实现对控制系统进行有效的信息管理与监控，基于以太网的PLC控制系统必将有更为广泛的应用，本文的论述对解决这类问题提供了一定参考价值。
3 电机控制
西门子S7-200系列PLC的高速脉冲输出功能是指在PLC某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现jingque控制。PLC主机多可提供2个高速脉冲输出端，即Q0.0或Q0.1。每个高速脉冲发生器对应一定数量的特殊寄存器，包括控制字节寄存器，状态字节寄存器和参数数值寄存器，它们用以控制高速脉冲输出形式，反映输出状态和参数值。PLC控制电机中通过脉冲输出指令(PLS)检查为脉冲输出(Q0.0或Q0.1)设置的特殊存贮器位(SM)，然后启动由特殊存储器位定义的脉冲操作。脉冲由Q0.0或Q0.1输出控制电机。
如何控制电机，使小车能及时以直线、曲线、停止的方式进行运行，且运行过程连续、平稳，避免小车出现异常行为，如突然的大转弯、急刹车等，是我们必须要解决的一个重要问题。因此，小车的启动、每步控制之间的过渡、停止都要处理好，输出脉冲的周期要连续，解决方法如下。
图2 电机控制
图2中f轴表示：频率；t轴表示：发射脉冲数。小车刚开始启动阶段以f1的频率启动，加速到f2，发射的脉冲数是t1-t0。，然后以f2的频率匀速，规定每4 s对小车进行一次定位和控制，假设在t2时正好是4 s，开始对小车进行控制，但是，定位和控制过程需要一段时间，当发射控制命令时，小车可能已不在原来定位的点。此时时间已超过4 s，设此时滞的时间为t，计算所要执行的程序量，t的大上限值是0.1 s，这么小的时间完全可以忽略，在时滞的时间内让小车仍以原来发射脉冲频率运行，当发射的脉冲数是t3时开始对小车进行了新的控制，小车进行下一步的运行。然而，此刻仍以前一步的频率为开始发射频率。
转换办法是通过两条命令:①MOVB 0，SMB67；②PLS 0。使前一步的运行立刻停止，接着调用新的包罗段控制小车进行下一步的运行，下一步的开始周期是前一步的结束周期，加速或减速到本步规定的周期(如图2所示)，加速或减速的时间尽可能短，以此周期匀速运行。小车在运行的整个过程中每步之间处理方法都是这样。图中所示为频率减小到f5小车停止。采用此方法后小车的运行是连续平稳的。
4 软件设计
控制系统程序流程框图如图3所示，整个程序共有4大块组成：①对S7-200各个变量、中断初始化；②主站同各从站进行信息通讯；③进行定位处理；④控制电机。
图3 程序流程框图
整个程序量是巨大的，合理安排程序结构显得很重要。当没进行通信时，S7-200反复扫描执行周期，出现字符中断时，对接收到的信息进行保存处理，因为S7-200顺序执行的特点，这要在很多执行周期内完成。但是每个执行周期的时间都是短暂的。所有的从站都通信完毕，调用定位子程序求出小车所在的空间位置。然后顺序调用模糊控制子程序、电机控制子程序。这三大块子程序要在同一周期内完成，此周期执行时间是大的，程序必须简单实用，使执行周期尽可能的降到小值，减小控制的时滞。从宏观上看扫描周期显现出伸缩性的特点。
