6ES7211-0AA23-0XB0厂家质保
0.前言
可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1][2]
在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RF Monolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3]。
无线数传模块是一种集成式的专用于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有可靠性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。
目前一些厂家推出了专用的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对专用工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。
在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。
1.总体方案
该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向。其控制系统功能框图如图1所示。
图1 机械手控制系统功能框图
Fig1 Block diagram of the control system of the arm
在布线方便的情况下，按钮操作及摇杆操作的开关及比例信号可通过电缆直接输入到PLC的数字量及模拟量输入模块。这种方式结构简单、成本低、可靠性高，控制系统的硬件设计及软件编程极为简化。但在实际工业现场中，布线受到诸多限制，尤其是对于移动型设备，采用有线控制方式人员操作不够方便灵活。由于我们研制的机械手需要在轨道上长距离运动，且操作距离较远，因此必须采用无线遥控操作的方式。为此我们采用无线数传模块作为通信模块，并设计了基于16位单片机的手持式操作器，改进后的遥控型机械手控制系统总体功能框图如图2所示。无线数传模块成对使用，在手持操作器端和机械手本体上的控制系统端各有一块，分别完成数据的无线发送及接收功能。在控制系统需要的时候，也可以双向收发，即同一端的数传模块在数据接收和数据发送功能中切换。此时需要注意，数传模块的发送与接收功能的切换需要一定的时间。
手持操作器根据操作员对按钮及摇杆的不同操作，通过IO口及AD转换进行采集，采集后的信息进行数字编码后形成指令，以ASCII码的形式通过串口发送到无线数传模块，无线数传模块再将指令以无线方式发出;机械手上的控制系统的数传模块接收到发送来的指令编码后通过串口总线传送至PLC，PLC对指令编码进行jiema，分解出不同的操作指令，然后进行逻辑运算，根据不同的指令得到不同的需要执行的动作，再通过数字输出和模拟输出控制相应的继电器或阀动作，从而实现对机械手各关节的远程无线操作。通过信号电缆连接到PLC的按钮操作输入及摇杆操作输入保留在机械手本体上，作为备份或检修使用。同时，在PLC数字输入口和手持操作器上均设置遥控操作切换按钮，可以进入或退出遥控操作模式。PLC上的按钮操作应具有更高的优先级。
由于摇杆操作采集的对象为摇杆的比例位置状态，它采用的是自动对中的设计的。因此在控制系统软件结构上，采用循环发送指令的方式。即进入无线控制状态后，手持操作器就定时地将采集到的状态发送出来，而不管此时有没有操作人员的操作输入。
图2 遥控型机械手控制系统功能框图
Fig2 Block diagram of the remote control system of the arm
2.通信模式选择
无线数传模块一般具备三种接口模式：TTL电平UART接口，可直接与单片机或其它芯片的串口管脚相连;标准的RS-232接口;标准的RS-485接口。其中232接口模式与485接口模式通过跳线进行切换。西门子的S7-200系列PLC具备一个或两个RS-485标准的接口，因此可以采用后两种方式，将PLC直接与无线数传模块的485接口相连;或者利用与PLC相配的PC/PPI电缆将PLC的485接口转换为232接口后，再与无线数传模块的232接口相连。
S7-200系列PLC的通讯端口支持多种通讯协议，此处可以采用的有两种。一种是西门子的PPI主-从协议，利用这种协议主站可以直接对从站，即控制系统中的PLC，发出指令，控制从站的各端口及功能。这种方式PLC的编程简单，不需要对原有从站程序进行修改。但是PPI协议不是一个公开的协议，在文献[4]中提到了一种通过串口侦听获取PPI协议从而利用主站编程控制从站的方式。另外一种通讯模式是自由口模式，利用自定义的PLC程序控制S7-200 CPU的通讯端口，使用用户自己定义的通讯协议来实现与外界的通讯。这种模式支持ASCII和二进制协议。自由口模式使用简单、灵活，但需要对PLC进行专门的编程。因为无线遥控所需数据量不大，通过比较，选择了自由口通讯模式，以ASCII码的形式在手持操作器和PLC之间传递命令和反馈信息。在PLC内编写了专门的无线控制程序，实现无线控制状态下的数据通信及对机械手的控制。
无线数传模块的功能仅为实现PLC与手持操作器的无线通信功能，对于PLC与手持操作器中CPU而言，通过无线数传模块的无线通信与通过串行端口直接相连的有线通信两种方式，在编程上是没有任何差别的。
单片机与无线数传模块的通信接口则可以选择三种接口模式中的任一种，既可以采用简单的直接相连;为提高稳定性，也可以采用232或485芯片进行电平转换后再与数传模块相连。为保持更好的可扩展性，我们选择了RS-232接口标准。
3.手持操作器的设计
手持操作器的功能为通过处理器的数字IO及AD功能检测按钮及摇杆上的操作输入，并将转换后的数字信号进行编码后形成控制指令，通过无线数传模块发出。
XC166系列单片机是英飞凌科技（Infineon）的16 位微控制器产品，其优异的内核结构，高效的指令集，以及不断扩充更新的产品线，使其广泛应用于qiche电子、工业控制和信息技术领域。该系列单片机具有丰富的接口模式，如14通道10位AD变换器，同步/异步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模块，79个IO引脚等，并可与各种设备组成通讯网络。同时，该系列单片机适应于恶劣的工业环境，工作温度可在-40～125°C。[6]针对我们所设计的手持操作器的功能，我们选择了XC166系列中的XC164CS型单片机。这样只需附加极少的外围硬件，就可以实现所需的功能，同时，使该遥控器具有工作性能稳定和易于进行功能扩展的优点。
手持操作器的功能模块主要包括AD采样功能，即采集摇杆操作产生的比例控制电压;数字IO功能，即采集按钮操作状态和进行一些功能状态显示;通讯功能，即定时地将采集到的控制指令按规定的格式编码后通过串口以无线的方式发送。
手持操作器由电池供电，XC166系列单片机及无线数传模块可以满足低功耗的要求。
4.数据可靠性
无线遥控操作系统必须保证数据传输的高可靠性和控制的安全性，避免发生失控和错误控制指令现象，本系统主要通过以下几方面来保证：
无线数传模块的高抗干扰能力和低误码率，高效前向纠错信道编码技术;
串行通讯协议校验，一般采用奇偶校验;
软件协议校验;通过软件编程，对发送的数据进行校验，可采用CRC校验、交互确认或多次发送对比的方式。在我们的程序中采用同一动作指令重复发送的方式，只有命令指令与确认指令完全相同，PLC才接受指令，否则忽略此指令。这样就完全避免了通信所产生的错误指令;
PLC的“软件看门狗”;在PLC程序中设置定时程序，当超时未收到无线指令时，停止机械手动作，防止由于通讯中断而使机械手失控;
通过以上四个措施，可以有效地保证无线遥控的可靠性，防止产生错误操作指令或机械手失控。
5.结论
通过试验证明，这种采用PLC和无线数传模块的遥控方式简单可行，由于PLC及数传模块都有成熟的工业化产品，可靠性高，成本低，扩展性好，因此本方案具有较高的实用价值，简化了设计过程。但手持操作器中的单片机模块尚需进一步的工业化设计，以达到更高的工业可靠性要求，并实现总线通信、自检验等更多功能。
本文作者创新点：通过设计一种新的架构体系，利用工业化的无线数传模块，将PLC控制与无线遥控结合起来，使机械手控制系统能够兼具二者的优点，降低了成本、满足了控制系统稳定性、兼容性及无线控制的要求
可编程逻辑控制器（Programming Logic Controller, PLC）作为一台工业计算机，集数据的采集、处理、显示于一身，那么作为数据终端，数据的显示是完全必要的。虽然PLC本身有许多指示灯，可以观测到PLC的CPU单元、输入/输出单元及网络通信单元的运行工作状态，但无法显示PLC内部数据。计算机通过与PLC通信以及触摸屏都可以实现PLC内部数据显示，但价格昂贵，对一些小型不需要经常改动的系统来说更是浪费。本文采用拨码开关和数码管来显示PLC内部数据，操作简单、成本低廉，对实验教学和工程人员有参考价值。
（1）应用行业：机加工、过程控制等。
（2）使用产品：CJ1M（CPU22）， CS1W-ID211，CS1W-OD261
（3）应用的主要工艺点及要解决的主要问题：内部数据的动态显示
（4）应用方案简介：用高频率晶体管输出单元，结合高速定时器指令TIMH实现内部数据的动态显示。
2 动态数据显示
2.1 硬件系统设计
LED数码管有7段显示灯，可以用来显示0～9间的10个数字。CJ1M系列PLC内部通道数据一般都是四位，如果用借用每个输出点来控制一个显示灯，那么一个数码管就需要7个输出点，这显然要占用大量的输出点，是不经济的。这里选用含有内置译码电路的数码管如CD4511，可以把8421码自动译成7段码。8421码或BCD码用4个接口加选通信号，就可以显示一个数据位。将四个8421输入线组合与某个输出通道的低四位相连，每个选通信号的输入信号与通道中剩下的四位相对应连接，这样一个输出通道就能显示PLC四位（一个字）内部数据。具体接线图如图1所示。
图1 PLC硬件接线图
注意，这里的PLC输出模块应选用晶体管或者晶闸管输出单元，而不宜采用继电器输出单元。因为继电器输出单元为有触点开关，响应慢、速度低，不适用于高频率的通断，也不适用于动态数据显示[1]。故图1中采用OMRON公司CJ1W-OD261（64点）晶体管作为输出单元，其在本PLC机架上的IO地址分配为6.00～9.15，这里用0006通道作为内部数据的显示通道。6.00～6.03为CD4511的数据输入端A、B、C、D，其中A为低位，D为高位， 为高电平时锁存数据，四位数据的 端由PLC的6.04～6.07分别控制，4个数码管共占用8个输出点。
2.2 选通信号的生成
由于4个数码管 的线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，4位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方式轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。使每位分时显示该位应显示字符，根据人眼视觉特性，当LED所加信号频率大于50Hz时,人眼不能感觉其变化，所以每位显示的间隔不能超过20ms，也就是说要在20ms之内分时的点亮所有LED，LED越多所分的时间越短，亮度就会不足；如果增加点亮时间，又会使扫描频率下降，有闪烁感容易造成人眼的彼劳，故常采用动态扫描方式[2]。这种扫描方式仅适用于LED不超过10个时的场合，本例中只有4只LED数码管，故可以选用此方法。
CJ1M系列PLC有丰富的定时指令，其定时器类型有1ms、10ms和100ms，这里选用TIMH指令[3]，定时器的设定值为#1，这样选通信号的周期为10ms。
2.3 同步化处理
PLC采用循环周期扫描工作方式，指令的执行由上至下，有左至右，前面的结果将影响后面；前一个周期的结果影响下一周期。PLC逻辑设计同步化就是设法实现：用脉冲信号控制输出及内部状态的转换，有脉冲作用的周期，执行指令才有效果；而且在脉冲信号起作用的这周期中，前面指令的执行结果，不改变后面指令的执行条件[4]。同步化处理的方法很多，在图2中是通过合理安排指令的先后顺序来实现同步的。
图2中，系统上电，高速定时器开始定时，10ms后，其常闭触点断开，即T0输出一个脉冲，宽度为一个扫描周期。个脉冲到了， 6.04置位，成为前一行的指令执行条件，但这时它的指令已经执行完毕，故在此脉冲作用期间，也不会有什么变化。依此类推，第四个脉冲之后，6.07置位，6.06复位，成为工作寄存器W0.00输出的条件，第五个脉冲到来，6.07复位，梯形图又回到初始状态，如此反复，分时实现四位数据的 端6.04～6.07轮流接通10ms。
图2 选通信号的生成
2.4 数据显示
采用MOVD指令，将要显示的内部数据如DM区、W区、T/C区等中的一个字通过通道6显示出来。如图3所示，本例中，依不同的选通信号，将D0中的数据通过选择不同的位进行显示。
图3 数据显示输出
3 功能扩展
3.1 显示双字
在图1中，PLC输入端接拨码开关SA，其作用根据其所在位置不同结合跳转指令（JMP/JME）来确定数据显示是哪个通道。如图4中，当SA为ON时，显示D0中的数据；当SA为OFF时，显示D1中的数据。
图4 双字数据显示输出
3.2 硬件扩展
如果对4个选通输出点6.00～6.03采用一片4线－16线译码器（如SG74HC154）进行译码，可以扩展成16个循环的选通信号，就能显示4个通道的数据。如果结合开关SA，按图4中的方式，就可以显示8个通道的数据。
5 结束语
本文以CJ1M系列PLC为例，用9个I/O点（1个输入，8个输出）结合软件编程和硬件扩展来显示8个内部通道的数据（128位）。实践证明，该方法简易可靠、成本不高，适合实验教学和工程现场操作。
在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产一线保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气流量等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断提高，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。
空气系统自动控制的必要性
应用在天纺投资控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。
图：分级控制网络实施方案图
目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。
空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义：
■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。
■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约更多的能源，节省人力成本。
■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。
■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。
在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。
除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的全面自控。
空压站其他系统的自动控制
除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。
自动控制具有以下优点：
■ 操作简单，可以实现无人值守；
■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；
■ 具有高可靠性；
■ 减轻工作人员负担；
■ 节省人力成本。
需要控制的参数和可能的控制方式
空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。
空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：
⑴采用PLC系统进行通讯和控制。
⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。
种方法可靠性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。
第二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。
除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。
系统构成
对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。
该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用专用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。
■ 硬件配置
现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。
■ 软件功能
选用专用的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。
在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。
结论
总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于提升天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。
