6ES7314-6CH04-0AB0性能参数

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随着可编程控制器技术的不断发展，其应用领域也在不断的扩大。各种PLC及其组态软件也应运而生。但为了降低成本，对于在小型的对象上的运用，一般可以使用一些自编的通讯软件和监控界面，实现对工艺对象的自动控制。文章以水处理中某段装置的控制工艺为实例，叙述了通讯实现的编制过程。
关键词：通信，PLC，自动控制，水处理，VB
引 言
　　根据国际电工委员会的定义，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 [1] 。它具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、配套齐全、功能完善、易学易用等优点，目前广泛应用钢铁、石化、电力、交通、环保等行业。PLC是一种控制器，主要实现直接对对象的控制，可作为下位机。要实现对生产过程的监控，还必须配以计算机或触摸屏等人机接口界面作为上位机，对于大型复杂的对象，可以使用各种组态软件，如：iFix、MCGS、组态王等;而对于小型的装置，为了节约成本，可以使用VB、VC等可视化编程软件来实现。本文就是基于这点考虑，运用VB编制操作界面和通信功能，实现实现对某一新型水处理工艺中生物陶粒预处理反应器的反冲洗以及絮凝—沉淀池加药的监控。控制器采用FX2N—48MR—001，模拟量模块为FX2N—4AD和FX2N—2DA，通讯采用FX2N—232—BD型通信模板。
1 部分工艺简介
　　整个水处理的监控，除了总体界面外，还有5个放大的分界面。其中生物陶粒预处理反应器及沉淀池的工艺过程简图如图1所示：

图1 反应器及沉淀池工艺流程框图
　　在正常生产过程中，生物陶粒预处理反应器内源水水面能保持恒定，但由于其中存在大量泥沙和杂质，在过滤过程中会堵塞过滤层间隙，影响过滤的效果。实践中发现，其影响程度和反应器底部的压力有关系，堵塞越严重，底部压力越小，即所谓的压头损失。当压头损失到一定的程度，就会影响水处理的效果和净化效率，此时必须对反应器实施反冲洗。在反冲洗过程中，要先关闭进水泵和出水阀，打开排空阀进行排空，排空后立即关闭排空阀，打开反冲洗阀和反冲洗泵，根据预先设定的反冲洗时间进行反冲，将过滤层中的泥沙和杂质从反应器上部的溢流孔排出，到设定的时间后，关闭反冲洗泵和反冲洗阀，再打开进水泵和出水阀，恢复正常生产。
　　对于絮凝—沉淀池加药，是检测池内的浊度自动控制加药量的流量大小。由于这是一个过程滞后时间比较大的过程，要采用特殊的控制算法。在这一段工艺中要检测2个模拟量，输出1个模拟量，外加进水泵、反冲洗泵的启停，反冲洗、排空、出水电磁阀的通断等开关量。除此之外还有砂滤池、GAC—石英砂生物滤池、BAC反应器和GAC吸附池也需要进行反冲洗自动操作。整个水处理工段需要6个模拟量输入，1个模拟量输出，20个开关量输出。这是一个小规模的控制，要实现计算机的监控，必须要实现FX2NPLC与PC机之间的通讯。
2 通讯方法
　　可编程控制器与计算机的通讯近年来发展很快，在PLC与计算机连接构成的控制系统中，计算机主要完成数据处理、修改参数、图像显示、打印报表、文字处理、系统管理、编制PLC程序、工作状态监视等任务。可编程控制器仍然直接面向现场、面向设备，进行实时控制。两者的连接，可以更有效地发挥各自的优势，互补应用上的不足，扩大PLC的处理能力。
　　为了适应PLC网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有PLC厂家都为PLC开发了与上位计算机通信的接口或专用通讯模块。一般在小型PLC上都设有专用的通信模块。PLC与计算机之间的通信正是通过PLC上的RS422或RS—232C接口和计算机上的RS—232接口进行的。PLC与计算机之间的信息交换方式，一般采用字符串、全双工或半双工、异步、串行通信方式。因此，可以说，凡具有RS—232C接口并能输入输出字符串的计算机都可以和PLC通信。
　　利用PLC基本单元上的RS422或RS—232C通信接口，可以配置一个PLC与外部计算机进行通讯的系统。该系统中PLC接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为PLC中软元件的状态和数据;PLC又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机改变PLC的初始值和设定值，从而实现计算机对PLC的直接控制。
　　本系统是采用FX2N—232—BD型通信模板实现通讯功能，通讯软件用VB编程，PLC内部不需要编写任何的通讯程序，只要把需要通讯的数据放在相应的数据寄存器中即可。
3 通讯协议
　　FX2N系列PLC与计算机之间的通信是建立在以RS232标准为基础的异步双向通信上的，它有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式，计算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以ASCⅡ码为准，常用的字符及ASCⅡ码对应关系如表1所示。[2]
　　表1 常用的字符及ASCⅡ码对应关系


　　在进行通讯时，计算机和PLC之间是以帧为单位交换信息的，其中控制字符ENQ、ACK、NAK是按单字符帧发送和接收的，其余的信息都是由字符STX、命令字、数据、字符ETX、和校验五部分组成。命令字可以为“0”、“1”、“7”、“8”等，分别代表对PLC相关单元的读、写、置位和复位操作，相关单元为X、Y、M、S、T、C，而读写还可对D数据寄存器进行操作。校验是在信息帧的*后，用来判别传输是否正确。由于计算机和PLC一般都在控制室内部，点对点传输距离较短，出错的概率较小，所以一般采用和校验法，基本能满足要求。将命令字到ETX之间的所有字符的ASCⅡ码相加，所得和的*低2位数作为和校验码。
4 通讯实现
　　FX2N—232—BD型通信模板
　　该摸板可以无序地和计算机、打印机等具有RS—232C接口设备进行连接通信，它的传输距离为15m，通信方式为全双工双向方式，*大传输速率为19200bit/s。
　　MSComm控件
　　Visuai Basic的版本分为普及版、专业版和企业版，每个版本都是为了适应不同的使用群体，串行通信的控件包含在专业版和企业版中，而普及版不具有此功能。
　　VB6.0把与串行通信有关的操作都封装在Mscomm控件里，它是一种事件驱动的对象。VB同时也为这个控制提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性的方法提供了通信接口的参数设置，从而解决了串行通信的问题。[3]
　　MSComm控件的属性众多，下列介绍涉及到的主要几种:
　　CommPort属性用于设置或返回通信连接端口号码。程序必须指定所要使用的串行端口的号码。bbbbbbs系统会使用所设置的通信端口与外界进行通信，程序也可以借助此属性返回所使用的连接端口号。端口号的*大值为16，默认为COM1。
　　Settings属性用于设置初始化参数，以字符串的形式设置或返回传输速率、校验位、数据位、停止位等4个参数。其默认值是：“9600，N，8，1”，表示所使用的通信端口是以每秒9600位的速度作传输，不作校验位检查，每个数据单元是8个位，而停止位是1个位，需要注意的是：这4项必须按照上述顺序，不可前后对调，字母“N”可以大小写，而且使用RS-232通信的双方，Settings必须完全一样，彼此才能顺利的沟通。
　　PortOpen属性用于设置或返回通信连接端口的状态。使用前必须将要使用的串行接口先行打开，而在使用完毕后，也必须执行关闭操作。串行通信端口各项功能都是在PortOpen的True与Fause之间完成的。
　　bbbbb属性用于从输入缓存区返回并删除字符，程序靠这个命令将对方传到输入缓存区中的字符读出来，并清除缓存区中已被读取的字符。
　　Output属性用于将一个字符串写入输出缓存区，当程序向对方传输字符串时，可使用此命令将字符串写入输出缓存区中。
　　bbbbbMode属性用于设置或返回bbbbb属性取回的数据形态。可以是以字符串的形式接收，也可以是以字节数组中的二进制数据来接收。
　　使用MSComm控件的方式表面上看来要比使用直接调用API函数来得复杂，但实际上使用MSComm控件可以省去不少底层程序的编写，因此实际上要比API函数简单多了。[4]
　　4.3 通讯的请求与确认
　　要进行通讯，上位计算机首先要对通道等进行测试，它要向下位PLC发送ENQ（05H）查询命令，PLC得到请求后要返回一个命令，如果返回的是NAK（15H），表示通讯有错，不能进行通讯，如果是ACK（06H），表示可以进行通讯操作。这也是程序调试过程中，判断通讯是否成功的一个标志。
5 通讯应用
　　该技术已经运用到某单位水处理中试生产工艺中，运行已经有半年多，运行情况良好，大大地减少了人工的操作强度。虽然这只是一个中试加科研的装置，控制的点不是很多，但已能很好地验证了FX2N系列PLC与计算机之间的通信的可行性与可靠性。

图2 反冲洗及沉淀池工段监控界面
6 结束语
　　随着计算机及自动化技术的不断发展，自动控制手段也不断的更新，控制的可靠性也在断提高，自控的成本也就在不断的上升。在一些小型的装置上采用一些自编软件很有使用价值。虽然在开始阶段增加了一部分的开发工作量，但只要做到功能可靠，其操作简单，添加功能也比较方便的优点就比较突出，很有推广价值和使用前途。一 概述
      由于玻璃钻饰品外型的特异性，玻璃钻饰品的加工和检测基本上处于手工或半手工状态，耗费较大的人力资源，效率低下，而且产品质量不一，很难保证产品质量的均衡性和持续性。二年前受广东某玻璃饰品有限公司的委托，我公司代其开发专用机电一体化加工设备------玻璃钻饰自动磨钻机，目前该设备已投入试生产运行，本人独自担当了整套设备的电控系统集成设计任务，该设备的自动化程度较高，逻辑控制比较复杂，设备的控制核心由三菱FX2N系列PLC和扩展模块以及FX2N-1PG特殊模块集成，本人在此想同大家交流一下该系统的集成过程和应用体会。

       二 磨钻机用途
      本磨钻机主要用于加工玻璃钻饰品，加工原料为球状态玻璃，可加工直径为φ1.0mm---φ10.0mm间的球状玻璃，加工面为17个，分别为台面一个，冠面8个，亭面8个，如下图所示：

      三 磨钻机组成

      为了减小设备体积，节约设备制造成本，提高生产效率，整台磨钻机设备设计成双边进料交叉加工形式，所以，整套设备有许多相同的部件，由以下各主要部件组成：粘杆夹具（4个）、上料机构（2个）、下料装置（2个）、翻转机构（2个）、磨抛机构（2个）、导轨齿条及支架等。

      整个设备长约8米，宽约2米，高度约为2米。外型见所附设备照片。

      四 磨钻机传动

     磨钻机夹具在水平方向的移动定位要求较准确，故采用导轨导向，齿轮齿条传动，步进马达驱动方式，磨头、抛头以及磨抛转换采用普通三相异步交流电机驱动，上料机构、夹具垂直方向运动、磨抛换面等均采用气缸气动传动。

      五 磨钻机加工工艺

      磨钻机加工工艺过程比较简单，设备单边加工工艺过程如下：粘沙——上料——烧结——磨切——抛光——（换面——磨切——抛光，共八个循环）——下料。

      六 磨钻机机械运动过程

      按每个位置加工功能分，磨钻机有四个加工工位，分别是：粘沙位、上料（下料）烧结位、转接位、磨抛位。由于两边的加工过程一样，所以以一边为例说明其机械运动过程。

      为了便于方便描述，把加工冠面的夹具称为冠面夹具，加工亭面的夹具称为亭面夹具，相应地，加工冠面的换向气缸称为冠面换向气缸，加工亭面的换向气缸称为亭面换向气缸，加工冠面的磨抛机构称为冠面磨抛机构，加工亭面的磨抛机构称为亭面磨抛机构。具体机械运动过程如下：（参看《磨钻机总图》）

      自动开始，系统找原位------在粘沙位冠面夹具和亭面夹具定位——冠面夹具和亭面夹具在气缸带动下同时向下粘沙——粘沙完成后两夹具向上——冠面夹具在步进马达的驱动下向前移动到上料位（而亭面夹具则在另一步进电机的带动下向前移动到转接位，并在翻转气缸的驱动下做180°的翻转，做好转接准备）——上料机构在气缸驱动下向上上料——上料完毕，上料机构向下，同时冠面夹具在步进马达的驱动下移动到磨抛位（冠面夹具开始作周期性往复慢行，直到抛光加工结束为止）——冠面夹具在气缸的驱动下向下磨台面——加工完台面，冠面夹具垂直向上，同时撤消冠面夹具定位，——冠面换向气缸1动作换面，——冠面夹具向下磨第一冠面，——磨完冠面1，冠面夹具向上——撤消冠面换面气缸1——冠面换向气缸2动作换面——冠面夹具又向下磨第二冠面（如此这样，一直把第八个冠面磨完）——然后，冠面夹具向上，磨抛机构在电机的驱动下做工180°的旋转，准备进行抛光，（抛光接着从*后一个被磨冠面即第八冠面开始）——冠面夹具向下——抛光第八冠面——第八冠面抛光完毕，冠面夹具向上——同时撤消冠面换向气缸8——冠面换向气缸7动作——然后，冠面夹具向下抛光第七冠面（如此这样，直到把第一冠面抛光完成）——冠面夹具向上——冠面夹具定位气缸动作定位——冠面夹具向下抛台面——抛光完台面，冠面夹具向上（磨抛机构准备180°转换）——冠面夹具停止往复慢行，然后找基准——冠面夹具在步进马达的驱动下向后移动到转接位——亭面夹具向上转接玻璃球——点火烧结——亭面夹具向下——亭面夹具作180°翻转——转接完成，（冠面夹具则在步进马达的驱动下向后移动到粘沙位，开始冠面夹具下一周期循环工作）——亭面夹具移到磨抛位——亭面夹具撤消定位（亭面夹具开始周期性往复慢行，直到亭面磨抛加工完成为止）——亭面换面气缸1动作——亭面夹具向下——磨第一亭面——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸1——亭面换面气缸2动作——亭面夹具向下——磨第二亭面（如此这样，直到把第八个亭面磨完）——亭面夹具向上（亭面磨抛机构180°转换，准备抛光）——亭面夹具向下——抛光第八亭面（接着从*后被磨的第八亭面开始抛光）——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸8——亭面换面气缸7向下——抛光第七亭面（如此这样，直到把*后一个亭面即第一亭面抛光完成）——亭面夹具停止往复慢行，找基准——亭面夹具向上（亭面磨抛机构准备180°转换）——亭面夹具定位——亭面夹具在步进马达的驱动下向后移动到下料位点火——下料——亭面夹具向后移动到粘沙位粘沙——（亭面夹具下一周期循环开始）

      至此，一个玻璃饰品的加工已完成。

      七 磨钻机控制方式

      设备控制有手动、自动、停止三种方式，在自动方式下又分为全自动和单步自动两种，停止也分为自然停止和紧急停止两种，下面加以详细解释：

      l 手动

       手动方式的设立主要是方便于设备调试、维护，在手动方式下，可任意起停各相对独立的每一可动部件，如每一气缸运动、马达的起停等。

      l 自动

        自动分为全自动和单步自动。

        全自动是指设备两边自动同时上料交叉加工，完成一周期加工后，自动再上料加工，直到接收到停止或故障命令为止。

         单步自动是指设备一边进行全自动上料加工，另一边可不进行加工。

     l 停止

       由于设备自动工作后，一直处于不断自动上料加工状态，所以，设备停止分为自然停止和紧急停止。

       自然停止是指按下停止按钮后，设备并不马上停止，而是进行完当前一周期的加工并返回到原位后停止下来。

        紧急停止是指为发生意外或故障时设立的停止方式，按下紧急按钮时，机器马上中止当前的工作。

      八 控制关键

      l 冠面夹具和亭面夹具水平移动定位准确要求为10丝（道），除了步进电机控制精度要求较高外，还要考虑齿轮齿条之间间隙的影响。

      l 玻璃球饰品磨切和抛光时，是由升降气缸带动粘杆向下紧压在高速旋转的磨、抛平台上完成的，其磨切尺寸和抛光精度（包括台面磨切抛光）均由三个台阶式的气动限位块进行调节，气动限位块由两限位气缸驱动，气缸电磁阀采用双线圈锁紧式电磁阀，气缸可停在任意行程位锁紧，以实现三台阶定位驱动，这样自动配合磨切和抛光时的不同尺寸。

      l 冠面夹具和亭面夹具的找原位和找基准是否准确会影响到其水平方向的定位精度。

      l 逻辑关系、整机动作配合相当复杂，程序量较大（目前实际程序长度为3980）。

     九 控制系统集成方案选择

     控制系统集成基于可行性、可靠性还有性价比等多方面因素来综合确认。下面就单片机控制、工控机（IPC）控制、PLC控制等简单比较说明。

     说明：基本控制约I/O=128/75，此外，还有四台步进马达控制。

     1 单片机控制

     l 可靠性低     单片机本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。.

     l 开发成本高     单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，以本人几年来单片机开发经验可知，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。     

      另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。  

    l 开发周期更长     单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对*为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。

     l 不便于修改和维护     利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能     找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户*不愿看到的。

      基于以上（不限于）的原因，本人认为此方案不适用

     2 工控机（IPC）控制

     无疑，从可靠性来说，IPC要比单片机要好得多，但其价格昂贵，不计其整机价格，单就要满足I/O点数据的板卡量（32通道，约10块）费用就不少，其价格要远远高于采用PLC控制的价格。

      更为重要的是工控机更新换代较快，不但硬件如此，而且*根本的操作系统也不断地更新换代，换句话说，如果设备控制系统出现故障，更换硬件，可能意味着更新操作系统，进而导致整个系统的应用软件（包括界面）都要重新设计（或开发），这对太多数用户来说是不能接受的。

      所以，本人认为此方案也不适用。

     3 PLC控制

     l 可靠性     自第一台PLC诞生就是应用于工业现场控制，不可否认，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。据*近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90％。

     l 成本低     就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。

     l 开发周期短     采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。

     l 性能加强     随着微电子控制技术的发展，PLC的处理能力也越来越强，其通讯能力、运算处理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有长足的发展。

     所以，从可靠性和性价比等方面来说，本人认为采用PLC控制是适合的。

     4 PLC选型

     目前世界上PLC品牌众多，由于各公司的发展战略不同，价格也参差不齐，性能特长也各不相同，但从市场占有情况来说基本上可以划为两大阵营，一是以Rockwell、SIEMENS、施耐德等公司为首的欧美洲流派，一种是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司为首的日本流派，它们各有特点，各有所长，欧洲流派以大型系统而见长，而在中小型系统方面则是日本流派一统天下，占据了市场大部分份额。

      下面以****占有率较高的SIEMENS和MITSUBISHI为例，按所要求的数字量I/O点进行配置（暂不包括步进控制），以目前的市场报价进行统计对比，以便确定哪一种PLC更加适合本系统的应用。

      按I=128点，O=75点，另加四台步进电机控制进行配置，考虑到用触摸屏可节约大量的输入点，经初步统计实际I点按约64点配置即可。（其余I点由HMI软元件满足）

     下面为SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置表

     下面为三菱（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表

     上面比较可以说明，同档次的PLC，基本配置相同I/O时，用SIEMENS所花的费用比用三菱要贵多两倍，当然，对此系统配置来说，问题还远远不如这些，因为用SIEMENS配置需要用14个扩展，已远远地超过了其一个CPU*多只能带7个扩展模块的限制，还有就是S7200系列还没有相应的定位模块，换句话说，用S7200系列的PLC根本无法完成此系统的功能，除非用多个CPU或者用S7300系列才有可能完成此系统的功能，这样费用更高。

      反观三菱的PLC系统，只带一个扩展就完成了配置，而且还可以轻松带4个定位控制模块，也不会超出其*大配置的限制。而且，其特有的顺控指令对处理复杂的逻辑关系又是其它PLC不能相比的。

     日本公司的PLC产品正是凭借其自身的优点，进入世界各大市场，据有关资料报道，在中小型系统PLC方面，日本产品占据了世界上约70%的份额。而三菱系列的PLC更是占据了国内大部份市场份额。

      所以本系统选用了三菱的PLC作为控制系统。