西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8现货包邮

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建筑是人类生活的基础设施和基本条件之一，随着生活水平的提高和人类社会的发展，人们对建筑的需求越来越迫切，建筑工程的规模和数量在不断增长。在我国的建筑行业中，钢筋混凝土结构结构的建筑还占有相当大的比重。在钢筋混凝土结构的建筑中，钢筋是整个建筑的骨架，它由主钢筋和箍筋等构成。箍筋的形状和尺寸跟主钢筋的设计有关系，并且它的用量要比主箍筋的用量多许多倍。但在现实的箍筋生产中，箍筋的生产有两部分组成：一种是校直装置，另一种是弯箍成型的装置。当前的简易弯箍设备远远不能满足大批量、多品种的加工模式，工人的劳动强度大，生产效率低，人工成本很高。 

二 S7-300简介及硬件/网络组态 

SIMATIC S7-300是德国西门子(Siemens)公司生产的模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。S7-300系统通过各种单独的模块之间的组合可进行构成不同要求的系统；S7-300的指令系统具备高速（0.6~0.1μs）的运算速度；S7-300支持用浮点数和反三角函数运算，能够有效地进行更为复杂的算术运算；S7-300通过统一的Step 7软件方便、简单的给所有模块进行组态和参数赋值；S7-300具备多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300具备强大的通信功能，它多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统，多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 

弯箍的过程中涉及到了大量的计算，我们需要一种能支持强大运算功能的PLC，西门子的S7-300正好符合我们的要求。西门子的Step 7 ProfessionalV5.4 SP3 编程软件支持LAD，STL和FBD三种编程语言，并且支持三种编程语言的混编，大大的提高了编程的效率。 

所以针对箍筋生产的现实情况，考虑到使用环境为高粉尘、高电磁干扰，已超出了工控机的承受范围，我们选择了一种用先进的、成熟的S7-300 PLC主要核心、以触摸屏为人机界面（HMI）、以安川交流伺服驱动系统为执行机构的方案进行自动化箍筋生产设备的设计。 

以S7-300为核心的控制系统包含CPU314C-2DP（CPU）、FM354（驱动牵引部分的控制器）、FM353（弯曲部分的控制器）、SM321（输入模块，反馈各种执行机构的动作完成位置是否正确和控制信号）、SM322（输出模块，控制各种电磁阀的动作）构成，如下图所示：

S7-300与触摸屏的连接网络我们选择MPI，CPU314C-2DP的MPI地址设为2，SM354的MPI地址设为3，SM353的MPI地址设为4，HMI的地址设为1，网络组态如下图所示：

三 工作原理 

根据箍筋生产的实际情况，我们采用将校直装置和弯箍成型装置放置在一起的方案。校直部分主要由横、竖两排矫直辊组成，通过辊子的挤压来去掉钢筋的弯曲应力，如下图所示。为了方便用户的调整，上半部分的矫直辊的位置可以调节，以适应不同直径的钢筋。

校直装置由一个11KW的交流伺服电机来牵引，牵引的同时完成送料。 

弯曲部分采用绕弯的方式，以一个轴为中心，另一个轴臂围绕此轴旋转，如下图所示。整个弯曲部分可以一弯曲时的钢筋为中心伸出/退回，也可以进行顺时针/逆时针的旋转。弯曲的速度和角度有定位模块FM353来控制，实现了高速、**定位

旋转部件的也由以一个7.5KW交流伺服电机来牵引。 

当箍筋加工完成后，由普通的三相异步电动机通过曲柄连杆机构带动剪刀把钢筋剪断，然后进行下一个循环。 

四 软件的实现 

S7-300 PLC系统编程软件选用STEP 7 Professional V5.4 SP4编程软件包（为了能FM354、FM353对进行设置，我们要安装四门子提供的Simatic S7 FM353/FM354 bbbbbeterization Version 4.03.04），采用模块式的面相对象的思想进行编程，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。 

由于STEP 7 Professional V5.4 SP4支持在同一个块内同时使用LAD，STL和FBD三种编程语言。对于系统中的逻辑控制选用梯形图编程，构成FC块，实现各机组执行机构的电气控制和工序逻辑功能；对于数据处理的部分则采用语句表编程，构成FB块。浮点数运算和反三角函数的运用极大地简化了检测盘上的外部旋转编码器的脉冲信号的输入与钢筋送进长度之间之间的换算关系，实现较为复杂的算术运算和逻辑、定位控制等功能，具体的程序结构见下图。

其中OB 100是热启动组织块，系统启动就调用OB 100，主要作用是初始化各种数据并且把内部存储的各种状态复位;OB1是主程序块，它调用各种FC和FB更新来自MPI总线上的数据块中的的数据，控制伺服驱动器完成定位，控制各个阀的动作，来完成箍筋制作的动作。 

PLC自20世纪70年代后期进入中国后，已然经过了三十多年的长足发展。不知正在阅读文章的各位，是否还记得您参与设计的款PLC电路？现如今，PLC及DCS仍然在工控领域发挥着重大作用，并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向发展。 

以PLC机架插槽的典型I/O卡为例，目前常见的8通道模块尺寸一般为90mm×70mm×23.5mm，但在市场需求驱动下，名片大小的产品已经问世。通道密度或数量的增加不仅能提升模块功能，而且可以增加产品价格竞争力，自然大受欢迎。但是，如何降低模块尺寸？如何在满足上述需求的同时解决由此产生的自热问题？如何进行低功耗设计？这些，也都是PLC系统设计时面对的实际问题。 

ADI过程控制系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节》一文，已就现场仪器仪表/变送器的设计需求和挑战进行了深入分析，作为该篇文章的姊妹篇，本文将着重关注PLC/DCS系统中的模拟输入输出部分的发展趋势。这里会将输入和输出模块区分开来，就其不同的系统要求进行分别探讨，并着重介绍ADI能够支持这些要求的新优势产品和解决方案。 

多通道全集成模拟输出解决方案 

模拟输出讲究的是集成、能效和性能。首先，模块尺寸要小。目前，设计人员早已通过在产品设计中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC，达到减少电路板尺寸的目的。与此同时，每个模块的功耗也由曾经的5W-10W，发展到了如今的3W-5W，未来势必降至更低。在这方面，一些设计人员通过牺牲设计规格来满足功耗预算，此法虽然能达到降低功耗的目的，但势必也会导致产品竞争力下降，因此并不推荐。 

其次，通道密度要增加，由原来的4通道、8通道增加至现在的12甚至16通道。众所周知，空间不变而通道密度增加，会显著提升模块的环境温度，在某些情况下，高达100摄氏度的系统环境温度并不罕见，而这本身却会对高IC结温造成挑战。而且，通道密度的增加还意味着元件数量以及功耗的增加，这也从另一方面要求设计人员在选择元件时，要尺寸更小、静态电流更低而且效率更高。 

第三，速度，即建立时间要提高，从而实现工厂自动化。目前，模拟输出通道建立的时间已经降低至20μs，但依然在向更高效率发展。 

第四，工艺安全要求也要提高，系统要引入安全完整性等级(SIL)来提高诊断性以及稳定性。 

ADI多年来深耕工业控制领域，其提供的模拟输出解决方案从初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案，发展到“四通道DAC＋四个外部驱动器”式半集成方案，再到后来的单通道全集成式解决方案，以及新的多通道全集成式解决方案，其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程师耳熟能详的芯片产品。

 
图1：工业输出的创新发展历程

图1所示为ADI工业输出产品的创新发展历程。以现在的眼光来看，早期的分立设计方案毫无疑问存在很多缺陷：器件数量过多造成系统复杂、电路板尺寸过大以及成本过高；多个器件导致误差度随着不同极性系数变化，从而造成总误差难以计算；无法提供短路监测/保护或任何故障诊断；不包括许多工业控制模块中所必须的电压输出等。 

正因如此，集成式解决方案毫无疑问更胜一筹。例如AD5422/AD5412单通道16位/12位4mA～20mA和电压输出DAC，就是一款易于部署的解决方案，其紧凑型的封装中集成多种功能，提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，Iout范围为0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA；Vout范围为0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，可以有效简化工厂过程控制和工业系统设计。 

AD5755则是一款四通道16位4 mA～20 mA和电压输出DAC，除了将AD5422的单通道增加到四通道外，该产品还增加了动态功率控制功能，这也是业内具备动态功率控制功能的数据转换器。新功能不但有利于节能，而且还可以增强过程控制I/O系统的工作稳定性。

 
图2：(左)系统输出的常见架构图 ，(右)带动态功率控制的系统输出

图2(左)为系统输出常见的架构。假设通道配置为4mA～20mA通信，DAC需要驱动一个执行器负载，所以执行器的端接电阻决定环路所需的大电源电压。如今的系统必须能够驱动高达(有时甚至超过)1 kΩ的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA 的满量程电流，电源需要提供至少20V电压。如果考虑到DAC的电源裕量，电源可能升至24V。再考虑到输出级的功率调节，输出级电压较好的估计值为28V。 

短路有可能是真实存在的条件，这主要是由于ADC模块可通过低至20欧的电阻值端接，以便检测。因此这样一来，8通道模块仅模拟部分的功耗就可能高于4W，再加上DC-DC级的功耗，如果以80%的效率来计算的话，仅模拟部分的功耗就将大于6W。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始成为问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。 

一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手，在内部使用开关电源，根据输出负载情况智能且自动地对MOS管上端的电压进行调节，这就是ADI专有的动态功率控制解决方案。该方案可以检测输出负载，然后在负载变化或编程电流变化时，根据需要动态地升高输出顺从电压，如图2(右)所示，只需在片内集成DC-DC升压转换器即可。 

采用5V标称电源运行DC-DC转换器时，输出端的低调节电压约为7V，而高电源电压可超过30V，具体取决于需求。注意，这种情况下，需要再次考虑零负载条件，这是电流输出的一种有效条件。图2(右)的实际结果表明，在部署动态功率控制时，每加入一个DC-DC可让每个通道的独立功耗降至低。在8个通道发生短路的情况，DC-DC将输出调节为7.5 V，从而限制了片内功耗和模块功耗。假设DC-DC隔离级效率仍为80%，使用动态功率控制的8通道模块总功耗则降至3W。 

图3很清楚地表明了DC-DC控制启用前和启用后片内温度的对比。其中粉色为不启用DC-DC控制的情形，温升超过200度；蓝色为启用后的情形，温升只有五六十度。事实证明，通过使用动态功率控制功能，设计人员不仅可以确保器件自我保护，而且可以将模块内的功耗降至较低水平。

 
图3：其中DC-DC调节功能后，片内芯片温度大幅降低

那么，加入片内DC-DC将会产生多少纹波？特别是考虑到后置调节阶段不使用LDO时，这样做对系统性能有何影响？事实上，AD5755电路设计时用到了DC-DC抑制元件，出于完整性考虑，还添加了可选低通RC滤波器，充当一阶抗混叠滤波器。实验证明，纹波幅度与建立时间和输出电容之间存在权衡关系。因此，系统设计人员在使用该产品时，必须首先确定系统可以容许的纹波大小情况。 

模拟输入的关键：更佳稳定性和高速高性能ADC 

与模拟输出相比，模拟输入发展更为强调系统的稳定性以及高速、高性能的ADC内核，其中稳定性包括过压保护和更佳的50 Hz/60 Hz抑制等。 

在PLC/DCS模拟输入端，我们通常需要调理和转换两类电压，一类是输入范围包含±10V 的双极性电压，一类是0-10V的单极性电压。在将这些信号送入ADC进行转换前，我们需要至少在信号输入和ADC输入间放置一个运算放大器作为缓冲器。考虑到系统所追求的电压稳定性和可靠性指标，ADI具有过压保护功能的微功耗RRIO(轨到轨输入/输出)运算放大器ADA4096-x非常适合此类应用。 

ADA4096-x的特点可以浓缩为几个关键词：32V、RRIO、精密、μPower以及过压保护(OVP)。其内部输入过压保护，多可以超出供电轨±32V，放大器都不会损坏。此特性对存在电源时序控制问题的应用特别重要，该问题可导致信号源在放大器上电之前加入。 

放大器过压保护有不同的方案，其中为简单的就是内置静态放电(ESD)保护，很多基本的二极管保护电路都采用此方法，但是强壮型较差。此外，差分二极管以及外部二极管保护，由于成本较低也被广泛使用，但存在本身的漏电流和寄生电容对放大器产生影响等问题。

表1：各种内部和外部OVP解决方案对比 

从表1中ADI OVP解决方案的电路图中可以看出，ADA4092-x有两个不同的ESD电路，用于增强其过压保护功能。其中一个电路是一个5kΩ的串联电阻，连接至内部输入端和从内部输入端到供电轨的二极管(D1和D2；D5和D6)。另一个保护电路为连接至供电轨的两个DIAC(D3和D4；D7和D8)，DIAC可以看作是带传递特性的双向齐纳二极管。对于差条件设计分析，可考虑两种情况：从内部运算放大器输入端到供电轨，ADA4092-x采用正常的ESD结构；从外部输入端到供电轨，则采用42 V DIAC。 

除上述集成式OVP解决方案外，ADA4096-x还具有轨到轨输入/输出摆幅的特性。此外，该产品功耗很低，每个运算放大器的典型值只有60μA，只要保证在其电压工作范围3V至30V之间，这也使得它非常适合于电池供电或监控电池供电情况。其单位增益带宽为800kHz(Vsy = ±15V时的典型值)，会随着电压下降而有所降低。低失调电压的典型值也只有35μV。与同类产品相比，ADA4096-x具有竞争产品的2倍带宽、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。该器件提供业内高水平的过压保护，可以在要求严苛的工业与仪器仪表应用中稳定工作。

 
图4：连接到SDP板的bbbb-CN0241-SDPZ评估板

图4为ADI公司针对ADA4096-x输入过压保护的高端电流检测实验。 

具有灵活滤波器选项的24位Σ-Δ型ADC 

在工业应用中，当测量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低电平信号时，通常需要差分输入信号，以抑制来自电机、交流电力线，或其他的噪声源(这些噪声源将噪声引入模数转换器的模拟输入端)的共模干扰信号。 

对于输入模块而言，Σ-Δ型ADC是受欢迎的选择，因为它们能提供高精度及分辨率。此外，其内置的可编程增益放大器(PFG)可以**测量小的输入信号。AD7176-2是ADI今年新发布的24位Σ-Δ型ADC，在其内部滤波器设计方面，采用了新的方法和思路。

 
图5：AD7176数字滤波器功能框图

如图5所示，AD7176-2有三个灵活的滤波器选项，支持对噪声、建立时间和抑制性能进行优化。新的Sinc5+Sinc1滤波器部分，主要用于快速切换多路复用应用，可实现建立时间快的快速通道切换，使通道扫描速率达到大。Sinc5模块输出固定在250kSPS的大速率，Sinc1模块的输出数据速率可变，从而控制终ADC输出数据速率。 

Sinc3滤波器在较低速率时可实现佳单通道噪声性能，因此适合单通道应用，可以使单通道、低速应用的分辨率达到高。 

增强型50 Hz和60 Hz抑制滤波器，旨在提供50 Hz和60 Hz同时抑制，并且允许以牺牲通道开关速率的代价换取抑制性能。这些滤波器是市面上快的50 Hz/60 Hz抑制产品，可以高27.27SPS的速率工作，或者可以抑制高90 dB的50 Hz ± 1 Hz和60 Hz ± 1 Hz干扰。这些滤波器是通过对Sinc5 + Sinc1滤波器输出进行后滤波实现的。因此，使用增强型滤波器时，必须选择Sinc5 + Sinc1滤波器。 

AD7176-2的可编程功能通过SPI串行接口执行，具有校验和模式，可用来提高接口的鲁棒性。CRC校验和在读写操作下都可工作，除了能够有效防止SPI通信错误外，还可以在内部对ADC配置进行校验，从而增强其稳定性。 

这里值得一提的是：AD7176-2前端集成交叉点多路复用器，可以通过选择不同输入引脚来配置伪差分或全差分输入对，从而将任何模拟输入组合作为要转换的输入信号，并将其路由至调制器正或负输入。这样一来，AD7176-2就可以实现通道间的差分，从而大大提高其灵活性，这也是AD717x系列优于较早前的AD719x和AD779x产品的一个地方。 

除此之外，AD7176-2还包括很多其他的优势：可以灵活设置输出速率，高速率可高达250KSPS；在高速率下，拥有17.2位的无噪声分辨率；大通道扫描数据速率为50kSPS，建立时间为20μs，而且在此扫描速率下，仍可以得到17位无噪声分辨率；INL仅为全量程的2.5ppm；内部集成2.5V基准和振荡器，减少了外部元件数；系统失调和增益误差，可针对各个通道进行校正，这种各通道可配置能力，适用于每一通道所用的滤波器类型和输出数据速率。 

ADI采用AD7176-2设计了一款实验室电路——CN0310，用于工业级信号的24位、250kSPSΣ-Δ ADC系统，为工业级信号采集提供了快速、高精度的转换结果，具体的设计资源，可以在ADI的官网上获取(详情参考：http://www.analog.com/cn0310)。AD7176-2同时还提供了评估板套件，用户只需通过PC上的评估板软件，即可直接控制AD7176-2，评估板需要与SDP系统验证平台联合使用。

 
图6：CN0310——用于工业信号电平的精密24位、250 kSPS,单电源∑-△型ADC系统