西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8选型说明

西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8选型说明

2.系统功能

　　轻轨精整PLC智能控制系统包含铣床和钻床控制，实现的基本功能如下：

　　（1） 切换功能：可实现手动与自动控制的切换。在通常情况下使用自动档，当需要检修或调试的时候，切换到手动档。

　　（2） 自动报警功能：发生异常情况，可随时报警。当夹紧头快下、动力头快进、动力头工进以及动力头快退四个部分中任何一段出现异常情况时，与之相应的声光报警就会动作，让现场工作人员迅速采取措施，避免或减少事故所造成的损失。

　　（3） 自动记忆功能：配有“停车”及“继续运行”按钮。当工作过程中出现某些问题需要暂停运行时，按下“停车”按钮后，机床停止运行，各部分均停留在原处不动。再按下“继续运行”按钮，则机床继续运行。

　　（4） 紧急停车复位功能：配备有“紧急停车复位”按钮。当在工作过程中发生异常，或中途突然停电后恢复时，按下此按钮使机床各部件回到加工前的初始状态。

　　为实现上述功能，需要对运行过程进行智能判断，进行相应的控制。同时考虑到PLC的运算功能的限制，需要加入故障诊断模块，并进行相应的显示。

3. 系统组成

　　PLC选用三菱公司的FX2N系列可编程序控制器实现[1]，由可编程序控制器构成的轻轨精整智能控制系统结构如下：

图1. 轻轨精整智能控制系统结构图

　　该系统有输入、控制运算和输出三大部分组成。

　　1）输入部分包括操作按钮和信号检测两部分。

　　a.操作按钮用来人工设置参数或进行手动操作，处理紧急情况。

　　b.信号检测是由传感器自动监测生产线上机床的工作情况，一旦出现异常情况，马上报警提示操作者，以进行相应的故障处理，如紧急停机处理等，从而避免事故的发生。

　　2）控制运算部分

　　控制运算部分主要由PLC来完成，由控制系统的应用软件来完成信号的输入、处理、控制输出的主要功能。

　　3）输出部分包括报警装置、输送和动力装置、固定装置

　　a.报警装置由闪烁的红、黄、绿三种颜色灯和报警铃声构成，三种颜色分别对应三种不同报警级别。绿色表示系统正常，黄色表示系统参数超范围，但仍能工作，需要进行处理;红色报警并伴随报警声音，必须紧急停机处理。

　　b.输送装置由PLC输出的信号控制主电路，给电机发送指令，让其自动完成原料的传送与动力传送。

　　c.液压装置是固定装置，由PLC控制器给定的信号，经电磁阀控制液压设备，将原料固定在某一位置，为原料加工服务。

4.系统软件设计

　　4.1 PLC软件设计考虑的问题

　　利用梯形图编制控制程序，在 PLC软件设计中要考虑以下几个问题：

　　（1） 强电关断优先原则：在铣床软件设计中，只要控制信号中有强电关断的信号，则不管其它信号如何都要关断强电。如图2所示，只要关断信号 XO2=1，则中间继电器 M100 都要被关断。 （2） 动作互锁原则：有些控制不能同时动作，就要进行互锁。如主轴正、反转控制，图 3为主轴互锁控制示意图，任何一个回路启动后必须同时关断另一 个回路，从而保证两者不能同时动作。

图2

图3

　　（3） 顺序联锁控制原则：即有些控制要求次序不能颠倒，这就要求前一个动作常开触点串在下一个控制动作中，同时将后一个动作中的常闭触点串在上一动作的控制回路中，如图4 所示。

图4

　　影响PLC控制系统的因素很多，只要我们在软件设计时充分考虑到各方面因素，就可避免出现故障，控制系统的运行就会更加稳定 [2] 。

　　4.2 PLC基本控制程序设计

　　具体铣床控制功能框图如图5所示,钻床控制功能与之类似。

图5. 铣床控制顺序功能框图

　　4.3 故障诊断模块的程序设计

　　对于PLC系统，由于内存资源有限，复杂的智能诊断难于实现，为此加入了故障诊断智能模块，该模块以单片机为基础，采用C51编程，可方便实现各种控制算法。

　　采用故障树推理与专家经验规则推理相结合的方法，利用智能模块的I/O功能及内部信息进行故障诊断。[3][4]

　　（1） 故障结构分析

　　在进行故障诊断设计时，首先必须对整个系统可能发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。图6为系统的故障层次结构。

图6. 故障层次结构框图

　　（2）程序设计

　　系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型。在进行系统的程序设计时，应充分考虑到故障结构的层次，合理安排逻辑流程。在引入故障输入点时应注意两点：

　　a. 必须将系统所有可能引起故障的检测点引入PLC，这主要是从系统的安全可靠运行考虑，以便系统能及时进行故障处理;

　　b. 应在系统允许的条件下尽可能多的将底层的故障输入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障检测信息为系统的故障自诊断提供服务。

5.结束语

　　经过在线调试和工业试验运行阶段后，该控制系统已于2004年正式投入运行,运行以来，效果良好,实现了预定的控制功能要求，克服了继电器、接触器控制带来的局限，避免了原控制系统辅助元件多、故障率高、工作噪声大、控制方式单一、维护困难等问题。手动与自动切换方便，抗干扰能力强，适合钢厂生产线的恶劣的工作环境,且易于计算机通讯，实现网络监控。

　　本文作者创新点：将PLC和单片机结合，设计了用于轻轨精整钻、铣床设备的控制系统，并使之具有故障诊断和报警功能，系统结构简单，操作方便。

1 引言

　　工业自动化通用组态软件-组态王软件系统与终工程人员使用的具体的PLC或现场部件无关。对于不同的硬件设施，只需为组态王配置相应的通讯驱动程序即可。组态王支持的硬件设备包括：可编程控制器（PLC）、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等等。

　　PLC以卓越的可靠性和方便的可编程性广泛应用于工业控制领域[1]。实现PC机和PLC通讯的目的是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表显示、窗口技术等多种功能，为PLC提供良好的人机界面。

　　本工程采用西门子公司的S7-200系列的可编程控制器[2]，及上位工控机组成控制系统。上位机监控软件采用北京亚控科技发展有限公司的6.5“组态王”组态软件，实现对转辙机测试台的过程监控及数据处理。

2 系统简介

　　转辙机是铁路上常见的用于控制火车前进方向的设备。转辙机活动杆的伸出或者缩回决定火车不同的前进方向。

　　转辙机实时监控系统以组态王为主要运行画面，首先在组态王界面上对被监控系统的参数进行设置，然后起动被测的转辙机测试台，在组态王的界面上可以动态显示下位机的运行状态以及完成对多种电动直流转辙机各项电器性能指标的测试，如工作电流、工作电压、摩擦电流（故障电流）、转换力及转换时间（动作时间）等。由于组态王只提供这类西门子可编程控制器PLC的驱动程序，没有提供其通讯协议，因此，在功能并不很强大的组态王内部直接开发可编程控制器PLC的通讯协议是有较大难度的。一般采用的方法是：利用Visual Basic提供的串行通讯功能[3]、[4]，实现与可编程控制器PLC之间的通讯，再利用 VB的DDE功能完成组态王与Visual Basic之间的动态数据交换。这样就把从可编程控制器PLC采集到的外部信号通过Visual Basic 间接动态的显示在组态王界面上。其系统结构如图1所示。

3 VB与可编程控制器PLC之间串行通讯的实现

　　带异步通讯适配器的PC机与PLC只有满足如下条件，才能互联通信[5]：带有异步通讯接口的PLC才能与带异步通讯适配器的PC机互联;双方采用的总线标准一致，否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互联;双方的初始化、波特率、数据位数、停止位数、奇偶效验都相同。只有在对PLC的通讯协议分析清楚的情况下，严格的按照协议的规定及帧格式来编写PC机的通讯程序。PLC中配有通讯机制，一般不需要用户编程。

　　PC机与西门子系列PLC不能直接连接，要通过一条PC/PPI电缆进行RS232/RS485的变换，图2表示了它们之间的连接关系。

　　3.1可编程控制器PLC的通讯协议

　　设定可编程控制器PLC的通讯协议是通过对其自由端口的初始化来完成的。在自由端口模式下，通讯协议完全由梯形图控制。只有CPU处于RUN模式时，才能进行自由端口通讯。SMB30（用于端口0）和SMB31（用于端口1）用于选择波特率、奇偶校验和数据位数。自由端口的控制字节描述如下：

　　BBB 自由口波特率

　　000= 38400波特 100= 2400波特

　　001= 19200波特 101= 1200波特

　　010= 9600波特 110= 600波特

　　011= 4800波特 111= 300波特

　　PP 奇偶选择 MM 协议选择

　　00= 无奇偶校验 00= 点到点协议（PPI/从站模式）

　　01= 偶校验 01= 自由口协议

　　10= 无奇偶校验 10= PPI/主站模式

　　D 每个字符的数据位

　　0= 每个字符8位 1= 每个字符7位

　　这里选择的是SMB30（用于端口0），设置的字节为9（0 0001 001H），即：该协议为自由口协议，自由口波特率为9600，无奇偶校验，每个字符的数据位为8位。

　　发送 发送指令（XMT）激活发送数据缓冲区（TBL）中的数据。数据缓冲区的个数据指明了要发送的字节数。PORT指定了用于发送的端口。

　　XMT指令发送一个或多个字符，多有255个字节的缓冲区。如果有一个中断程序连接到发送结束事件上，在发完缓冲区中的后一个字符时，则会产生一个中断 （对端口0为中断事件9，对端口1为中断事件26）。XMT指令可以监视发送完成状态位SM4.5或SM4.6的变化，而不是用中断进行发送。

　　接收 接收指令（RCV）激活初始化或结束接收信息的服务。通过指定端口（PORT）接收的信息存储于数据缓冲区（TBL）。数据缓冲区的个数据指明了接收的字节数。RCV指令接收一个或多个字符，多有255个字符，这些字符存储在缓冲区中。如果有一个中断程序连接到接收完成事件上，在接收到缓冲区中的后一个字符时，则会产生一个中断（对端口0为中断事件23，对端口1为中断事件24）。可以监视SMB86或SMB186状态的变化，而不是用中断进行信息接收。

　　本程序展示了接收和发送的使用，它将接收一串字符，直到接收到回车符，信息又发回到发送方。

　　MAIN:

　　LD SM0.1

　　MOVB 16#9, SMB30 //选择9600波特率，8位数据，无校验

　　MOVB 16#B0, SMB87 //初始化RCV信息控制信息

　　MOVB 16#0A, SMB89 //设定信息结束为回车符

　　MOVW 5, SMW90 //设置空闲超时为5ms

　　MOVB 100, SMB94 //大字符数为100

　　ATCH 0, 23 //接收完成事件连接到中断

　　ATCH 1, 9 //发送完成事件连接到中断

　　ENI //允许中断

　　RCV VB100, 0 //接收信箱缓冲区指向VB100

　　INT_0: INT_1:

　　LDB= SMB86, 16#20 LD SM0.0

　　MOVB 10, SMB34 DTCH 10

　　ATCH 2, 10 XMT VB100, 0

　　CRETI INT_2:

　　NOT LD SM0.0

　　RCV VB100, 0 RCV VB100, 0

　　3.2 VB的通讯协议

　　在VB中MSComm控件可以采用轮询或事件驱动的方法从端口获取数据[6]。这里采用的是事件驱动的方法。这种方法就是在一个事件发生的时候，让程序自动的跳到一段程序。该控件的Oncomm事件执行这个功能。Oncomm程序负责对诸如在串口的硬件中断或者一个软件缓存的计数器到达了一个触发值这样的事件时做出反应。

　　在VB中放置一个TextBox控件。通过设定其Settings、CommPort、bbbbbMode、Handshaking、 PortOpen属性来实现设定VB的通讯协议。这里设定Settings属性为：9600，n，8，1，即：该协议的自由口波特率为9600，无奇偶校验，每个字符的数据位为8位。

4 VB与组态王软件数据交换的实现

　　VB与“组态王”之间通讯的实现主要是通过“组态王”提供的动态数据交换（DDE）来完成的。DDE是bbbbbbs平台上的一个完整的通信协议，它使应用程序能彼此交换数据和发送指令。DDE过程可以比喻成两个人的对话。提问的一方称为“顾客”（Client），回答的一方称为“服务器” （Server）。一个应用程序可以同时是“顾客”和“服务器”：当它向其他程序中请求数据时，它充当的是“顾客”;若有其他程序需要它提供数据，它又成了“服务器”。这里的关键是要实现的是“组态王”作为顾客程序从VB得到数据。

　　使VB成为“服务器”很简单，只需在“组态王”中设置服务器程序的三个标识名（应用程序名、主题名、项目名），并把VB应用程序中提供数据的窗体的 bbbbMode属性设置为1，不必在VB中增加任何程序。值得注意的是，将VB的bbbbTopic的属性，设定成和在组态王中定义DDE设备时的“话题名”一样;在组态王定义要显示出指定的VB可执行文件中指定的TextBox控件的值。

5 结束语

　　当系统开始运行前，要求首先运行VB的可执行文件作为后台运行程序，然后才能运行组态王系统。当可编程控制器PLC发送数据的时候，由VB接受到此数据，再通过组态王提供的DDE功能，将该数据显示到组态王界面上。这样，就把从可编程控制器PLC采集到的外部信号通过VB间接动态的显示在组态王界面上。

　　该方法实现了组态王对西门子系列PLC的实时监控。经过测试可知，系统的实时响应速度能达到ms级，并且这种实现系统实时监控的方法可移植性强，对于监控其他类型的可编程控制器PLC或单片机也适用。

系统控制要求
一次系统监控要求：

（1） 5台燃煤锅炉供热和1台燃气锅炉的运行设置手动运行和自动运行。

（2） 锅炉的各运行参数由PLC实时采集，并且在调度室IPC的机上显示。监控画面要求动态模拟锅炉运行过程。

（3） 锅炉自动运行时，必须保证炉膛负压在安全的范围内。炉膛负压可以通过调节鼓风机或者引风机频率来保证。

（4） 锅炉自动运行时，必须保证炉内的煤得到充分燃烧，提高锅炉热效率。炉膛内含氧量可以通过调节鼓风机频率来保证。

（5） 当室外温度降低，当前运行的锅炉满负荷运行也不能满足用户需求时，自动增加一台锅炉投入运行。

系统特点

（6） 循环泵根据出回水温差来调节频率，补水泵变频运行来保证锅炉的回水压力。

二次系统监控要求：

（1） 通过PLC实时采集换热站各运行参数，如：换热器的出水回水温度和压力、回水电动调节阀开度、水泵和电动调节阀运行状态等。

（2） 循环泵和补水泵运行频率根据相关温度压力的变化由PLC实现自动调节。

（3） 电动调节阀的开度由PLC根据用户的回水温度来自动调节，以达到用户室内温度不低于16℃的要求。

（4） 所有换热站的相关运行数据都要在调度室的IPC的监控画面上显示。

由于燃煤锅炉自动运行的控制较为复杂但是单台锅炉输入/输出量不多，换热站比较多而且距离调度室较远；控制器选择CTSC-200 系列PLC性价比更高。CTSC-200包含丰富的指令，PID算法指令方便使用；自由口通讯模式可轻易的实现PLC与第三方设备的通讯。

系统描述
该系统控制器选用CTSC-200 PLC，上位监控软件选用力控的组态软件PCAuto 3.62 。一次系统控制器与上位机由RS485总线的PPI协议实现通讯。二次系统1＃和2＃换热站离调度室比较近，故CTSC-200 PLC与上位机直接使用PPI电缆进行通讯，其他的换热站离调度室约500到3000米，距离较远，因此上位机采用GPRS通讯方式与CTSC-200 PLC通讯。

系统网络图如下：

系统特点
城市集中供热实行自动化管理后,改变了以前供热出现意外故障中短而无法极时修复，提高了工作效率，实现了对各支点管道的实时管理。

为供热调度部门提供了实时、可靠的数据；及时、合理的优化热网的运行，从而使得供热系统始终在佳工况下工作。

无线通讯GPRG网络的应用实现了热网的集中管理，减少了人力，节约成本。

锅炉的自动控制与传统的控制方式相比不仅节省了能源，还达到减少对环境污染的目的。