西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8参数设置

西门子模块6ES7221-1BH22-0XA8参数设置

 应用设计

2.1 控制要求

由于客户属于半导体行业的实际情况，当时客户对控制系统提出了以下几点要求：

1、 系统要稳定可靠，可长时间无人值守自动运行。

2、 可以保存多组配方，并能按预先设定的配方自动镀膜。

3、 工艺参数实时可调。

4、 数据参数可以保留。

5、 要为以后的组网余留通讯接口。

2.2 系统分析

根据客户提出的控制要求，系统要能够手动自动灵活控制。因此我们选用了稳定可靠的HITECH人机，该人机不但能保存大量的工作数据，而且可用CF卡的方式供用户保存工艺及膜系数据，也可以将镀膜数据在电脑上修改后经由CF卡传回触摸屏，这样管理数据非常方便。

另外，由于HITECH人机提供了强大的宏指令，而且宏指令的编辑非常简单易学。所以通过宏指令使人机来和晶体膜厚监控仪通讯很容易。人机接收到监控仪上的数据后，通过宏指令进行算术运算，然后进行逻辑判断，再发信号给PLC，来控制设备的自动运行。

经过上述分析，我们提出了以下控制方案：

控制系统框图

2.3 基本电气结构和配置情况，如下
A．数值量输入输出，实现现场信号的采集和按工艺要求做逻辑控制输出
B．利用屏的双串口双驱功能和plc，晶体控制仪器同时通讯。用通讯方式实现仪器的命令控制，省去很多硬接线麻烦，简化了控制系统结构。各工艺参数设定，实时数据显示，报警提示等都可以在人机上直接操作，真正体现了人际交互功能。

2.4 抽气系统画面

2.5 工艺参数画面及宏指令

画面1

画面2

所用部分宏指令截图

　　此系统可实现客户要求，并保存当前的实际膜系要求信息到晶体膜厚控制器中的工艺及材料参数中。

　　下一步，用户要求也可以根据自己膜系软件计算的结果，通过CF卡直接读取到触摸屏上，也可以把工艺参数和材料参数保存到CF卡中，方便用户把数据保存，供人们在计算机上查询。

3.1自动化功能特点体现
　　镀膜机自动化水平的高低也是衡量其现代化水平的重要标志。提高自动化水平，不仅可以减轻操作人员的劳动强度和看管负担，还可减少镀膜机的人为故障、提高机器的运转率及产品的质量。其主要体现在如下：
　　1.采用工艺参数的在线调整：如在镀膜机正常运转时，若基片的某项质量指标出现问题，可直接通过HMI进行工艺参数调整。

　　2. 一旦故障产生，显示机器出故障的位置，以便现场人员维护，十分人性化。

3.2 实施效果

　　在此系统中HITECH人机发挥了他强大优势：①大量的数据存储功能，供客户存储3个月的数据。②方便的宏指令功能，可通过串口模式把存储的数据传送到控制仪器上（PLC和晶体末后监控仪）。③6万4千色的真彩显示，可方便的组态丰富的画面。④余留有串口和以太网接口，为以后的系统扩充留下空间。⑤CF卡的数据存储提供了极大的便利。

4 结束语

　　此系统在北方夜视昆明有限公司已经稳定的运行了半年的时间，得到了公司领导的认可，并给于充分肯定

0、引言

PLC具有结构简单、通用性好、编程方便、柔性好、可靠性高等优点，已成为工业控制的标准设备，应用于工业自动控制中Ⅲ。然而，PLC控制系统的开发设计、验证和调试，还需要仰仗实物模型进行模拟试验，这种方法效率低、成本高、不安全。同时，PLC控制系统还需要许多的输入、输出点来支持，这也是一般实物模型或模拟软件所不能达到的。如果要想达到仿真的目的，可以利用在工业控制中经常使用的人机界面，它的特点是可以随心所欲地设计各种用来模拟静止的、运动的输入、输出设备；可以画出所想要的场景；并且它还提供寄存器、可编子程序集、定时器、计数器等供用户使用。所以，开发人员借助于人机界面能方便、快捷地为PLC控制系统建立一个仿真模型，以验证、调试所开发的程序。

1、PLC的仿真实现

PLC是PLC控制系统的核心，所以实现PLC仿真是实现整个系统仿真的关键。而实现PLC仿真的实质，是使某种设备能模仿PLC控制系统中除PLC以外的所有输入、输出设备，而且这些设备能根据用户程序（如梯形图程序）运行起来。

为了实现以上要求，选用了人机界面作为模拟设备。它有丰富的输入、输出指示器，经设计可以用来模拟现场的各种设备，并即时显示设备的运行状态；它模拟的主令控制器件可以直接在触摸屏上操作；它还具有庞大的内部寄存器和功能强大的巨集指令应用方式，使人机界面得以经由内部巨集指令功能执行数值运算、逻辑判断、流程控制、数值传送、数值转换、计时器、计数器等，还可以模拟更智能化的控制设备的需求；另外，它的运行方式与PLC相类似，采用循环扫描方式；更为重要的是，PLC和人机界面之间的寄存器数据可以直接读取，如图1的变量栏。这样就很好地解决了用户程序的输入和识别问题，也就实现了对PLC的仿真。

2、对外部设备的仿真实现

外部设备可以分成三类：一类是主令器，如按钮、开关等；一类是执行件，如各种指示灯、气缸、电动机、电磁铁等；还有一类是传感器，如各种行程开关、接近开关等。

2.1 主令器的仿真实现

主令器形式多样，如交替型、保持型、复位型、数值输入型按钮等。人机界面实现起来较为方便，只需用人机界面的编辑软件画出按钮，如图2，然后在按钮属性中确认是何种类型按钮即可，如图1的功能栏。在仿真时，只要直接对其屏幕按压，来操作按钮。

图1 元件属性图 图2按钮图

2.2 执行件的仿真实现

执行件在真实系统中也是多种多样的，为了便于仿真，把它们分成开合件和往复件两类。开合件是指行程短、速度快、非此即彼的执行件，如指示灯的亮与不亮，电动机运转与不运转；而把相对行程长、速度慢、在行程～9 n——I停留的执行件归并为往复件，如气缸、丝杠等。下面以开合件指示灯为例，说明实现执行件仿真的方法。在仿真界面上，画一个如图3的指示灯，在如图4的指示灯属性中将变量的读取改写为PLC地址，直接受PLC的控制。

2.3 传感器的仿真实现

和执行件相对应，传感器也分成开合传感器和往复传感器两类。开合传感器用来判断开合件的开合状态；往复传感器用来检测往复件是否处在某一位置。这里，以一开合传感器为例，说明传感器仿真的方法。

图3 指示灯图 图4 指示灯属性框图

如图5所示是一个由步进电动机驱动的滚珠丝杠传动控制系统，丝杠两端是光电式位置行程开关，要求运动平台既可手动控制也可自动控制。在自动控制方式下，启动后运行平台先向甲地运行，到达甲地后自动返回乙地，如此循环。在手动控制方式下，可在甲地或乙地启动到达目的地停车，必须手动再次启动，方可继续运行，并可实现紧急停车控制脚。

模拟X6、X7光电开关可以用人机界面编辑软件，编制一个子程序如图6，能根据执行件的代码在执行状态变量中读取被测执行件的状态（数据）。当到达预定位置（预定数值），输出结果给PLC的输入端子和传感器的指示灯。

图5 一维位置控制示意图 图6 子程序

3、外部设备之间关系的处理

对于PLC控制系统中的某设备来说，它的运动不仅仅取决于PLC的指令，还取决于它和其它设备之间的关系。比如说，PLC中指令驱动一气缸，由气缸推动对象A，再由A推动对象B。那么，要使对象B运动，不仅要求直接受PLC控制的气缸有相对运动，而且还要求对象A要在适当位置。这就是所谓的外部逻辑关系。这些关系可能是由外围电气、气动液压回路、机械结构所构成，有时比较复杂。但人机界面编辑软件内部具有丰富巨集指令，可以模拟各种外部逻辑关系，用户还可根据自己的要求编制若干个子程序来反映它们复杂的逻辑关系，这样能比较准确的替代外部设备之间的逻辑关系，以达到模拟效果。

4、仿真系统的总体框架

图7是整个仿真系统的总体框架，其工作过程是：

图7 仿真系统的总体框图

（1） 由传感器运算模块来读取执行件状态变量，经处理后把检测结果存入代表虚拟PLC输入端子的PLC状态变量；
（2）用户的梯形图程序根据PLC状态变量和主令器控件的状态进行处理，并把终结果输给执行件运算模块；
（3）执行件运算模块根据输入指令来驱动执行件动作，并根据执行件的状态刷新执行件状态变量；
（4）有些执行件要根据其它执行件的状态，经外部逻辑关系处理后，再由执行件运算模块来驱动执行件。对于执行件和传感器运算模块都有手动输入的功能，这是为人为设置故障准备的。

图8是根据仿真系统的总体框图编制的人机界面程序的流程图。仿真程序的总体结构采用了扫描的工作方式，这符合真实PLC的工作特点。

图8 框图程序的运行过程

5、应用实例

应用本文所介绍的PLC控制系统仿真平台，为一维位置控制建立了仿真模型如图5。使用了PLC的输入、输出点l4个，程序总长196句。为该系统在人机界面上建立的仿真模型编写了2个子程序。该系统虽不算太复杂，但各种环节都已俱全（如主令器、执行件和传感器等），能反映出仿真一般控制系统的基本规律。另外，利用人机界面的编辑软件还可以对仿真模型进行多次离线、在线模拟，能检验该系统设计的正确性和可靠性。

1 引言
风洞是空气动力试验系统。它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。也可以说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。风洞是研制飞机必需的一种试验装置。它模拟飞机飞行中各种空气动力条件，只在地面就可以获取飞机在空中飞行时的各种参数。
气流的改变通过调节风洞系统中的风速，风速采用富士G11系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度速度控制。可编程控制器(也称为PLC)工业控制部件因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。但是其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文所述的风洞调速系统中，变频器、PLC及人机界面之间以串行通信方式，可以在人机界面上直接对风洞内的风速、速压进行设定、控制及监视，并且可以通过趋势图随时观察气流改变时风洞内9个环境参数(温度、大气压、落压差等)的变化。该系统具有稳定、可靠性高的特点。

2 硬件配置设计
2.1 原理设计
图1是该系统的主要硬件组成图，应用于某风洞实验。

图1 系统主要硬件配置图

设定数据主要是风速，风速分为自动和手动调节两种方式。自动调节时,风速分15个等级，在POD上预先设定好每个等级的数据和工作时间后，按预先设定的等级的数据和时间让风速电机依次连续运行。手动时，POD随时由操作员调节风速电机的速度。通过传感器把风洞内的9个环境参数信号传给三个模拟输入单元。这9个环境参数分别是温度、实验段气压、落压差和力等。
对风速和速压两种方式可以任意选择和任意设定，根据流体力学[1]，由公式:
Qi=k1ρVi2=k2△Pi ——i=1到15可任意选择(i为实验Vi或Qi点数)
ρ=k3P/(273+t) ——k1,k2,k3:常数，根据不同系统而定:
Qi——速压(kg/m2)
Vi——风速(m/s)
△Pi——落差压(mbar)
ρ——空气密度(kg*s2/m4)
t——温度(℃)
P——实验段气压(mbar)
可以计算Vi和Qi，也可以和风速的给定值进行比较。
2.2 配置设计
(1) 根据系统运行和控制要求，选用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用简单，功能强大，优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能;并提供了方便、简洁、开放的通信功能;可直接连接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的满足控制要求[2]。
(2) 人机界面选用带RS-485通信的富士UG430H-SS触摸屏，彩色，128色，10.4寸。进行参数的设定、显示[3]。
(3) 变频器选用富士的FRENIC5000G11S，该变频器具有低噪音、高性能、多功能以及带有RS-485通信接口等特点。配以编码器反馈完成高精度速度控制[4]。

3 系统软件设计
3.1 人机界面的软件设计
本系统人机界面所有画面均用UG00S-CWV3软件进行设计，分为操作画面和检测画面。有主画面、环境参数趋势图显示、风速的自动和手动设定等画面，经UG00S-CWV3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行，并且PLC侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过RS-422通信电缆直接与与PLC编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施PLC内部存储器的读写操作。PLC完成处理后，回送答复给外部设备。PLC侧不用特意编写通信程序。这里只介绍风速的自动和手动两个画面。
(1) 风速自动画面设计
风速的自动调节分为15个等级，每一个等级对应一个风速设定值和相应运行的时间。通过画面显示风速的当前值和系统的累计运行时间。
图2是设计的画面。画面中的自动调节风速是静态文字，对画面起到说明的作用，画面上所有静态文字的设计方法基本相同，设计时应在画面上合理布置，现以“自动调节风速”为例说明如下:在draw tool bar中选择[text],输入文字“自动调节风速”设定文字大小为Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字颜色为白色、透明。文字底下的方块、阴影，是在draw tool bar中选择[box]进行重叠的结果，它起到美化的作用，这里就不再详细说明[5]。

图2 风速自动调节画面

在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display],出现Num.Display对话框，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为$u0100,Display function设为Entry Target，放置到如图2等级1的下面。用同样的方法，在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display]，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为D0120，Display function设为Entry Target。利用编辑菜单中的Multi Copy分别对上面设置的两个数值进行复制，复制时次序递增，存储单元地址递增，分别复制15个，放置的位置如图2。然后用Draw工具栏中的[Line]和[Text]画成表格的形式。
图3是对风速和时间设定时弹出的小窗口，在Item菜单中选择[Multi-Overlap],在出现的对话框中设窗口号为0，点击OK，进入多窗口设置画面，在工具栏中单击[Overlap],设置弹出窗口大小、颜色、类型，设好后点击OK放置到画面编辑区域里。在编辑区域内单击右键，选择Overlap0，工具栏中选择[Entry Mode]，出现，点击左面的部件，通过设置把键盘到上一步的弹出窗口中。通过[Max]和[Min]在弹出窗口上可以显示每一个设定值的范围，这里就不再详细介绍了。

图3 风速和时间设定窗口

在图2的画面上设置了三个按钮，通过他们可以转到首页、手动调节风速、风压画面。自动调节风速的数值设好后，系统运行时指示灯亮。显示的当前值是根据前面的公式计算的结果，累计运行时间是从系统运行到停止的总的运行时间。
在依次自动执行15个风速段的程序设计中用到了宏命令模式。每一个风速值对应一个标志位，系统从个数值运行，当到达设定的运行时间后，第二个风速值对应的标志位置1，执行宏命令，把设定值送给变频器、风扇电机，按设定时间运行后，第三个风速值对应的标志位置1，下面的依此类推。
该人机界面内置日历，用来显示当前时间，也可是修改时间的显示格式。如图2右上角显示当前的年月日、日期和时间。

(2) 风速手动画面
图4为风速手动画面

图4 风速手动画面

在风速手动画面上，放置有加一减一键、左右移动键和输入键，通过它们可以改变设定的风速和时间值。
3.2 PLC的软件设计
用PLC编制的程序主要完成的功能有:对9路环境参数进行转换、运算;完成风速的自动、手动调节;PLC程序结构图如图5所示:

图5 程序结构图

PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，明显的特点是用了标志位。以风速自动调节为例，对15个等级采用了15个标志位，来分别完成对15个风速等级的控制[6]。

4 变频器功能参数的设置与控制方法
变频器通过RS-485通信线和人机界面相连，通过人机界面对风速电机进行调控[7]。变频器的接线图如图6。利用编码器、编码器反馈卡实现对风速电机转速的闭环控制。风洞风速用变频器的PID调节实现闭环控制。变频器主要功能参数的设置附表。

附表 变频器主要功能参数

图6 变频器接线图

5 系统调试
5.1 脱机调试
为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面，再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连，上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变PLC和人机界面的通信参数，后使它们能够正常通信。接下来把PLC和3个模拟输入单元相连，给模拟输入模块任意通道一个0～10V的电压信号，在PLC编程画面里的数据表中看相应的数字变换值，在调试中变换值正确，PLC和三个输入模拟单元连接正常。后，有485通信线连接变频器和人机界面，用人机界面显示变频器某个功能代码的值，在调试中，通信正常，并能正确显示功能代码的值。后，把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里，PLC的输入接上开关量进行调试，调试通过。
5.2 现场调试
在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。变频器和电机相连，上电，用变频器的键盘面板操作方式，分别按FWD正转键、REV反转键和STOP键，看电机是否运转正常。在现场调试中电机旋转方向正确，旋转平稳，加减速平稳。之后增加运行频率，继续试运行，电机运行正常。

6 结束语
由于当时的历史条件所决定，早期建设的低速风洞设备落后，自动化程度不高，这和当前科学技术迅猛发展的时代不相适应，必须对其进行技术改造。经过实际运行表明，针对某风洞改造实现的控制方案较好的达到了预期的效果。