西门子6ES7221-1EF22-0XA0产品规格

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1．引言
        现场控制器是DCS系统的核心组成部分，担负着接收并执行控制算法、采集现场数据并 进行大量数据处理等职能，且具有控制周期短，运行稳定、可靠等要求。因此，如何选用高 性能的硬件，开发稳定可靠的嵌入式操作系统，并设计现场控制器软件系统成为DCS系统开 发中的关键之一。
本文分析并设计了基于嵌入式Linux的工业现场控制器的控制软件系统。

2. bbbbbded Linux的优势
bbbbbded Linux 具有如下特点[1]：
         ，Linux 系统内核源码完全开放。因为 Linux 的内核源码是完全开发的，所以不同 领域和层次的用户可以免费得到 Linux 内核源码，并根据自己的应用需要方便的对内核进行 修改。这样可以有效控制成本，并设计和开发出满足其需要的嵌入式系统。
         第二，强大的网络功能。Linux 的网络连接能力紧密的和 Linux 内核结合在一起，为用 户提供了完善而强大的网络功能。实际上，Linux 就是依靠互联网才迅速发展了起来。Linux 支持所有标准 Internet 协议，可以轻松地与 TCP/IP、LAN Manager、bbbbbbs for Workgroups、 Novell Netware 或 bbbbbbs NT 网络集成在一起。可以在 Linux 的网络协议栈基础上开发出 嵌入式的 TCP/IP 网络协议栈，使得嵌入式设备具有强大的网络功能。
        第三，Linux 是 Unix 兼容，完全符合 IEEE POSIX.1 标准。许多运行在 Unix 上的软件 可以不加修的运行在 Linux 上。因此嵌入式 Linux 具有很多丰富的免费软件资源可以利用。 第四，Linux 具备完整的开发工具链，嵌入式系统开发者容易建立嵌入式系统的开发环 境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。从编辑阶段，编译阶段到调试阶段，可以方便的使用 GNU 提供的 EMACS，GCC，GDB，KGDB 等工具链。 第五，Linux 具有广泛的硬件支持。Linux 能运行在，无论是 RISC 还是 CISC、32 位还是 64 位等各种处理器上。Linux 支持各种主流的硬件设备和新的硬件技术，可以在没有MMU 的处理器上运行。所以嵌入式 Linux 有广泛的应用前景。

3. 工业控制DCS系统的组成
         DCS 是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称为集散控 制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统， 综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等 4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

DCS 具有以下特点[2]：
（1）高可靠性
        由于 DCS 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某 一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担 的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使 系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性
        DCS 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式 通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信 网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
（3）灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互
间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种 监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。
（4）易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
（5）协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制 系统的总体功能和优化处理。
（6）控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、 自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
        DCS 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、 现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。
       处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控 制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进 行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的 发展，DCS 可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更的集中管理 功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

4. 嵌入式控制器软件设计
        嵌入式控制器是指在 DCS 的硬件体系结构中的现场控制站，即图 1 中被红色椭圆圈中 的部分。在设定的控制周期下，主控制器循环的执行从 I/O 设备采集现场数据、控制逻辑运 算、与操作员站进行数据交换、故障诊断、冗余等任务。
        主控制器向下通过 I/O 插件或者现场总线网络，连接现场的各种 I/O 设备、执行设备等； 向上通过系统网络与操作员站、工程师站等连接。
         DCS 系统的性能、可靠性等重要指标主要体现在主控制器上[3]。因此，设计出高效稳定 的现场控制器软件系统，对于设计整个 DCS 系统的关键之一。
4.1 控制器硬件及系统平台嵌入式控制器的硬件平台为 Inbbb® XScale IXP425 嵌入式开发板；操作系统采用嵌入式Linux，版本为 2.6.16。
4.2 控制器软件结构
         控制器软件设计为运行于嵌入式 Linux 平台上的单线程应用程序，调度策略为实时的先 入先出（FIFO）方式，现场运行采用双机热备份方式。由于控制器软件要完成的各种功能 相对独立，因此本文中将控制器软件程序设计成多模块结构。模块之间的关系如下图所示。

各模块分别设计为：
（1）总控模块。总控模块指的是对系统整体运行进行监控的模块，它协调和调度其他 模块的运行，包括系统开始启动时的初始化、程序结束时所进行的清理以及按照周期性调度 其它模块的运行。
（2）时间管理模块。在控制器软件中，维护一个与校时无关的时间计数，系统根据这 个计数来进行计时和调度。工作机和备份机之间通过校时使得时间和计数都能保持一 致。
（3）通讯模块。此模块提供控制器软件的网络通讯功能，设计为具体网络协议对上层 应用即通讯服务模块透明。同时，通讯模块应该实现将网络上的字节流封装成具有特定功能 单元的数据包，及将具有特定功能单元的数据包转换成网络字节流，以供通讯服务模块使用。
（4）通讯服务模块。通讯服务模块和通讯模块密切相关，是控制器软件对外提供的服 务接口。控制器软件定义了一组标准的通讯服务，外部只要按照规定的格式向控制器发送通 讯请求，控制器就会给出应答或结果。通讯服务模块实质上是对通讯模块所接收到的数据的 处理；并将处理结果交给通讯模块发送。
（5）冗余模块。冗余主要是涉及到工作机和备份机之间的通讯，采用网络方式。主机 需要向从机传送的数据主要包括：下装文件、运行数据、相关通讯服务命令等，另外工作机 和备份机之间的校时也通过冗余模块完成。
（6）诊断模块。诊断模块负责检测控制器运行状态，并对出现及可能出现的异常状态 进行修正。
（7）错误信息处理模块。控制器软件中各模块通过此错误信息处理模块将各种错误信 息记录下来，通过通讯服务，记录的错误信息可以被提取出来进行分析，以便于分析、解决 出现的问题。
（8）状态显示模块。状态显示模块主要是负责按照要求控制控制器面板上显示部件 LED
灯显示相应信息。
（9）掉电保护模块。掉电保护模块周期性地将重要数据保存，当系统掉电重启后，可 恢复运行数据。本文中设计为周期性的将重要的运行数据保存到 SRAM 中，保存完毕后， 设置掉电保护有效标志；当控制器重新启动后，检查此标志，若有效，则恢复运行数据。
（10）数据交换模块。控制器软件和现场 IO 模件进行数据交换：DP 主站从输入模块 收集输入数据并发送给控制器，在 IEC 运算后，控制器软件将输出数据发送给 DP 主站，
DP 主站将输出数据分发给输出设备。本文设计为 DP 主站将从现场智能设备收集的输入数 据存放在双口 RAM 中，然后控制器软件从双口 RAM 中获得输入数据；控制器软件将输出 数据存放在双口 RAM 中，然后 DP 主站从双口 RAM 获得输出数据，然后分发给现场智能设备。
（11）IEC 任务调度模块。IEC 任务调度模块负责对各种 IEC 任务进行调度，包括周期 性任务、连续性任务、内部事件任务和外部事件触发的任务。IEC 任务调度模块还要维护双 机之间的同步，通过发送和应答同步标号保证双机之间的 IEC 任务运算的节拍一致。如果 同步失败，工作机要向备份机拷贝运行数据，然后备份机重新运行。

控制器软件程序在启动后，对冗余模块、通讯模块、数据交换模块、掉电保护模块、状态显示模块、诊断模块进行初始化；之后进入 while 无限循环并周期性的调用或执行通讯模 块、状态显示模块、数据交换模块输入部分、IEC 任务调度模块、数据交换模块输出部分、 冗余同步模块、诊断模块、及可能的延时；当程序遇到意外情况需要终止时（如用户发送Ctrl + C 中断），程序进入清理部分，释放占用的资源，后结束运行。

5. 实验及结果分析
        经过实验和对结果的分析，基于嵌入式 Linux 的嵌入式控制器具有较高性能，能满足一 般甚至核电领域 DCS 系统中现场控制器的要求。控制器软件接收并调度数个周期型 IEC 任 务（代码和数据总大小分别小于 500KB 和 700KB）时控制周期可达到 50ms，并且满足现场 控制器网络负荷率小于 15%，系统总负荷率小于 40%等要求。
分析原因如下：
IXP425 具有强大的计算能力和集成的 NPE 具有非常强大的网络处理能力[4]； 系统配备大量内存（128MB），程序可快速运行；
Linux 运行于 IXP425 BIG ENDIAN 模式，网络协议栈可以减少一些转化处理；
Linux 操作系统性能较好，控制器软件采用模块化设计，并优化代码，具有较强处理能力。

6. 总结
        本文分析了计算机集散控制器系统中现场控制器的在工业控制领域的重要性，并设计了 基于嵌入式 Linux 的现场控制器软件系统。所设计出的系统高效、可靠，满足一般甚至核电领域的工业控制要求。基于嵌入式 Linux 的工业现场嵌入式控制系统必然有着更美好的前景。

2. 设施与仪器：某些应用会需要整合至设施与仪器，因此在勘验阶段也需事先收集这些设施仪器的相关资讯

A. 输送带位置与速度：若需使用于输送带上，可先了解输送带的动线，取得佳的架设位置；并可向客户索取输送带的规格以了解标签可能经过的方向、速度等因素

B. 需整合的机台介面：若需结合生产自动化的机台（如机械手臂、自动仓储等），需了解可使用的通讯介面种类，以及未来可能的通讯方式

C. 周遭的限制区域：在需整合的设施或仪器旁，是否有限制不可接近或架设的区域，在规划时都需预防与回避

3. 作业流程：RFID 系统的导入必须小化其对于既有流程的影响，因此了解现在的流程有助于规划出对流程冲击小而能与现场人员取得共识的佳流程。作业流程所需收集的资讯有：

A. 系统会包含哪些作业流程？

B. 每个流程记录或更新哪些资讯？是否需写入资料？

C. 对现有的作业造成哪些影响？需做哪些调整或改变？

D. 标的在各个流程间如何移动？（How and when）

E. 考量标签回收流程

Site Survey 检核表

        如上所述，Site Survey 的目的，在收集初步规划时不足的现场资讯，以修正初步规划的缺失，降低建置的风险与后续成本。良好的检核表可以帮助勘验人员与规划人员以及安装人员确认所收集的资讯是否足够完整，并且作为安装时的指引。Site Survey 的检核表至少应包含以下项目：

1. 现场蓝图（bbbbbbbb Blue Print）

图：RFID Site Blueprint

出处：Thomson CompTIA RFID+ Certification Student Manual

A. 读取点型态与位置：考量需读取验证或写入标签的流程，在蓝图上标示出规划的读取点型态（闸门、输送带、手持设备等）与位置，若为闸门形式，好可以再标示水平（宽度）以及垂直（高度）位置

B. 周边设备（印表机、感应器以及警示设施）的数量与位置：

除了读取器之外，蓝图上还要标示其他的 RFID 设备以及输入、输出装置部属的计画。

C. 预期的读取覆盖范围：依据规划使用的读取器以及天线类型还有输出功率，预测读取范围并进行佳化，降低天线之间可能的干扰

D. 电源与网路接点：有效掌握电源与网路接点的位置与数量有助于减少实际部属时可能发生的问题。

2. 建议的贴标方式：方向性、贴标位置

3. PC 或 Server 清单（数量、规格与位置）：

若需连结 PC 作为 Controller、Edge Server 或输出设备，需连同其位置以及部属方式一并考虑

4. 与现有网路连接方式（数量、位置）

5. 电力配置（电源、电力、配线图）

6. 人员、设备动线（含速度）

人员与设备的移动有时会造成读取效果的暂时性干扰，或对设备可能的损害，因此对于现场的动线资讯也需充分收集

7. 其他需现场配合事项（流程改变）

其他事项

1. 必须同时考量涵盖范围与干扰：

由于若需要较好的读取效果或涵盖率，可能需要布署较多的天线，但较多的天线又可能会造成潜在的干扰，因此必须在其中取得较好的均衡

2. 考量设施的耐用性与维护成本：

若要设施有较好的耐用性，往往必须将其隔绝于系统外以降低风险（如防护盒），但仍须考量维护的便利性以缩短发生问题时的修复时间（Downtime）

3. 考虑保护措施：

由于设备损坏可能造成流程受阻而产生无形的损失，因此安装完成后，必须针对可能造成的潜在损坏规划保护措施，减少设备损害所带来的风险

4. 工安注意事项：

在 Site Survey 的阶段必须可以发现可能的工安问题（如闸门的稳固性、电力稳定等等）并事先排除。所规划的架设方式也必须以工安为首要考量。

结语

        由于 RFID 系统的建置往往必须配合现有的环境以及作业流程，与现有的系统做好的搭配与整合。一个良好的 RFID 系统除了必须基本的良好读取率之外，必须将其对现场的影响与冲击降到低，并且同时兼顾设备的耐用性与小的维护成本，而此端赖 Site Survey 提供正确清楚的资讯方能达成，其对于专案的重要性自然不言可喻。

　0 引言

　　本测试系统是式断路器生产流水线上对产品进行自动检验测试的试验设备。它以可编程序控制器(PLC) 作为控制核心，触摸屏为操作和显示单元，控制智能交- 直变频电源产生可调的实际电压接入断路器二次接线，对各型号框架断路器的电操机构、闭合电磁铁、分励脱扣器、欠压脱扣器按出厂检验细则进行自动测试，并判别测试结果是否符合产品技术指标要求。采用该测试系统可有效改善框架断路器产品检验工作的规范性，提高特性检测工作效率和测试结果的准确性，加强对产品生产过程和检验过程的管理。

　　1 系统总体方案

　　本测试系统适用HSW1 系列HSW1-1000 /2000 /3200 /4000、HSW6 系列HSW6-1600 /2500 /4000 固定式/抽屉式框架断路器( 三极/四极) 特性测试。根据产品生产的需要，整个特性测试系统拟分成6 个工位。

　　系统基本原理如图1 所示。

　　其中，触摸屏主要用于实现管理和人机交互功能，完成试验产品及用户管理、试验参数设置、试验启停控制、试验过程的实时监控等工作;PLC 接收触摸屏的控制参数及控制命令，控制产生试验所需的可调交- 直流电压，提供给被测断路器的二次回路;同时，对试验过程进行实时控制，采集试验数据，并将采集的实时试验数据和终试验结果显示在触摸屏上。

　　
图1 特性测试系统基本原理示意图。

　　特性测试系统的单工位总体结构如图2 所示。整个系统可分为可调电压装置、工装夹具和控制系统3 个主要部分，各部分的基本原理、结构和功能分别简述如下。

　　
图2 断路器特性检测系统结构。

　　1. 1 可调电压装置

　　对框架断路器产品进行二次回路特性试验，必须根据产品型号及试验项目的不同，给断路器二次回路提供不同的实际电压信号。本系统采用智能程控变频电源的电压调节方案，通过PLC 与程控电源间通信，控制智能程控电源输出相应的电压。

　　根据断路器二次回路所需电源功率要求( 见表1)和测试流程要求，选用的一路250 V 8 A 直流变频电源，可调电压范围为0 ～ 250 V;二路交流变频电源，参数为2 kVA，可调电压范围为0 ～500 V，大电流4 A。其中，一台交流电源2 kVA欠压脱扣器使用;另一台交流电源2 kVA 和直流电源供电动操作机构、合闸电磁铁、分励脱扣器切换使用，如图3 所示。

　　表1 二次回路对电源要求

　　
图3 测试电源接线图。

通过RS - 485 接口，PLC 可以与交、直流电源进行通信，监测电源电压、电流及工作状态，控制电源的开机、关机;调节电源的输出电压和电流;设置电压上升/下降的步长。

　　1. 2 工装夹具

　　根据具体框架二次接线的不同，断路器二次回路设计专门夹具(二次接线相同的框架系列共用一套夹具)。由于HSW1 和HSW6 系列特性测试涉及到的二次回路端子数量与排列一致，只需更换二次回路的夹具体，就能实现对各规格断路器进行检测。工装夹具采用气动辅助、手工装夹方式;同时，二次回路的其他信号则直接与控制系统(PLC)相连。

　　1. 3 控制系统

　　控制系统主要由触摸屏和PLC 2 部分组成。

　　整个检测系统的实时控制和数据采集主要由PLC实现。系统采用的DVP60ES200R 具有2 个RS -485 接口，1 个RS - 232 接口。其中，2 个RS -485 接口分别用于与智能交流电源和智能直流电源通信，实时获得二次元件的电源电压，便于控制系统对二次电源进行监控。系统中的各类开关量均与PLC 的数字I /O 模块相连，通过数字I /O 模块，PLC 分别实现工件到位检测、二次夹具到位检测、被测断路器二次元件动作控制、二次电源类型选择等实时控制功能，并且实时监测( 通过二次接线)被测断路器的状态和一些保护限位开关的状态。

　　操作界面选用DOP-B07S200 触摸屏，PLC 和触摸屏之间采用串口(RS - 232) 进行通信，触摸屏同时预留与上位机进行通信的以太网接口。操作人员通过触摸屏，实现系统管理和人机交互。

　　除了试品用户管理及试验结果的显示和输出之外，试验程序的主要功能是根据试品的类型、人机交互地设置试验方式和试验参数，然后将设定值转换为相关的控制参数和控制命令，通过通信接口传送给PLC;同时，触摸屏也将通过通信接口接收PLC 采集到的实时试验数据并显示，以对试验过程进行实时监控。触摸屏与PLC 之间的数据通信周期设置在100 ～ 200 ms 之间。

　　2 控制软件及试验流程

　　触摸屏为上位机，负责整个系统的管理调度，PLC 则根据触摸屏提供的控制命令和控制参数，对试验过程进行实时控制和数据采集，并把采集的数据反馈给触摸屏，以给出控制软件的总体思路及试验流程。

　　2. 1 控制主程序流程

　　触摸屏上运行的控制主程序流程如图4 所示。其主要功能包括用户管理( 用户登录/注销机制)、产品管理(产品编号等信息)、试验参数和试验模式设置、系统自检(检查试验参数的设置、被测工件的状态以及工件的装夹等是否正常)、试验过程的启动与监控、输出测试结果等。

　　
图4 控制主程序流程

　　2. 2 试验项目与测试流程

　　本系统主要用于框架断路器二次回路在不同电压条件下动作可靠性的测试。根据相关标准和产品实际情况，系统主要完成以下几个试验项目:

　　(1) 1. 1Ue，0. 85Ue的测试。电动操作机构、闭合电磁铁、分励脱扣器、欠压脱扣器各测试5 次，各器件工作应正常;若单项不合格，则显示不合格项并报警。

　　(2) 0. 7Ue的测试。只针对分励脱扣器进行，测试5 次，断路器应能可靠动作。

　　(3) 欠压脱扣器瞬时测试。施加0. 35Ue欠压线圈，应不能吸合，从0. 35Ue上升至0. 85Ue前，欠压线圈应能吸合，并显示吸合时的电压;断路器从0. 85Ue下降，在(0. 7 ～ 0. 35)Ue范围内应可靠断开，并显示断开时的电压;电压应在约30 s时间内从额定控制电源电压降至0 V。

　　(4) 欠压脱扣器延时测试。在断路器合闸状态下，欠压线圈施加的电压从0. 85Ue迅速下降至0，保持50% 延时时间，之后迅速上升至Ue，断路器应不动作;欠压线圈施加的电压从Ue迅速下降至0，多保持120% 延时时间，在此时间范围内断路器应动作，并测量延时断开时间。

根据测试项目要求，测试流程共分3 个循环，如图5 ～ 图7 所示。

　　
图5 循环全自动测试流程。

　　
图6 第二循环全自动测试流程。

　　
图7 第三循环全自动测试流程。

　　系统设置4 种测试模式:全自动( 一次自动完成所选择的所有试验项目)、单步自动( 单个流程只进行一次循环)、每五步自动( 完成单个流程的五次循环)和手动。随着所选试验项目和试验模式的不同，具体的测试流程会有所区别，如图8所示。

　　
图8 测试流程界面。

　　3 结语

　　式断路器二次回路特性测试系统既可以单独进行自动检测工作，又可与自动输送流水线结合，实现产品全自动检测。检测系统已在出厂检验、产品制造部门成功投入使用，为HSW1 系列智能型式断路器产品出厂检验提供了可靠的质量保障，同时也提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。系统不但可以满足智能型式断路器测试的要求，还可为产品的设计和性能改进、分析提供有力的科学依据，故该系统具有较好的推广价值和应用前景。