西门子6ES7222-1HF22-0XA8技术数据
西门子6ES7222-1HF22-0XA8技术数据
1 引言
在供水系统中，恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。本文采用计算机(PC)、可编程控制器(PLC)、变频器组成变频恒压供水监控系统，通过变频调速实现恒压供水、满足节能降耗的要求，而且有利于实现生产的自动化及远程监测。用水量变化具有随机性，用水高峰时水压不足，低谷时又造成能量浪费。变频恒压供水系统根据公共管网的压力变化，通过PLC和变频器自动调节水泵的增减、水泵电机的运行方式及电机的转速，实现恒压供水，既防止了能量空耗，又避免出现电机启动时冲击电流对设备的影响。
2 工作原理
变频恒压供水系统采用一台变频器拖动两台大功率电动机，可在变频和工频两种方式下运行;一台低功率的电机，作为辅助泵电机。
启动方式:为避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压。启动前变频器要复位。
变频调速:根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待1号泵完全退出变频运行，对变频器复位后，2号泵投入变频运行。
多泵切换:根据恒压的需要，采取无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在PLC的程序中，通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。在用水量较小的情况下，采用辅助泵工作。
为了避免一台泵长期工作，任一泵不能连续变频运行超过3小时。当工频泵台数为零，有一台运行于变频状态时，启动计时器，当达到3小时时，变频泵的泵号改变，即切换到另一台泵上。当有泵运行于工频状态，或辅助泵启动时，计时器停止计时并清零。
故障处理:能对水位下限，变频器、PLC故障等报警。PLC故障，系统从自动转入手动方式。
3 PLC控制电路
系统采用S7-200PLC作下位机。S7-200PLC硬件系统包含一定数量的输入/输出(I/O)点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。输入点为6个，其中水位上、下限信号分别为I0.0、I0.1。输出点为10个，O0.0-O1.0对应PLC的输出端子。对变频器的复位是由输出点O1.0通过一个中间继电器KA的触点来实现的。根据控制系统I/O点及地址分配可知，系统共有5个开关量输入点，9个开关量输出点;1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。可以选用CPU224PLC(14DI/10DO)，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。
4 PLC通信程序
S7-200PLC硬件功能完善，指令系统丰富。可为用户提供多种通讯方式:PPI方式，MPI方式，自由通讯口方式等。应用自由通讯口方式，使S7-200PLC可以与任何通信协议已知，具有串口通讯的智能设备和控制器(如打印机、变频器、上位PC机等)进行通信，也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。该通信方式使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。
采用PLC自由通讯口方案，PLC工作于从站，PC处于主站模式，PLC从站只响应来自主站的申请。主站向PLC从站发送指令格式的报文，读指令00为向从站PLC申请产生于PLC的数据，读取水压，频率，变频泵号，工频台数，辅助泵状态等数据;写指令01为向PLC传送产生于主站的数据，包括压力设定值和控制器输出值。在自由口通信模式下，通信协议完全由用户程序控制。通过设定特殊存储字节SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允许自由口模式，用户程序可以通过使用发送中断、接收中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)对通信口操作。
应用发送指令(XMT)，可以将发送数据缓冲区(TBL)中的数据通过指令指定的通信端口(PORT)发送出去，发送完成时将产生一个中断事件，数据缓冲区的个数据指明了要发送的字节数。应用接收指令(RCV)，可以通过指令指定的通信指定端口(PORT)接收信息并存储与接收数据缓冲区(TBL)中，接收完成也将产生一个中断事件，数据缓冲区的个数据指明了要发送的字节数。
初始化程序:
LD SM0.0 // 开机始终为ON
MOVB 16#9,SMB30
file://自由口通信，选择9600波特，8位数据位，无校验
MOVB 16#2, VB0 file://预设PLC地址
MOVD &VB1000, VD20
file://设置接收缓冲区，将其首地址传给指针VD20
MOVD &VB1200, VD30
file://设置发送缓冲区，将首地址传给VD30
MOVD VD20, VD24 file://指针值保存
MOVD VD30, VD34
MOVB 8, SMB34
file://设置8ms的定时器0时基中断
ATCH 0,8
file://接收字符连接到中断0，连接静止线定时器和接收器
ATCH 1,10
file://定时中断0，连接到中断1
ENI file://开中断
为了保证通讯接收的可靠性，程序采用前导符，PLC地址，静止线接收，结束字符。首字符的确认可通过设置前导符来完成，并且通过比较还可以剔除部分干扰字符。首字符确认:
Network 1 file://判断前导符
LD SM0.0
AB<> SMB2, 16#40
file://不是前导符则跳出中断
RETI
Network 2 file://终止定时中断
LD SM0.0
DTCH 10 file://断开时基中断
Network 3
file://是前导符则连接中断3
LD SM0.0
AB= SMB2, 16#40
ATCH 3, 8
静止线是通讯过程中的一个检测用时间，即设定的数据传输过程中无任何数据的任意2点的间隔时间。静止线的设计和处理包括长度的确定及定时器和接收器的设计。
INT_ // 静止线定时器
LD SM0.0
ATCH 1, 10
file://静止线定时器采用8ms的时基中断。
INT_1 // 静止线接收器
LD SM0.0
ATCH 2, 8 file://开始接收字符
尾字符的确认和校验处理:
Network 1 // 接收及计算校验码
LDN M0.0
LDB<> SMB2, 16#2A
// 判断是否为个结束符
MOVB SMB2，*VD24
file://不是则保存数据并计算异或值
XORW SMW1, AC0
INCD VD24
INCD VB40
Network 2
file://如果是个结束符，则对M0.0置位，并跳出中断，
file://接收下一个字符，看是否为第二个结束符
LDN M0.0
AB＝ SMB2,16#2A
S M0.0, 1
MOVB SMB2, AC1
RETI
Network3
LD M0.0
AB<> SMB2, 16#0A
file://判断第二个结束符，如不是则继续执行
AB<> SMB2,16#2A
file://判断又是个结束符？不是则执行保存数据，
file://异或运算，并对M0.0复位。
XORW AC1, AC0
MOVB VB300, *VD24
INCD VD24
MOVB SMB2, *VD24
XORW SMW1, AC0
INCD VD24
INCD VB40
INCD VB40
R M0.0, 1
RETI
Network 4
file://如果又是个结束符，则上一个是有用的数据，需要保存
LD M0.0
AB= SMB2, 16#2A
XORW AC1, AC0
MOVB VB1300, *VD24
INCD VD24
MOVB SMB2, AC1
RETI
Network 5
file://如前一个为2A，现在接收到0A，则接收完毕，启动延时中断
LD M0.0
AB= SMB2, 16#0A
DTCH 8
file://断开接收状态，准备组织发送
MOVB 20, SMB34
ATCH 5, 10
file://连接中断5，根据接收到的信息组织数据发送
对不方便设置尾字符的，可以采用计数的方式对中间字符进行接收，计数到则执行一个专门中断程序来执行接收结束的处理。对尾字符的判断处理采用以下流程进行处理。校验采用从PLC地址号开始，与数据(不包括两个连续的尾字符)进行异或校验。每接收一个字符就进行尾字符判断，如果不是尾字符则在接收的同时进行异或校验。
5 监控程序设计
上位机的程序流程图如图1所示。根据接收到的数据进行判断，如接收到的是读写错误，则要求重发。如为写成功，则开启定时器1，定时采样;如读成功，接收到的是采样数据则进行显示和调用神经网络进行数字处理，处理完毕发送频率和设定压力值，并开启定时器2，等待响应。
系统主窗体四个按钮控件，分别为参数设置、实时监测、启动和关闭系统。参数设置界面如图2所示。用户可根据实际情况修改压力设定值。
主要控件功能包括:
(1) 压力设定值:压力设定值范围:0.30-0.60Mpa。
(2) 校正系数:主要是对压力显示进行校正，使压力显示与压力表显示一致。
(3) 复位按钮:运行中按下，将使系统重新启动，各参数回到初始设置。
(4) 设定按钮:在文本框输入压力设定值和校正系数后，按下此按钮，压力设定值和校正系数才能通过串口发送给下位机。
图1 上位机流程图
图2 供水系统参数设置界面
图3 供水系统实时监测界面
图3所示为系统实时监测界面，可显示当前的实际水压和频率值;三个指示灯主要接收PLC回送的信息，实时监测各泵的运行情况，正常显示为绿色;故障时，相应的控件变成红色显示。
1 引言
与其它工业控制系统相比，PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。对于那些不必采用上位机监控＋PLC现场控制的简易控制系统，操作面板的完善与否直接影响到整个系统的智能化程度高低。对小型控制系统而言，在满足功能的前提下，高性价比一直是设计人员追求的目标，若采用触摸屏(如SIEMENS的TP270)＋组态软件(如PROTOOL)的方式组成人机界面，势必使整个系统的性价比大为降低，因此，提出基于PLC的矩阵式键盘设计方案具有较大的实际意义。
2 矩阵式键盘工作原理
矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省I/O点而采取的一种结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图1所示。
图1 矩阵式键盘结构图
首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全为1，则无键按下，不全为1则有键按下。
其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平0，检查对应行线的状态;若行线全为1，则按键不在此列;若不全为1，则按键必在此列，且是与0电平行线相交的那个键。后，确定键值，并进入键处理程序。
3 矩阵式键盘硬件设计
在PLC系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解PLC I/O口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以S7-200的DC输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。
3.1 输入模块
如图2所示，为PLC的DC输入模块，其中，K1-输入开关;M-公共端;I0.0-输入点;R1、R2的典型值为5.6K、1K。
图2 直流输入模块电路图
工作原理:若输入开关K1闭合，则输入信号经RC滤波和光电隔离后，转换为PLC的CPU所需的电平(一般为5V)，再经过输入选择器与CPU的总线相连，从而将外部输入开关的“ON”状态输入到PLC内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“OFF”状态。
3.2 输出模块
如图3所示，为PLC的DC输出模块，其中，L+接DC24V;Q0.0-输出点。
图3 直流输出模块电路图
工作原理:若用户程序将输出置为“ON”状态，则在刷新输出阶段CPU将“ON”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将DC24V和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“OFF”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。
3.3 键盘的硬件设计
由以上分析可知:PLC的I/O口内部电路与一般的计算机系统(如单片机系统)有较大的不同，这就决定了在PLC系统中设计矩阵式键盘也有其特殊性。首先，由于输入模块中有RC滤波电路，其滤波延迟时间可以通过编程软件设置，即其本身存在硬件消抖动的功能，因此不再需要软件延时消抖动;其次，由于用到了PLC的输出口，它本身可以输出对M端有DC24V的电压，因此不再需要外接电源;后，由于PLC的输入口有6K左右的输入电阻，因此可以将DC24V的电压直接加上，若为了延长I/O口的使用寿命，一般按照输入模块的技术指标来配置限流电阻，经查阅输入电流的典型值为4mA，一般取R1=R2=R3=0.5K即可。如图4所示为3行3列矩阵式键盘的结构图。
图4 3×3键盘结构图
4 矩阵式键盘软件设计
4.1 PLC的扫描工作方式
当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图5所示:
图5 PLC的扫描工作流程
在设计键盘时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段:
(1) 输入采样阶段，CPU将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变;
(2) 程序执行阶段，CPU按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内;
(3) 输出刷新阶段，在程序执行完后，CPU将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。
4.2 键盘的软件设计
矩阵式键盘的软件设计相对较为复杂，但无非是实现微机系统中所描述的键盘扫描程序的四个功能:
(1) 判断有无键按下;
(2) 去机械抖动;
(3) 求按下的键号;
(4) 键闭合一次仅进行一次键功能操作。
4.3 键盘设定及程序设计
再结合微机系统中矩阵键盘的原理，设计3×3矩阵式键盘，特做如下设定:
(1) 设定0～8号键分别与M0.0～M1.0对应，键按下，对应的位存储点为“1”，键松开则为“0”;
(2) 设定I0.0、I0.1、I0.2对应键盘的第0列、第1列、第2列，Q0.0、Q0.1、Q0.2对应键盘的第0行、第1行、第2行，M1.1为“有键按下”标志位;
(3) 按图4所示的方式构成3行3列矩阵式键盘，流程图如图6。
图6 键盘程序流程图
为增强程序的可读性，利用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件，用符号地址替代地址，编制3×3键盘的STL程序如下所示。
Network 1 判断有无键按下
LDN 有键按下
S 第0行, 3 //全行扫描
LD 第0列
O 第1列
O 第2列 //全列读入
AN 有键按下
S 有键按下, 1 //有键按下，置标志位
JMP 0
LDN 有键按下
MOVW 0, MW0 //无键按下，清零跳出
JMP 9
Network 2 散转程序
LD 有键按下
A 第0行
JMP 10 //跳至第0行
LD 有键按下
A 第1行
JMP 11 //跳至第1行
LD 有键按下
A 第2行
JMP 12 //跳至第2行
Network 3 逐行扫描
LBL 0 //第0行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第0行, 1 //立即置位Q0.0
JMP 9
LBL 10
LD 第0列
= KEY_0 //0键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_1 //1键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_2 //2键
JMP 9
LBL 1 //第1行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第1行, 1 //立即置位Q0.1
JMP 9
LBL 11
LD 第0列
= KEY_3 //3键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_4 //4键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_5 //5键
JMP 9
LBL 2 //第2行处理
LD 有键按下
RI 第0行, 3
SI 第2行, 1 //立即置位Q0.2
JMP 9
LBL 12
LD 第0列
= KEY_6 //6键
JMP 9
LD 第1列
= KEY_7 //7键
JMP 9
LD 第2列
= KEY_8 //8键
JMP 9
LD 有键按下
R 有键按下, 1
//无键按下，清标志位
Network 4 软件延时
LBL 9
LD 有键按下 //有键按下才延时
FOR VW0, 1, 500
NOP 0
NEXT
4.4 程序的说明
(1) 程序采用了立即置位、复位指令SI和RI，是为了更及时的置位复位输出点，使程序的执行不受扫描周期的影响，也可用字节立即写指令MOV_BIW来实现，但应该考虑对其它未用点的影响。
(2) 程序的后采用了软件延时，是为了解决程序指令执行时间与输入输出滞后时间的不匹配。利用编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0中的System Block下的bbbbb Filters选项可以设置输入滤波时间，默认为6.4ms，减少滤波时间可以相应的减少软件延时次数，但若滤波时间太小又达不到消抖动的目的。
(3) 程序中没有考虑多键同时按下的问题，在现有的程序中，若不同行有多个键按下，均以先按下的那个键为准进行响应，但若同一行上有多个键按下，则又分要几种情况，因此在应用时，应加强对按键的限制条件，避免由于误操作而造成生产设备的损坏。
(4) 程序中对每个按钮的响应均是按下该键，则对应的存储位为“1”，放开该键，则为“0”，没有其它较为智能的功能。若键盘中有“加速”、“减速”等类似键时，往往希望有连续加减的功能，即按下“加速”一定时间后(如500ms)，按照每规定时间(如100ms)增加一个单位的速度值，此时可以利用两个定时器实现，其STL程序如下。
LD 加速
TON T37, 5
LD 加速
EU
= 加速上升沿
LD T37
AN 每100MS通电一次
TON T38, 1
LD T38
= 每100MS通电一次
LD 每100MS通电一次
O 加速上升沿
EU
+I 1, 速度存储值
5 结束语
本文提出了在PLC系统中设计矩阵式键盘的一般方法并给出了3×3键盘的硬件连线图和STL程序。在键数较多时，矩阵式键盘可以大大节省PLC的I/O点数，但程序设计的复杂度也随之增加，因此使用时应在系统的硬件成本和实时性之间加以均衡考虑。此外，本文的设计思路具有通用性，只需稍加变动，就可移植到其它品牌的PLC中。文中的STL程序均已通过S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0在CPU226 DC/DC/DC上调试通过，说明了本文设计方法的可行性。
