西门子模块6ES7216-2BD23-0XB8品质好货

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1 引 言

    随着现代科学技术的发展，PLC己广泛地应用于工业控制微型计算机中。

    目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、可靠性高、体积小的SIEMENS S-200可编程控制器 ，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。

2 工业机器人关节直流伺服系统

    工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。

    2.1 控制系统结构

    系统采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D／A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图1所示。

图1 机器人关节直流伺服系统结构示意图

    2.2 系统工作原理

    系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△ 型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

    控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR， 正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成(见图2)，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。

图2 工业机器人关节直流伺服系统原理图

    系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正， 电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和； 反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流， 因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小。反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程， 因此， 电机停转时，系统的环流达大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。
3 系统程序设计

    程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来检测电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达指定角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性， 因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态。系统程序框图如图3所示。

图3 系统程序框图

4 结 论

    基于PLC研制的直流伺服系统，利用PLC扩展能力强的特点，添装手动输放装置，实现工业机器人关节直流伺服系统的可视操作。其优点是：(1)无需改变电路结构，即可通过程序实现电机正反转的控制；(2)能够使电机不等待停止转动即可立刻反方向转动；(3)可令电机急停，避免电机惯性转动；(4)编程、维护方便。

1 引 言

    随着水库水利工程“无人值班”(少人值守)工作的不断开展，对水库水利工程的自动化技术提出了更高的要求。计算机技术、信息技术和现场总线技术的飞速发展给水电厂自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水库水利工程应该成为一个集计算机、控制、网络以及多媒体为一体的综合系统。

2 系统设计

    该工程自大伙房水库引水，通过隧洞和管道，采取封闭供水方式，向抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦六城市供水。输水管道总长度为259.13km， 沿途设取水头部，鞍山加压泵站(含配水站)和抚顺、沈阳1、沈阳2、 辽阳、营盘共5座配水站。

    当前，水利工程数据采集与监视控制系统(scada系统)一般采用开放式、全分布、分层式结构，设调度中心组、分中心级、和现场控制单元级(注：local control unit， 在本文中均以lcu表示)。

    项目根据功能和性价比原则选用罗克韦尔 controllogix系列plc作为水利工程信息自动化系统lcu控制核心。并以此对controllogix系列 plc的系统组成、特点和 controllogix系列plc在水利工程信息自动化系统中的系统结构、功能和应用作一些探讨。其系统结构原理如图1所示。

图1 水利工程信息自动化系统原理与结构图

2 基于controllogix plc的lcu

    lcu主要完成对被监控设备的就地数据的采集及监控功能，采用触摸屏作为现地人机接口。其设计能保证当它与主站级系统脱离后仍然能在当地实现对有关设备的监视和控制功能。当其与主站级恢复联系后又能自动地服从主站级系统的控制和管理，是水利工程信息自动化系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令后都在此发出，因此lcu是整个监控系统中重要的和可靠性要求很高的基础级控制设备。

    controllogix系列 plc在某水利工程信息自动化系统的实现进行讲述。lcu主要实现以下功能：数据量采集(数字开关输入量、模拟输入量、温度输入量等)、设备控制(数字开出量等)、数据通讯(串口通讯、以太网通讯)、人机界面等。lcu系统结构如图2所示。

图2 lcu系统结构图

    为了提高系统的可靠性，保证系统在恶劣环境下安全运行，lcu主控部分采用controllogix热备系统，采用1756-l63冗余系统。lcu各远程i/o单元采用contrlnet总线接入冗余cpu主控制器，为了提高可靠性，contrlnet总线采用冗余介质。主控单元主要由cpu 1756-l63、contrlnet总线模件cnbr、以太网模件enbr、智能通信管理装置等组成。远程i/o单元主要由contrlnet总线模件cnbr、开关量输入模件、开关量输出模件、模拟量输入模件、模拟量输出模件等组成。

    在上述配置中，1756-l63是控制系统的核心，controllogix在简单易于使用的环境下，实现了zhuoyue的性能，堪称业内。controllogix控制器大存储容量可达8兆，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。可以根据应用要求，选用不同存储容量的控制器。compactflash卡可做程序的移动存储。多种处理器、多种通讯模块和i/o可以混合使用，不受限制。不需要处理器执行i/o的桥接和路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架。

3 结束语

    该自动化系统控制方案已被国内几个大型水利工程信息自动化系统所采用。从系统日常运行情况来看，该系统运行稳定，能准确、实时地反映水利工程设备的运行状态和参数，能准确、可靠地控制现场设备；各项性能满足水利工程信息自动化系统的要求，且该系统维护简便，同时也为水利工程信息自动化系统的运行、维护减少了工作量及生产成本，为实现水利工程信息自动化系统“无人值班”(少人值守)的运行管理模式创造了条件。

1 引 言

    plc是近四十年发展起来的现代工业控制技术，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点和继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，并且其本身具有体积小、功耗低、性能稳定等特点，因而在工业生产过程控制中的得到了广泛应用，被称为现代工业自动化的三大支柱(plc、 数控技术、工业机器人)之一。

    对于输入输出点数比较少的系统可以不需要接口扩展；当点数较多时，需要进行输入输出扩展。不同公司的plc产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，就不得不使用网络结构，这既增加了系统的复杂度，也提高了系统成本。

    针对大量开关量信号输入的问题，以日本三菱公司的fx系列plc为例，本文设计了一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，借助于输入接口板，可以实现多个开关输入信号接入plc单个输入点，使用这种方法，对输入点数较多的控制系统，可以节省plc的输入点数，提高plc的信息采集效率效率，对降低控制系统成本具有重要意义。

2 硬件设计

    对于工业现场中经常会用到的开关、按钮等开关量信号，通常按照图1的配线方法接入plc的输入点，该方法以com端作为所有开关量输入信号的公共端，每一个开关或按钮接入一个plc的输入点。

图1 常用开关量信号接入方法

    为解决大量开关量信号输入问题，利用信号扫描原理，设计了一种基于组扫描输入的plc开关量输入采集方法，硬件结构如图2所示。图中以16个开关量输入信号为例，这16个开关量输入信号被分为4组，分别接入四块接口板(每块接口板可接入4路信号，通过二极管输出)。通过接口板后，k1、k5、k9、k13均接入plc的x1输入端，依此类推，k2、k6、k10、k14均接入plc的x2输入端，k3、k7、k11、k15均接入plc的x3输入端，k4、k8、k12、k16均接入plc的x4输入端，16个开关量输入信号只占用了plc的4个输入端。

    4块接口板分别由plc的4个输出y1～y4选通(用虚线画出)，如当y1有效而y2～y4均无效时，接口板i被选通，此时k1～k4的信号被送入x1～x4，当y2有效而y1、y3、y4无效时，k5～k8的信号被送入x1～x4，另外两组信号的送入方法相同。在这种结构中，输出端y代替com作为公共端。

    这样每个周期扫描4次，可分4次将16个信号送到plc的输入端，每次扫描过后在程序中将x1～x4的状态转移到其他位置。16个输入信号仅占用了4个输入端和4个输出端，节省了一半的plc输入输出点数，在实际使用中还可以根据需要进行灵活扩展，获得更高的使用效率。如若每块接口板上接8个开关量输入信号，4块板共接入32个输入信号，共占用plc的8个输入端，输出端仍然是4个。

    设计时要注意接口板中二极管的选择，一定要选择质量高、稳定性好的二极管，如果出现二极管损坏或击穿的情况，将会出现输入信号不能被正确送入plc输入端或出现输入紊乱。另外输入信号的组数不宜过多，图2中是4组，若每次扫描时间间隔为100ms，则4次扫描的扫描周期是400ms，输入信号的延迟大可能达到400ms，若组数过多(如超过10组)，会出现信号延迟导致系统的灵敏度下降。

图2 基于组扫描的plc开关量输入采集硬件结构


图3 软件流程图

3 软件设计

    在软件设计中要考虑两个主要的问题。一是要定时输出单个扫描选通信号，用来选通相应的接口板，二是要及时将扫描进来的数据转移到其他位置。在这种plc输入设计方法中，在每个扫描周期，每组开关量信号中的一个依次送入一个plc输入端，这样就必须在下次扫描数据来临前将上一次扫描进来的开关量信号状态转移到其他位置保存。

    图3为软件流程图，基于上述考虑设计的软件程序(梯形图)如图4所示。每次扫描时间间隔100ms，16个开关量信息采集到plc后分别送入m100～m115保存，指令rol和ref的含义分别是循环左移和输出刷新。

图4 支持多点扫描输入的plc输入软件实现

4 结束语

    本文设计的一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，利用信号扫描原理，能有效解决工业现场中存在的大量开关量信号输入问题，该方法可以大大减少plc的输入点数，降低控制系统设计成本，系统结构稳定，扩展性、灵活性好，具有一定的使用价值和推广意义