西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0诚信经营

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        可编程控制器（PLC，Programmable LogicController）经过几十年的发展，现在已经成为了重要、可靠、应用场合广泛的工业控制微型计算机。然而，人们在使用过程中也逐渐发现了传统PLC的缺点：兼容性差，由于生产厂家众多，各种机型互不兼容，没有统一的标准，难以构造统一的硬件结构；封闭、扩展能力差：产品能力的功能实现依赖硬件；对使用者的要求高：现行的PLC 产品，其编程方式要求使用者对PLC的硬件结构、电器原理、编程指令都要有相当的了解；可维护性差：PLC 出现故障时需要人员用工具进行检测和维修；成本较高，传统PLC 被几家厂商所垄断，性价比增长缓慢。这些问题都制约着传统PLC 的发展。近年来，工控领域的不少研究人员一直在寻求着解决这些问题的途径。随着计算机软硬件技术的发展及PLC IEC61131-3的制定，在计算机上以软件的方式来实现PLC 成为了发展的热点，这也就是软PLC（Soft PLC）。

软PLC介绍

         软PLC，也叫软逻辑，是一种基于PC 机开放结构的控制装置。软PLC 综合了计算机和PLC 的开关量控制、 模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务的控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接的各种I/O 系统及网络的开放结构。软PLC 提供了硬PLC 的各种功能，同时具备了PC 的各种优点。

        基于PC 平台的软PLC 由于无需专门的编程器，因而可以充分利用PC 机的软硬件资源，直接采用梯形图或指令语言编程，并具有良好的人机界面，在数控系统中正逐渐取代硬件PLC，PLC 编程系统也正在逐步转向占据软件市场的PC 机。软PLC 技术发展的一个重要条件就IEC61131-3 标准的制定。

        20 世纪90 年代，IEC（国际电工委员会）颁布了IEC61131 ，它的内容涵盖了PLC 整个生命周期的各个部分。IEC61131-3 是PLC 的语言标准，它定义了5 种PLC 编程语言的规范，其中结构化文本（ST）和指令表（IL）为文本语言，而顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块（FBD）为图形语言。同时，标准还允许在同一个程序中混合使用多种语言。IEC61131-3 标准由IEC 的SC65BW7工作组制定，它包括来自不同的PLC 制造商、软件公司和用户代表，实现了统一的编程标准。相对传统PLC，软PLC 解决了兼容性差、通用性差等问题，具有了多方面的优势：

（1） 硬件体系结构不再是封闭的，用户可以自己选择合适的硬件来组成满足要求的PLC。

（2） PC 机厂家的竞争激烈使得基于PC 机的软PLC 性价比得以提高。

（3） 软PLC 不仅可以实现连接到私有的PLC 网络中，而且可以通过PC 连接到计算机网络上。

（4） 由于软PLC 是基于IEC61131-3 标准的，因此在掌握标准后就可以容易的进行开发了。

        由于软PLC 具有兼容性、通用性、、易于与网络连接、编程方便等优点。因而，目前都在进行软PLC 的研究。国际上，已经有了一些比较成熟和影响比较大的产品：如德国KW -sofeware 公司的MULTIPROG wt32、倍福TwinCAT控制软件TwinCAT PLC、法国CJ International公司的ISaGRAF 软件包、PCSoft International 公司的WinPLC、美国Wizdom Control Inbbblution 公司的Paradym-31 等等。而国内有关部门和工控方面的公司也正在着手研究开发具有自主版权的中文软PLC产品。

软PLC设计平台

硬件工作平台

         软PLC 的期待硬件工作平台为工控机等PC 工业微机平台和嵌入式PC 平台。本设计因需要应用于嵌入式的数控系统中，所以采用了嵌入式PC 平台。嵌入式PC 是将PC 机的主要硬件集中在一张信用卡大小的主板上，将操作系统和应用软件存储在Flash芯片中。嵌入式PC 与标准PC 全兼容，采用与标准PC 相同的硬件结构和软件结构。因而，嵌入式PC在理论上能完成与普通PC 系统的工作。因而，我们可以在普通PC上做好设计和开发，再将软件移植到嵌入式PC 上。

         嵌入式PC 包括单板计算机（SBC）、PC/104 计算机和饼干机，本设计采用的是嵌入式PC104 计算机。嵌入式PC/104 组件尺寸小，标准化，模块化程度高，采用层叠式结构，通过在CPU 板的基础上堆叠扩展板构成一个完整的计算机系统。PC104 的扩展板齐全，包括了网卡、数字I/O 卡、A/D 卡等。在PC104 上构造的系统即嵌入式软PLC 可扩展性好，标准化和模块化程度高。


         现今PC104 的硬件水平可以达到P2 或者P3 一级，CPU 速度足够快，内存可到128M，程序存储空间可以选用CF 卡作为硬存储空间，可以达到128M，且可通过PC104 接口扩展其硬件I/O 能力，可增加软PLC 的I/O 口，丰富的硬件资源完全可以满足运行软PLC 的需要。这也使得设计时完全可以在普通PC 上，在Linux 内核下对软PLC 的各个模块进行调试，调试成功再移植到PC104 组件上运行。

软件平台

         目前，大多数软PLC 分别以bbbbbbs, DOS 和Linux 系统为操作平台。早期的基于PC 的软PLC 采用的较多的是DOS 系统，这类软件由于运行DOS 环境下，可以轻松实现其实时控制的要求，但由于DOS 环境是单任务处理方式，使得PC 的潜力得不到充分发挥，系统的功能和灵活性也受到限制。而bbbbbbs 具有操作界面良好、程序开发相对容易、多任务等优点，但bbbbbbs 操作系统并不是一个理想的实时操作系统，且bbbbbbs 操作系统是收费的，这将大大增加开发应用的成本。因而，本设计配合数控系统的需要选用的是Linux 系统为操 作平台，基于Linux 内核模块的Rtlinux 是一个免费的、开放源代码的实时操作系统。

软PLC模块设计

         本设计的软PLC 基于嵌入式PC104 计算机，建立在Linux 操作系统之上，软件的设计采用了模块化设计。每个模块都专职一项功能，每个模块都是一个进程。软PLC 全局变量是所有模块的公共数据，由配置文件设定。各个模块通过全局变量进行通信，各个模块的私有数据不包含在配置文件内。全局变量在每个模块都有副本，各个模块通过副本的数据对本模块进行运算，当循环一次运算后，就更新到全局变量，这样就实现了各个模块之间的通信。每个模块对全局变量的读写权限不一样的，只有对全局变量具有写权限的模块才可以更新全局变量里的数据。每个模块作为一个进程，进程之间的通信采用的是共享内存进行通信。软PLC 各模块之间的结构框图如图1 所示：

(1) 主程序（main program）,启动软PLC，将首先运行主程序，主程序将读取配置文件上的内容，并运行配置文件上所设定的模块。

(2) 配置文件（configurefile），在软PLC 中具有核心的地位，它由几部分组成：

①软PLC 配置，在这部分设置了内核和各个模块的相关参数，

主要包括：模块列表，列出了要运行的模块；变量列表，列出了软PLC 中的全局变量，并定义了具有对应全局变量有写权限的模块。

② 公共配置，这部分设置了各个模块之间的共同属性。

③ 同步配置，这部分是要配制各个模块之间的同步性。为了保证数据的传输，必须让模块之间同步。

④ 实时性配置，软PLC 可以运行在3 种模式：正常模式、软实时模式和硬实时模式，设计时可以根据具体情况选择其中的一种模式。

对于每个具体的设计来说，需要对配置文件中的几个部分进行配置。

(3) 人机界面模块（HMI），用户和软PLC 之间的互动模块。通过友好的人机界面，用户可以控制软PLC 的调用和开关，同时可以查看软PLC 各个状态点的状态。在Linux 下，可以使用GTK 或者TCL/TK 进行设计。本设计由于整个数控系统的需要，采用了TCL/TK 进行设计。因为软PLC 的其他部分是用c语言进行设计，因而在用tcl/tk设计的人机界面模块和软PLC 之间，需要设计一个TCL/TK 的扩展模块作为两种语言之间的接口，这样在界面上就可以用TCL 语言调用C 语言编写的软PLC 函数。现阶段本设计主要完成了常用的PLC 图形语言梯形图和两种文本语言IL 语言和ST 语言的设计，因而人机界面可以分为两种，梯形图的编辑运行界面和文本编程的监控界面。

① 梯形图界面（如图2）。在梯形图界面上，用户可自由拖动如开关、计时器等各种器件进行自主编程，从而实现在线编程。在界面上右侧是状态栏，可以对各种状态点的控制和状态显示，如将状态点B1 状态置1，则需单击B1 前的小方框。界面的上方是菜单栏。用户可通过菜单的选择进行编辑、保存、打开等功能，编辑完毕，按下Run 键，TCL/TK 的底层程序将会检测状态点状态，并根据元件种类进行逻辑运算，这些直接使用TCL/TK 编程就可以实现。而Exit 键则是退出软PLC，当按下该键时，将会设置全局变量Quit = 1 并传递给关闭模块Plcshutdown。关闭模块将关闭所有在运行

1 引言
在绝大多数变频器调速工程应用领域，都需要外围辅助机电联控系统实现变频器的自动化运行。外围机电联控系统随着调速对象的不同要求千变万化，有时可以是相当的复杂，例如常见的机电一体化运动系统，所以工程上变频器经常与PLC集成联控运行。台达VFD-E（图1）系列变频器在内部集成嵌入可编程控制器。VFD-E为机电一体化等复杂调速系统开创精简型整体解决方案时代。

2 VFD-E变频器内置PLC简介
•PLC逐行扫描标准运行方式。
•丰富的编程语言：指令语句；梯形图；SFC。
•丰富的指令语句：45个指令种类，包括28个基本指令，17个应用指令。
•350步长程序容量。
•uS级基本指令的处理速度。
•结束再生的输入/输出控制方式（当执行END指令时输入输出有立即刷新指令）。
•8点基本I/O配置：6个输入点（X）,2个输出点（Y）。
•I/O模块扩展功能：通过I/O卡可以配置9个输入点，4个输出点。
•通用辅助继电器M：160点。（M0-M159,特殊用继电器共32点M1000-M1031）
•定时器：16只。T0～T15（100ms）。
•计数器：8个16位（C0～C7）；1个32（C235）。
•通用内部寄存器D：30点（D0～D29）
•特殊寄存器D：45点。（D1000~D1044）。主要作为存放系统状态、错误信息、监控。
•通过RS485编程。
3 VFD-E变频器的PLC程序执行方式
PLC程序的上传和下载通过PLC2编程页面执行。首先按MODE键到“PLC0”页面，然后按上 键切换到“PLC2”，接着按下“ENTER”,成功会显示“END”,然后会跳回“PLC2”.在没有下载程序到变频器里面之前，如果出现警告可以不理会。注意在上传和下 载程序前变频器是在停止状态下。
执行VFD-E变频器内部PLC程序有三种方式：
种方式：在PLC1编程页面下，自动执行PLC程序；
第二种方式：在PLC2编程页面下，经过WPL由通讯监控PLC程序运行（执行/停止）；
第三种方式：端子运行方式。当为外部多功能输入端子（MI3-MI9）设定为“RUN/STOP PLC(99)”后，端子接点导通(close)时，在PLC页面会显示PLC1,执行PLC程序。端子接点断路（open）时PLC页面会显示PLC0,停止PLC程序。
4 内置PLC的特殊功能装置配置说明
限于篇幅，本文中只是把常用的特殊继电器和寄存器等说明一下，详细的可以见到中达电通股份有限公司的网站上下载VFD-E系列的说明书。
4.1特殊继电器说明
M1000 运转监视常开接点（a接点）。RUN中常时On，a接点。RUN的状态下，此接点On
M1001运转监视常闭接点（b接点）。RUN中常时Off，b接点。RUN的状态下，此接点Off
M1005变频器故障指示
M1006输出频率为零
M1007变频器运转方向FWD(0)/REV(1)
M1025变频器RUN(ON)/STOP(OFF)
M1026变频器运转方向FWD(OFF)/REV(ON)
M1028高速计数功能开启(ON)/关闭(OFF)
4.2特殊寄存器功能说明
D1025高速计数器现在值(低位)
D1025高速计数器现在值(高位)
4.3变频器特殊指令
1 DHSCS高速计数功能说明：
DHSCS S1 S2 S3（S1:比较值 ； S2:高速计数器编号；S3:比较结果。）
•高速脉冲计数功能需要借助PG卡来实现外部脉冲输入。
•由设置DHSCS指令所需要的目标值，并且把M1028(特殊功能继电器，功能是变频器高速计数功能开启ON/OFF)打开，将自动进行计数。如果要清除计数器的数值，需要将M1029(特殊功能继电器，功能是清除高速计数值)设置为ON。
•高速计数器有3种运动控制模式，可以通过特殊寄存器D1044来设定。
种模式是“A-B 相脉冲”的模式。使用可以通过输入A相和B相的脉冲来做计数器的输入， 需要和GND连接。
第二种模式是“脉冲＋符号”的模式。使用者可以利用脉冲的输入以及通过符号来做上数或着下数。定义A相来做脉冲，B相来做符号， 需要和GND短接。
第三种模式是“脉冲＋标志位”模式。在计数方式中，可以通过标志位M1030来判断上数或下数，所以使用者知需要连接A相就可以了， 需要和GND短接。
2 FPID变频器PID控制。
FPID S1 S2 S3 S4
其中： S1:PID参考目标的输入端子选择（0～4）；
S2:PID比例增益P(0~100)；
S3:PID积分时间I（0～10000）；
S4:PID微分时间D（0～10000）。
3 FREQ变频器运转控制。
FREQ S1 S2 S3
其中：S1:设定频率；S2:加速时间；S3:减速时间。
例如：FREQ K5000 K200 K100
则：设定目标频率为50HZ,加速时间是20S,减速时间是10S
4 RPR变频器参数读取。
RPR S1 S2
其中：S1:参数字地址；S2：把读取的参数保存到S2中。
5 WPR变频器参数写入。
WPR S1 S2
其中：S2为参数的地址, 把参数数值S1写到参数S2中。
5 VFD-E变频器内置PLC程序运行举例
5.1变频器转速程控源程序案例

5.2变频器转速程控案例运行结果

摘 要：本文讨论变频器的划时代产品——PLC嵌入型变频器。通过介绍台达VFD-E系列变频器，展示变频器前沿技术发展。
关 键 词：变频器内置PLC 嵌入 集成
1 引言
在绝大多数变频器调速工程应用领域，都需要外围辅助机电联控系统实现变频器的自动化运行。外围机电联控系统随着调速对象的不同要求千变万化，有时可以是相当的复杂，例如常见的机电一体化运动系统，所以工程上变频器经常与PLC集成联控运行。台达VFD-E（图1）系列变频器在内部集成嵌入可编程控制器。VFD-E为机电一体化等复杂调速系统开创精简型整体解决方案时代。

图1 台达VFD-E系列变频器
2 VFD-E变频器内置PLC简介
•PLC逐行扫描标准运行方式。
•丰富的编程语言：指令语句；梯形图；SFC。
•丰富的指令语句：45个指令种类，包括28个基本指令，17个应用指令。
•350步长程序容量。
•uS级基本指令的处理速度。
•结束再生的输入/输出控制方式（当执行END指令时输入输出有立即刷新指令）。
•8点基本I/O配置：6个输入点（X）,2个输出点（Y）。
•I/O模块扩展功能：通过I/O卡可以配置9个输入点，4个输出点。
•通用辅助继电器M：160点。（M0-M159,特殊用继电器共32点M1000-M1031）
•定时器：16只。T0～T15（100ms）。
•计数器：8个16位（C0～C7）；1个32（C235）。
•通用内部寄存器D：30点（D0～D29）
•特殊寄存器D：45点。（D1000~D1044）。主要作为存放系统状态、错误信息、监控。
•通过RS485编程。
3 VFD-E变频器的PLC程序执行方式
PLC程序的上传和下载通过PLC2编程页面执行。首先按MODE键到“PLC0”页面，然后按上 键切换到“PLC2”，接着按下“ENTER”,成功会显示“END”,然后会跳回“PLC2”.在没有下载程序到变频器里面之前，如果出现警告可以不理会。注意在上传和下 载程序前变频器是在停止状态下。
执行VFD-E变频器内部PLC程序有三种方式：
种方式：在PLC1编程页面下，自动执行PLC程序；
第二种方式：在PLC2编程页面下，经过WPL由通讯监控PLC程序运行（执行/停止）；
第三种方式：端子运行方式。当为外部多功能输入端子（MI3-MI9）设定为“RUN/STOP PLC(99)”后，端子接点导通(close)时，在PLC页面会显示PLC1,执行PLC程序。端子接点断路（open）时PLC页面会显示PLC0,停止PLC程序。
4 内置PLC的特殊功能装置配置说明
限于篇幅，本文中只是把常用的特殊继电器和寄存器等说明一下，详细的可以见到中达电通股份有限公司的网站上下载VFD-E系列的说明书。
4.1特殊继电器说明
M1000 运转监视常开接点（a接点）。RUN中常时On，a接点。RUN的状态下，此接点On
M1001运转监视常闭接点（b接点）。RUN中常时Off，b接点。RUN的状态下，此接点Off
M1005变频器故障指示
M1006输出频率为零
M1007变频器运转方向FWD(0)/REV(1)
M1025变频器RUN(ON)/STOP(OFF)
M1026变频器运转方向FWD(OFF)/REV(ON)
M1028高速计数功能开启(ON)/关闭(OFF)
4.2特殊寄存器功能说明
D1025高速计数器现在值(低位)
D1025高速计数器现在值(高位)
4.3变频器特殊指令
1 DHSCS高速计数功能说明：
DHSCS S1 S2 S3（S1:比较值 ； S2:高速计数器编号；S3:比较结果。）
•高速脉冲计数功能需要借助PG卡来实现外部脉冲输入。
•由设置DHSCS指令所需要的目标值，并且把M1028(特殊功能继电器，功能是变频器高速计数功能开启ON/OFF)打开，将自动进行计数。如果要清除计数器的数值，需要将M1029(特殊功能继电器，功能是清除高速计数值)设置为ON。
•高速计数器有3种运动控制模式，可以通过特殊寄存器D1044来设定。
种模式是“A-B 相脉冲”的模式。使用可以通过输入A相和B相的脉冲来做计数器的输入， 需要和GND连接。
第二种模式是“脉冲＋符号”的模式。使用者可以利用脉冲的输入以及通过符号来做上数或着下数。定义A相来做脉冲，B相来做符号， 需要和GND短接。
第三种模式是“脉冲＋标志位”模式。在计数方式中，可以通过标志位M1030来判断上数或下数，所以使用者知需要连接A相就可以了， 需要和GND短接。
2 FPID变频器PID控制。