西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0库存现货

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1 引 言

低压电力线是为传输50Hz 的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（PLC）逐步从实验室走向实用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。本文给出了基于PLC 技术的远程单相复费率电表（简称基于PLC技术的远程电表）的设计与实现。

2 硬件总体设计

如图1所示，基于PLC 技术的远程电表硬件部分包含MCF5271 主控板、电量采集板和PLC调制解调器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中电量采集板负责采集电量，MCF5271 主控板通过SPI、I2C 等接口与电量采集板进行数据传输，同时通过符合IEEE802.3 规范的MII 接口与PLC 调制解调器进行以太帧数据传输，PLC 调制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。

图1 基于PLC 技术的远程电表模块图

3 MCF5271主控板设计

MCF5271主控板的设计参考了Freescale公司的MCF5271评估开发板的设计原理MCF5271评估开发板使用的ColdFire微处理器为196引脚的BGA封装，焊接比较困难，而且160引脚QFP封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能同时易于焊接，故使用QFP160封装的芯片做主控板。主控板与PLC调制解调器接口的主要部分为MII接口，所以略去了主控板与PLC调制解调器接口的介绍，而代以介绍MCF5271微处理器与INT5500之间的通过MII接口的连接。

1、MCF5271主控板板的存储器扩展

MCF5271具有外部总线接口，数据总线宽度为32位D[31∶0]，寻址范围可以达到32位，与外界存储器相连的地址总线宽度为24 位A。MCF5271主控板中扩展了一片1M×16位的Flash存储芯片AM29LV 160DB，地址总线为20位，连接MCF5271的地址总线A[20∶1]，数据总线为16位，连接D[31∶16]。两片8M字节的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，两片芯片使用共同的地址总线A[21∶15]和控制信号，数据总线分别连接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。

2、MCF5271与INT5500的连接

INT5500工作在PHY模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有MII接口的MCU相连。图2所示为MCF5271与INT5500连接方式。由于此时INT5500工作在PHY模式下，所以MII接口的信号方向与Host/DTE模式下的方向相反。

图2 MCF5271与INT5500连接图

MCF5271芯片MII接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线EMDIO和EMDC；反映介质状态的信号线ECOL和ECRS；其余为接收/发送信号线。

EMDIO为双向信号，在INT5500和MCF5271之间传输控制信息和状态信息。控制信息由MCF5271发给INT5500，状态信息由INT5500反馈给MCF5271。EMDC为输出信号，作为EMDIO数据传输的参考时钟。

ECOL为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。ECRS为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状态，可以进行传输。

ERXD[0-3]用来接收INT5500发送的4位数据；ERXDV用来表示从INT5500接收到的数据是否有效，高电平为有效；ERXCLK为INT5500提供给MCF5271的数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的25%；ERXER为输入信号，该信号有效时表示检测到当前在INT5500上传输的帧出错。

ETXD[0-3]用来向INT5500发送4位数据；ETXEN为输出信号，该信号有效时表示MII总线上有数据，可以启动发送操作。ETXCLK为输出信号，作为数据发送的参考时钟信号。

4 电量采集板

电量采集板电路包括电量采集电路、ADE7756与主控芯片的通信接口、实时时钟芯片PCF8563的工作电路与对外通信接口。

1、电量采集电路

图3所示为电量采集电路，其中CT为电流互感器，电量采集芯片为ADE7756。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通电力线中的电流经过电流互感器CT后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成电压信号，再经过R1与C4、R10与C6组成的滤波电路滤波后进入ADE7756的差分信号输入引脚V1P和V1N。电力线的220V电压信号经过R7、R6和R8分压及R8与C8组成的滤波电路滤波后转换为250mV的电压信号，作为AED7756的V2P的输入。

图3 电量采集模块

2、ADE7756与MCF5271主控板的接口模块

ADE7756与MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反馈信号。如图4所示，图中使用两片7404芯片对输入输出信号进行电压转换。7404芯片内部含有6路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的4路缓冲器，7404芯片为漏极开路输出，所以从主控芯片方输入的5V/3.3V信号经过7404后都可以转换为5V信号。向主控芯片方输出的信号可以转换为3.3V信号。

图4 ADE7756与MCU的接口部分

图中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS 和OUT_DOUT引脚为SPI接口的引脚；IN_RESET为从主控芯片方输入的复位控制信号；OUT_IRQ为ADE7756的中断请求输出信号；OUT_ZX为通道2的电压波形过零输出引脚，用于对电力线进行过零检测；OUT_SAG为电力线电压过低和5V工作电压过低检测输出信号。

3、实时时钟模块

图5为实时时钟模块，PCFB_563通过纽扣电池供电，MCF5271主控板通过I2C接口与PCF8563进行通信，SCL为主控芯片发送的时钟信号，SDA为数据双向数据通信引脚。主控芯片可以设置PCF8563当前时间和读取PCF8563当前时间。

图5 实时时钟模块

5 系统软件设计

基于PLC技术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与后端软件的接口，两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能：

（1）定时电量采集：与ADE7756通信，通过SPI接口读取电量数据；
（2）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到的电量数据按照时段进行相应存储；
（3）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和发送应答数据包；并完成命令数据的解密和应答数据的加密；
（4）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应；
（5）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。

后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接口设计的比较合理，则对于后端软件的开发人员来说相当方便。

根据以上功能分析，软件共划分为5个模块：电量采集和存储模块、数据加密解密模块、嵌入式以太网模块、掉电处理模块和命令响应模块。

电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能；
数据加密解密模块用来对后端软件的命令解密和本地应答数据的加密；
嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与PLC 调制解调器的通信的底层驱动程序，同时包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能；
掉电处理模块完成检测到电力线电压低于阈值时对重要数据的存储；
命令响应模块对后端软件的命令进行响应。

本文作者创新点：本文设计了基于PLC技术的远程电表方案，并完成了基于PLC技术的远程电表软硬件设计和实现，并编写了远程电表电量读取的PC方模拟程序。(end)

摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。由于其原有控制系统采用继电器——接触器控制方式，电路接线复杂，触点多。经过长期使用后，各个地方的接线老化，造成故障率高，故障排查困难，常常影响企业的正常生产。由于PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。因此，利用PLC对摇臂钻床的继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率。

1 Z3040X16型摇臂钻床的电气控制

（1）采用3台电机进行拖动，主电机M1（4.0kW），摇臂松夹电机（2.2 kW），摇臂上下电机（2.2 kW），3台电机均是小功率电机，均采用直接启动控制。

（2）控制电路中设有主电机启动/停止，此控制未进入PLC，直接采用的启动和停止按钮进行控制的，由于此电路中未有任何连锁控制，无需进入PLC中进行控制，既节约了I/O点，又减少了故障排查点。

（3）摇臂升/降动作按照“摇臂松开—升/降—摇臂夹紧”顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。在摇臂夹紧前，由时间继电器KT1延时1～3s后再夹紧。

（4）立柱和主轴箱的放松、夹紧可以单独操作，也可以同时进行，由转换开关SA、松开按钮SB5和夹紧按钮SB6来控制。利用时间继电器KT2的断电延时断开触点、KT3的通电延时闭合触点，实现电磁铁YA1、YA2相对于液压泵电机接触器提前吸合、延时断开的控制。

（5）主电机M1和液压泵电机M3分别设有热继电器FR1、FR2作长期过载保护。

2 PLC选择

2.1 确定I/O点数

在改造中尽可能保留系统原有的控制功能，以便能达到摇臂钻好的工作效果，发挥其大的工作效率，根据原有的控制电路来计算I/O点数。其中：按钮6个（考虑节约点数，有两个未进入PLC），行程开关4个，即实际输入点数为8个；接触器5个（考虑节约点数，有一个未进入PLC），中间继电器1个，即实际输出点数为5个。

2.2 选择PLC机型

根据确定的I/O点数，选择德国西门子公司生产的S7-200系列产品。此PLC的型号为CPU222——6ES7 212-1BB23-0XB0，输入点数为8个，输出点数为6个，继电器输出，使用电源为85至264VAC（47至63Hz）。

3 I/O地址分配及接线图

I/O分配表见表一。

表一 I/O分配表

根据表一设计I/O接线图，如图1。其中接触器和中间继电器的电压等级都进行了调整，都更换了新的电气元件，电压等级均为AC220V，电压等级统一，便于日常维护。

图1 I/O接线图

4 PLC程序设计

根据原有继电器控制电路，加以分析改进，但仍保持原有的控制功能，编制梯形图，如图2。

图2 梯形图

5 改造中必须要注意的几个问题

（1）选择PLC机型时，要考虑低价格，高性能。

（2）原有继电器控制电路比较复杂，如线路老化后，故障点太多，不便查询，而利用PLC控制时，不但大大提高了摇臂钻床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，而且大大简化和减少了维修维护的工作量，使用效果良好。

6 结束语

利用PLC对摇臂钻床控制系统进行改造后，大大简化了控制线路，维护起来十分方便，而且降低了设备运行的故障率，大大提高了设备运行的稳定性及使用率。我厂的电气维护人员尝到了甜头，要不以前一提到维修摇臂钻床，就是一头污水，无从下手，自从改造完成后，再也没遇到此类问题，摇臂钻床再也没出现过影响生产、停滞状态的情况。建议摇臂钻床的生产厂商，也应该一改往常的设计思路，避免以后在生产过程中出现类似的问题。(