西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8详细资料

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目前，实现对机动车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，需要在生产中对汽车尾气污染物进行检测。本文就一种符合EU-2标准，基于嵌入式bbbbbbs CE操作系统和组态王6.0组态软件的集工况模拟、样气采集、样气分析于一体的汽车尾气污染物智能检测系统进行介绍。

    一、系统综述

    整个系统由中央控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。首先底盘测功机模拟汽车的工况，然后尾气取样系统对样气进行jingque的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，中央控制单元实现对整个系统的自动控制。其中中央控制单元采用嵌入式系统作为核心控制单元，系统操作站为运行bbbbbbs CE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。同时工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。

    精简的bbbbbbs CE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，完全可以满足设备现场运行的需要。

    1. 工作原理

  系统总体示意图如图1所示。打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾气排放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：

    mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）

    式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33 KPa时的密度；dCO=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci —稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。
   
    2. 控制系统的工作过程

    工控机通过CVS系统和分析单元的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。同时，触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。另外，配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。控制系统结构框图如图2所示。

二、系统硬件组成

    为了确保系统的准确性和可靠性，本文选用了工控领域中稳定可靠的bbbbbbs CE嵌入式操作系统作为工控机的控制核心。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。

    1. 工控机

    作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbs CE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbs CE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单高效，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。

    组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发周期短，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。

    硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：

    液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。
   
    触摸屏对外数据传输接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。
   
    采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、效率高，而且触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。

  2. PLC
   
    本文选用SIMATIC S7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有可靠性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。
   
    PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。

    3. 传感器与数据采集模块
   
    系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的流量计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：

• 标准长径喷嘴流量计：BYW-S-80，4 m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定流量测量；

• 数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴流量计前端压力测量，输出信号4 mA～20mA DC，24V；

• 电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴流量计前端、后端压力差测量，输出信号4-20mA DC，24V；

• 防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴流量计后端温度测量，输出信号4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；

• 压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4 mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。

• 数据采集模块：研华16通道A／D PCL-818数据采集卡。

    4. 通讯模块
   
    系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。
   
    三、系统软件设计
   
    本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器获取的测量数据判断目前的工作状态，然后将控制指令发送给各单元的PLC，同时生成交互式的人机对话界面。
   
    1. PLC编程
   
    （1） 控制流程描述
   
    分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC首先控制CVS单元排气过程，将气囊中的废气排空；然后控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。控制过程如图3所示。

   （2）控制程序

    整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：

    LD  SM0.1    ／／初始化，调用子程序0
    CALL  SBR_0
    S    M2.0，4  ／／设置程序执行标志位
    LD    M0.1  ／／启用等待程序
    A    M2.0  ／／M2．0设为1
    LPS
    LD    M8.1  ／／有复位请求
    ALD
    CALL  SBR_I／／调用子程序1
    ／／SBR_0：
    LD    SM0.0
     …．．    ／／初始化泵阀状态
    CRET
    ，，SBR_I：
    LD    SM0.0
    LD    M3.0
     …．．    ／／控制CVS工作流程
    CRET
   
    2. 触摸屏控制程序设计
   
    系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。

    四、结束语

    整个系统完全满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统可靠性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地提高了我国汽车生产厂家生产管理水平。

一、引言

    可编程序控制器（PLC）突出的特点是可*性高，在以PLC为主组成的PLC控制系统中绝大部分故障来自外部控制电器，如由按钮，行程开关等的损坏所引起。控制电器的故障分为两类：一类是控制电器的触点产生氧化膜，使触点无法闭合而产生开路故障；另一类是控制电器触点熔合而产生短路故障。这都将影响PLC控制系统的正常工作。为能快速准确地对PLC控制系统中控制电器的故障进行检测，探讨利用PLC内部富余的器件对PLC输入控制电器的开路与短路故障进行自动诊断，以便及时排除故障，保证PLC控制系统的正常运行。

二、输入控制电器短路故障的检测

1、短路故障的分析与设计

    为检测出某控制电器的短路故障，可在梯形图有关的步序段中串联上被检测电器的常开点，当该电器常开点变为闭合即出现短路故障时，则立即接通输出继电器，此继电器为PLC辅助继电器，使有关的输出设备停止工作，并使故障指示灯亮，以使操作人员迅速发现故障并判断出原因。为避免在步序转换瞬间有些被检测电器的常开点闭合，致使故障指示出现短暂的错误，可根据需要设置若干个定时器，使步转换时间相同且有间隔的步共用一个定时器。定时器的常开点串联在相应的步序段中，时间设定值略大于步转换时间，这样就不会出现错误的故障指示。若在每一步序段中设置一个由PLC内部辅助继电器组成的步序状态指示器，将指示器的常开点与上述定时器的常开点和故障输出继电器串联起来，就可实现利用步序状态指示器对该步进行故障检测。只有系统运行到该步才能检测出有关的故障电器。

    PLC控制系统的输入控制电器可能多达几十甚至上百个，即系统有几十甚至上百个步序段，而状态寄存器的触点只能使用一次。若按步序指令编制程序，为检测故障就需另选内部辅助继电器作为状态指示器。这样不仅占用了大量辅助继电器，而且使梯形图相当复杂。在这种情形之下，采用移位寄存器的编程方法来编制程序比较理想。这样不仅可以利用移位寄存器对众多步序段系统进行控制，而且可利用PLC内部丰富的辅助继电器作为步序状态指示器，从而实现对众多输入控制电器的故障检测。

2、故障检测的选择

    假若在每一步序段对所有的输入控制电器全部进行检测，这将使梯形图非常繁杂。经分析和实际运用证明，不需要在每步序段对所有输入控制电器进行短路检测，只要在某步序段检测一个有关的输入电器即可。一般选取每一步序段中LD指令的控制电器，即开始某段程序的控制电器。

三、输入控制电器开路故障的检测

1、开路故障的分析与设计

    在PLC控制系统正常运行的状态下，每一步序都有一定的时间间隔。若输入控制电器出现了开路故障，则系统将无法转入下一步的工作而停顿。故必须检测出控制电器的开路故障。要检测开路故障只要将有关步序的步序状态指示器的常开点和下一步步序状态指示器常闭点及定时器的线圈串联起来，在该步序段开始时立即定时，当该步序段结束并转入下一步后使定时器复位。若系统在定时器设定时间内结束该步，定时时间到，则其常开点闭合，指示出故障信号。定时器的定时值的选取需要注意以下两点：一是保证系统迅速检测出开路故障；二是准确的定时时间（即步进时间）需要现场调试确定。

2、故障检测的选择

    对大量输入控制电器进行开路检测必将占用较多的定时器，而PLC内部定时器数量有限，故对控制电器的检测可作如下处理：

（1）对于步序时间相同且有间隔的步可共用一个定时器。

（2）开路故障检测选取某步序段前OUT的控制电器。

（3）选择故障率高的控制电器进行检测。

四、故障检测的设计

1、瓶签检测系统

瓶签检测系统如图1所示。

图1 瓶签检测线

    系统中有光电开关0001和0002检查传送带上的瓶子。若检测到无标签的瓶子则0001通，这时系统控制一个机械手从A传送带拿开并放到B传送带上。当机械手回到始位后，机械手原始位置0004检测接通，同时系统还对无标签的瓶子进行计数，当计数值达到设定值时报警灯亮。

2、控制系统梯形图

    设计出C系列PLC控制系统梯形图如图2所示。

图2 瓶签检测PLC控制系统梯形图

3、控制电器开路故障检测

    需要检测的控制电器有光电开关0001和0002，停止按钮0003和机械手原始位置检测0004。根据上述思路设计出输入控制电器的开路故障检测梯形图，如图3所示。

图3 输入控制电路开路故障检测梯形图

4、控制电器短路故障检测

    需要检测的控制电器与开路时相同。设计出控制电器短路故障检测梯形图，如图4所示。

图4 输入控制电器短路故障检测梯形图

5、几点说明

（1）鉴于瓶签检测系统输出点较少，PLC内部剩余了较多输出点，所以在设计中使用较为简单的方法实现对控制电器的故 障检测，各个被检测电器的每种故障由一个独立输出点予以显示，使故障的显示一一对应，清晰明了。
  (2）若控制系统比较复杂，输入控制电器和输出设备较多，使输出点数富余较少时，为减少故障显示所占用的输出点数，需加入状态指示器，可采用8421码来分配故障显示灯（输出点对应的指示灯），而程序作相应的调整就可以了。

五、结束语

    PLC的内部资源如输出继电器、辅助继电器、定时器等，一般情形之下均未被完全利用，所以可利用这些内部富余的电器对PLC外部的输入控制电器进行故障自动检测。该检测无需任何外部元器件和经费就可实现。这对于保证PLC控制系统的正常运行具有重要意义。