西门子6ES7216-2BD23-0XB8详细解读

西门子6ES7216-2BD23-0XB8详细解读

一、引言

    随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。 

    在电缆自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。关于整个系统的设计与实现另文介绍，本文主要介绍该系统中用作下位机的可编程控制器的作用、与计算机的通讯及程序设计方法。 

    二、可编程控制器的性能特点

    用于控制系统中的可编程控制器是以循环扫描的方式工作，它不断读取输入点的状态，然后按照既定的控制方式进行逻辑运算，将结果从输出端送出，从而达到控制的目的。它是由工业专用微型计算机、输入/ 输出继电器、保护及抗干扰隔离电路等组成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特性。由于它具有可编程的功能，且其基本输入/输出点全部使用开关量，因而完全可以替代继电器控制系统和由分立元件构成的控制系统。从应用角度来看，可编程控制器具有如下特点： 

    1、可靠性高：可编程控制器的输入/ 输出端口均采用继电器或光耦合器件，即基本输入/ 输出点均为开关量，同时附加有隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在比较恶劣的环境下可靠工作。 

    2、体积小：在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程替代了硬连线，达到了小型化，便于安装。 

    3、通用性好：可编程控制器采用了模式化结构，一般有CPU模块、电源模块、通讯模块、PID模块、模拟输入/ 输出模块等。用这些模块可以灵活地组成各种不同的控制系统。对不同的控制系统，只需选取不同的模块设计相应的程序即可。 

    4、使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当控制对象及输入/ 输出硬件结构选定后，若要改变控制方式或对控制对象作一些改动，只需修改相应程序即可，无须对系统连线作较大的修改。从而减少了现场调试的工作量，提高了工作效率。 

    三、用作下位机的可编程控制器

    由于可编程控制器具有上述特点，因而在检测和控制系统中得到广泛应用。但因其专用性太强以及受输入/ 输出节点数的限制，在由可编程控制器构成的系统中，可编程控制器主要用来完成组合逻辑与时序逻辑的输入/ 输出控制。另外，由于可编程控制器无法以比较灵活的方式显示当前各个输入/ 输出点的状态，不能以多种方式提供整个系统的运行情况，因而，在用可编程控制器构成比较大的检测控制系统时，一般用可编程控制器完成信号的采集和控制，比较复杂的数据处理、图形显示、人机界面等由计算机来完成。 

    在电缆自动生产线检控系统中，可编程控制器作为下位机用来控制各种电机、风机的启、停，调速器的投切，读取各控制点的状态，然后将各点的状态输入到上位机——计算机。计算机处理可编程控制器和其他设备的信息，以图表的方式显示，使操作者对生产线的工作状态一目了然。计算机和可编程控制器的硬件连接及可编程控制器与各控制端、状态点的连接如图1所示。 

图1 可编程控制器接线示意图

    图1中，输入到可编程控制器的检测点可分为按键类和光电开关类。按键类主要有：启动、停止、帮助、诊断、查询、复位按键等。光电开关类主要有：张力轮位置、张力杆位置、左右托位置、左右盘位置、抓勾位置、左右防护位置、排线位置、排架位置、光电开关等。可编程控制器的输出用来控制循环水、退火水、吹干风机及各种电机的启停等。 

    可编程控制器不断读取输入端，按既定的控制方式对输入端的状态进行逻辑运算，然后将运算结果经输出端输出（即进行控制），从而保证生产线的可靠、连续运行，同时将本系统的状态按某种协议反映给上位机，上位机处理可编程控制器和其它设备的信息，作出响应，并以图表的方式显示，使操作者能随时掌握生产线的工作状态，以便在需要时进行调试。 

    四、通讯连接及程序设计

    上位机和下位机进行数据交换的方式有很多，如网络方式、485方式、RS232方式等。由于在电缆生产线中，上、下位机之间距离较近，因而我们选用了RS232方式，其硬件连接如图2所示。

图2 可编程控制器与计算机连接示意图

    图2是我们使用三菱公司的FX2可编程控制器与计算机的连接方法。可编程控制器端使用了FX - 232ADP串行通讯模块，即可编程控制器与计算机之间以RS232方式进行数据交换。当可编程控制器与计算机的距离比较远时，也可以485方式进行数据交换，只要在计算机中插一个485接口板，并将可编程控制器的ADP - 232模块换成485模块即可。 

    1、可编程控制器通讯程序设计 

    在可编程控制器与计算机通讯之前，必须设置相互认可的参数，这些参数有：波特率、停止位和奇偶校验位等。可编程控制器通讯参数通过寄存器D8120的位组合方式来选择，其各位定义如下： 

    b0 数据长度：= 0 ，7位； = 1， 8位 
    b2b1 校验： = 00，无校验； = 01，奇校验； = 10， 偶校验 
    b3 停止位： = 0， 1位； = 1， 2位 
    b7b6b5b4 波特率； 
    = 0011， 300 bps； = 0100， 600 bps； 
    = 0101， 1200 bps； = 0110， 2400 bps； 
    = 0111， 4800 bps； = 1000， 9600 bps； 
    = 1001， 19200 bps； 

    可编程控制器通讯适配器FX - 232ADP的命令为Ram ò n，其中S设定了传送数据的缓冲区首址，m为从首地址开始的第m个顺序单元，D为接收数据的缓冲区首址，n为接收数据的n个顺序单元。可编程控制器完成一次传送的程序流程如图3 所示。

图3 可编程控制器发送数据流程

    M8000是当PLC运行时，处于接通状态的特殊辅助继电器。

    可编程控制器是以循环扫描的方式工作（如图4 (b)所示），即按顺序反复地执行一条一条指令。如图4(b)所示，IN为一组输入指令，即一组将接点状态读入可编程控制器的指令，MEM为一组记录接点状态的指令，CAL为若干条完成控制所需的计算、处理指令，OUT为执行控制和一组输出指令，TRN为若干条向串行口发送数据的指令，依次反复执行IN、MEN、CAL、OUT、TRN，从而完成控制和数据交换的任务。由此可见，可编程控制器从串行口送出的数据是一个分段连续的数据流，如图4 (a)所示。

(a) 可编程控制器发送的数据流

(b) 可编程控制的工作流程
图4

    图中Dn（n=1, 2……N）为连续从串行口输出的N个数据，在TRN之外的时间里串行口并不工作。这样，当计算机在接收可编程控制器的数据时，就需作如下考虑： 

    1) 首先应找到数据流的首部，因为计算机对可编程控制器的访问具有很大的随机性，当计算机在读串行口时，有可能读到的是数据流中的任何一个数据，因而，只有找到数据流的首部，然后读到的数据才是正确的、完整的数据。 

    2) 计算机读串行口时，应有足够的等待时间，如果计算机读串行口时，恰好读到的是数据2（D2），由于本次读到的数据不是完整的，因此计算机大约需要等可编程控制器的一个扫描周期才能读到一组完整的数据。

    2、计算机通讯程序设计 

    在设计电缆自动生产线检测控制系统时，我们已明确了可编程控制器向计算机发哪些数据，即计算机读可编程控制器数据的个数M已知，因此可以用该数据个数M来判断所读数据是否完整。初始化串行口就是将可编程 控制器和计算机串行口的波特率、停止位、校验位、数据位等设置为相同。为了使计算机能够准确找到数据流的首部，我们根据该数据流的特点和可能出现的情况，定义了03FFFF为数据流的首部，即可编程控制器发送的个数据为03，第二个数据为FF，第三个数据为FF，然后依次发送可编程控制器的数据。计算机读取数据时，首先检查读到的是不是03，如果是03，再读下一个数据并检查是否为FF，若是，再读下一个数据并检查是不是FF，若是，则认为读到了数据流的首部，接着读取数据，如果上述任意一项检查不符，则认为没有读到数据流的首部，再重复上述检查，直至读到数据流的首部为止。这样既保证了数据交换的正确性，也保证了数据交换的完整性。 

    ，我们在分析了可编程控制器的工作流程、串行口工作方式和系统工作情况的基础上，设计了数据流的首标志，设定了传送数据的个数，以此来判断计算机所读取数据的位置及数据的完整性，并以这种方式设计了通讯程序，实际证明效果良好。 

    五、结论

    本文简要介绍了可编程控制器的性能、特点，在电缆自动生产线中将可编程控制器与计算机以RS - 232的方式连接，并设计了相应程序。按照这种连接和设计，我们完成了计算机与可编程控制器的通讯，实现了电缆生产线的检测控制系统，实际运行良好。

1、引言  

　　传统的远程监控只具备数据采集功能，在需要实时控制和数据处理时，会显得力不从心。PLC 作为工业控制的核心部件，其在网络、通信等方面的能力越来越强，具备远程监控要求的数据采集、实时控制和数据处理功能。随着国产 PLC 市场占有量的提升，PLC 的价格也比以前更具优势，使用 PLC 做 DAS系统或者用 PLC 平台开发数据采集系统将是大势所趋或者说相当有吸引力的选择。德维森公司的 V80 小型 PLC 在供热、交通监控、楼宇监控等行业有许多的成功应用.  

　　下面以其在东北某供热网监控为例说明 PLC 在数据采集和远程监控行业中的应用。  

　　2、远程监控系统  

　　供热网远程监控系统的示意图如下： 

图 1 供热网远程监控系统示意图

　　V80 系列 PLC 采集现场每个换热子站的温度、压力、流量，并根据采集数据进行供热流量的控制，以达到节能的目的。根据室外气温的变化，通过调节一级管网电动阀门的开度来及时控制二级管网的回水温度，通过调度给定的控制曲线，保证每个换热站的运行参数始终在给定的范围内。同时，中央监控室根据需要调度和遥控子站的电动阀门，调整运行参数。系统配置 GPRS DTU，可以实现温度的控制、补水泵变频的远程控制。上位机选用组态王组态软件，与数据库结合起来，对所有数据进行存储和分析，并可以配合优化软件进行优先控制。
　3、PLC 特点  
　　  

　　图 2 V80 系统结构示意图 

　　针对前面提到的各种问题，本文提出了一个更为优胜的方案，其特点如下：  

　　1、 网络通信功能  

　　V80 系列 PLC 可同时支持 2 个以上的通信口，可利用 RS485 通信口组建控制网络，把多台 V80 小型 PLC 组进同一个现场总线网络内，主控 PLC 上连接一个 GPRSDTU 模块，为监控网络提供透明的上网通道。选用 GPRS DTU 代替无线 RTU 可以大大降低成本，在敷设了电话线的地方可选用 Modem，使整个系统的造价达到优。  

　　2、CPU 模块功能  

　　M32DT 模块是 16 路数字量输入和 16 路晶体管输出的 CPU 模块，本身带有两个通信口，一个 RS232 和一个 RS485，内部带 MODBUS 主从通信协议和 FREE 通信协议，可以与各种 HMI 或者各种组态软件通信，通信协议库文件使各厂商自行开发上位机软件提供了诸多便利。  

　　M32DT 内带 FLASH 存储器，可将各种参数存储在本地，还带有掉电保持功能，从而保证使用的可靠性和便利性。高速运算速度和完备数学运算能力使其更适合通信和模拟量处理环境。  

　　3、抗干扰能力强  

　　整个系统的宽温和宽电源供电设计使其可以在恶劣的环境中游刃有余，V80 系列产品已通过 CE 认证。  

　　4、 编程简单方便  

　　V80 系列 PLC 的编程语言支持 IEC61131-3 标准，可以方便编程。同时，支持在线编程，也就是在运行态下可以进行程序修改和调试，为监控现场的在线升级和扩展提供方便。  

　　5、   

　　V80 系列 PLC 比同样点数的数采模块具有价格优势，而且其图形化编程功能使其成为一个强有力的分布式监控平台。  

　　4、结论  

　　本文以供热网的远程监控为例，介绍了 V80 系列 PLC 联网、通信协议与第三方产品集成特点，说明 V80 系列 PLC 在数据采集和远程监控行业中的应用，实际运行结果表明 V80系列 PLC 是客户将采集、控制、远程监控合而为一的理想选择。

今世界上精密加工技术发展很快,新的加工方法和设备层出不穷,计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样. 实现精密和超精密切削加工有三种方法: (1) 采用和研制高精度加工设备;(2) 采用新的切削工具材料; (3) 利用加工与测量控制一体化技术. 前两种方法成本较高,而后一种方法成本较低,具有广阔的前景. 在后一种方法中,除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外,还有一项重要内容就是微进给机构的精度及其控制精度. 笔者在控制精密磨削的研究中,利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构,在滚珠丝杠确定后,步进电机的控制精度成为了主要矛盾.
　　
　　1 　步进电机的控制
　　
　　步进电机在不失步的正常运行时,其转角严格地与控制脉冲的个数成正比,转速与控制脉冲的频率成正比. 可以方便地实现正反转控制及调整和定位. 由于步进电机和负载的惯性,它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动,指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行. 因此,必须实现步进电机的自动升降速功能. 为了实现速度的变化,输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频这些脉冲序列,可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生,也可以由微型计算机产生. 对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说,控制逻辑是固定的,即控制电路一经固定,其控制逻辑也就固定了.
　　
　　如果要改变控制逻辑和控制方案,必须改变电路结构和元件参数,而使用计算机控制,不必改动硬件电路,只要修改程序,就可以改变控制方案. 且可以从多种控制方案中,选取一种佳方案进行控制和调节. 也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制. 利用计算机控制的形式也很多,本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制.
　　
　　2 　PLC 系统组成及位控单元的工作原理
　　
　　　　本研究所利用的PLC 系统的组成包括如下七大模块:电源,CPU ,位控单元, I/ O 单元,A/ D ,D/ A 单元,如图1 所示. 其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机) 与电机驱动器联结时,输出脉冲序列控制电机的转速与转角. 进给机构可以是2 轴型,也可以是4 轴型. 本文采用的是前者,即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给,如图2
　　所示. 具体地说,位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种,如E 点控制(单速度控制) ,如图3(a) 所示;P 点控制(多级速度控制) ; 线性加/ 减速和S型加/ 减速,( a ) , ( b)为线性加/ 减速,S型如. 除此之外还有位置控制和相对位置控制等. 表1 给出了E点控制不同模式的控制码(P 点与其相同) .



　3 　磨削加工PLC 控制原理
　　
　　如图4 所示, PLC 可以控制变频器、传感器、步进电机. 总控制程序流程图如图5 所示. 其中两个步进电机是利用PLC 的位控单元控制的. 在进行精密磨削过程中,横向进给将是十分重要的,PLC 的位控单元能较jingque地控制步进电机的转角,从而使滚珠丝杠获得jingque定位. 由于PLC 位控单元的控制方法有多种,对于磨削加工来讲,横向进给量不能大于215μm ,通过实验的方法可以找出佳方案. 这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用. 首先,设置原点,利用光栅尺粗对刀,测量出对刀位置距原点的距离. 为防滚珠丝杠出现爬行现象,工作台从原点出发,经过一段距离以后开始自动加/ 减速. 此时,只要给定起始速度,目标速度,加速/ 减速时间以及位置要求值,并设　　定控制码即可实现上述功能,相关程序如图6 所示. 如果假设滚珠丝杠的螺距为d ,步进电机的步距角为α°;进给速度为v (mm/ s) ;行程为s (mm) ;则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度) 为f = 360 v/αd (Hz) ;总脉冲数(即程序中的位置要求值) 为F =360s/da(个) 


4 　结束语

　　
　　PLC 位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点. 因此,它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义. 

1前言
 随着我国经济的高速发展，用电量的日益增加，配电的安全可靠性日益重要。配电网络由配电变压器、配线柜及配电线路构成，配电变压器的安全可靠决定了配电网运行的安全可靠。由于配电变压器分布分散，干扰大，配电变压器之间通讯比较困难，用常规的自动化监测手段难以实现大量配电变压器参数的集中监测。当配电变压器出现故障或者遭到人为破坏的时候，例如出现超负荷运行等情况时，无法及时反映到监控中心，容易造成巨大的损失。本文所述的配电变压器智能化远程监控系统为解决上述问题提供了一套可行的方案。
2系统功能
1. 保护监测功能：变压器电流差动保护、变压器差流速断保护、变压器过流后备保护、过电压保护、电流测量、电压测量、温度测量、功率因数测量、谐波测量。
2. 异常报警功能：遇有报警事件（断路、短路、过载、过热、欠压、停电等）发生时，在本地进行相应的处理，并通过DP模块发送报警信息到配有DP主站卡的中心管理计算机。中心管理计算机收到报警信息后，主动弹出警告窗口，告诉用户哪个监测点发生了报警类型以及解决措施，并提供报警数据。
3. 自保护功能：系统具有自检测和数据掉电保护功能。
3方案设计
和利时公司的HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC具有良好的扩展性能、较高的性价比、良好的抗干扰性和丰富的指令。该方案采用HOLLiAS-LEC G3系列PLC进行数据采集和处理，如图1： 

图1 配电变压器智能化远程监控系统

配电变压器智能化远程监控系统的每个DP从站对本地的配电变压器进行实时测量，包括电流、电压的过载情况，并对设备的运行参数进行在线检测，主要包括温度、压力的工作状态。然后通过DP从站通讯模块把数据传输到监控室的中心管理计算机上，完成整个系统的监控功能。DP从站包括一个CPU模块LM3107、1个4通道的模拟量采集模块LM3310、1个16路开关量输入模块LM3212、1个8路开关量输出模块LM3222和1个DP从站通讯模块LM3401。
每个DP从站通过Profibus-DP总线实现和DP主站之间的通讯。对于配电变压器工作状态的相关数据，模拟量由LM3310采集得到，开关量由LM3107和LM3212直接得到，在CPU模块LM3107里对采集到的数据进行相应的处理，作出各种保护措施，由LM3222输出开关量，然后LM3107将需要传送的模拟量和开关量通过DP通讯模块LM3401实时传输给DP主站。
4方案优势
 本文提出的解决方案有以下的优势：
1. 采用HOLLiAS-LEC G3 PLC检测配电变压器工作状态的相关数据，具有抗干扰性强、维护方便的优点。
2. HOLLiAS-LEC G3 PLC具有很强的通讯能力，对数据传输的实时性提供了保证。中心管理计算机通过Profibus-DP总线把每个配电变压器的相关数据进行汇总，并不断刷新实时数据库。
3. 当配电变压器发生故障时，中央监控室能时间发现故障，并提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见。
5结束语
 该方案已经成功应用于北京地铁1,2号线的配电系统中，运行效果良好。调度人员可以对配电网中全部的配电变压器进行远程监控，监视配电变压器的实时状态参数。该系统不仅提高了工作人员的效率，对于提高整个配电网的安全可靠性也起到了重要的作用。HOLLiAS-LEC G3 PLC很好的抗干扰性和强大的通信功能保证了配电网的安全，从而大大提高了配电网的自动化水平，增强了配电网及地铁运行的安全性与可靠性。