西门子6ES7231-0HC22-0XA8详细解读
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1、引言
近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。
通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
2、变频器简介
交流电动机的转速n公式为：
式中: f—频率;
p—极对数;
s—转差率(0～3%或0～6%)。
由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。
3、PLC模拟量控制在变频调速的应用
PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、
图1 对变频器进行速度控制的信号输出
图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
图2 变频器的控制及动力部分接线图
3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
（1）模拟量模块输出信号的选择
通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10V或0~5V电压信号以及4~20mA电流信号。这里我们选择0~5V的电压信号进行控制。
（2）模拟量模块的增益及偏置调节
模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20mA时。
图3 模块的增益设定
（3）模拟量模块与PLC的通讯
对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而重要的则是对缓冲存储器(BFM)的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如附表。
附表 BFM的定义
从附表中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中：
#16为输出数据当前值。
#17:b0:1改变成0时，通道2的D/A转换开始。
b1:1改变成0时，通道1的D/A转换开始。
（4）控制系统编程
对于上例控制系统的编写程序如图4所示。
图4 控制系统编程
在程序中：
1) 当M67、M68常闭触点以及Y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当M62、M557常闭触点以及Y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。
2) 通道1
将保存个数字速度信号的D998赋予辅助继电器(M400~M415);
将数字速度信号的低8位(M400~M407)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b1=1;
使BFM#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号D/A转换。
3) 通道2
将保存第二个数字速度信号的D988赋予辅助继电器(M300~M315);
将数字速度信号的低8位(M300~M307)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b0=1;
使BFM#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号D/A转换。
4) 程序中的K0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，因此为K0，假如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将K0改为K1即可。
（5）变频器主要参数的设置
根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。
3.2 注意事项
(1) FX2N-2DA采用电压输出时，应将IOUT与COM短路;
(2) 速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。
4、结束语
上述控制在实际使用过程中运行良好，很好的将PLC易于编程与变频器结合起来，当然不同的可编程序控制器的编程和硬件配置方法也不同，比如罗克韦尔PLC在增加D/A模块时，只要在编程环境下的硬件配置中添加该模块即可。充分利用PLC模拟量输出功能可以控制变频器从而控制设备的速度，满足生产的需要。
汽车传动轴固定节是汽车驱动系统中一个重要的零部件，传动轴固定节的端面，如图1示。由于固定节中6粒钢球由工人手工进行安装，有可能发生少装的情况，如不及时发现，将出现质量问题，影响产品的正常使用和企业的声誉。因此根据厂方要求设计了此套系统，系统采用无损检测，运用图象处理与模式识别技术，对CCD拍摄到的图象进行处理，作出漏装与不漏装判断，并对漏装工件进行声光报警。
图1 汽车传动轴固定节端面
一、系统组成与控制过程
1. 系统组成
系统主要由机械部分、电气部分、控制部分组成。机械部分主要是完成零件的传送（从安装位置到检测位置，再送到下一个工序的加工位置）、定位（保证零件与摄像头的同心度）以及不合格零件的剔除；电气部分有传感器、汽缸等执行机构组成；控制部分采用PLC和工控机集成控制。系统硬件配置主要有工控机、可编程控制器、CCD摄像头、图像采集卡、I/O接口板、传感器等硬件及部分外围电路组成，它们的结构，如图2示。
图2 系统组成图
2. 控制流程
系统由工控机作为上位机，PLC作为下位机。系统的自动控制流程为：
工控机与PLC进行通信握手，表明一切就绪；
送料位置传感器检测到工件，发信号给PLC；
PLC根据测量位置传感器状态判断测量位置是否有工件；
如果测量位置没有工件，则PLC发信号驱动汽缸，放开送料挡块；
测量位置传感器检测到工件已经到达，发信号给PLC；
PLC进行延时，目的是让工件稳定有利于拍摄，然后发信号给工控机并延时，目的是让计算机进行图象处理与模式识别；
工控机执行程序由CCD摄像头摄取图像，由工控机实时处理图像，作出漏装或非漏装判断结果。把结果发给PLC；
PLC判断结果信息，如果全装且翻转位置无工件，发信号驱动汽缸放开定位挡块；如果漏装，PLC发信号驱动报警灯和蜂鸣器，进行声光报警由工人手工剔除。
PLC判断下料槽是否可以下料，若可以则翻转工件进入下一道工序。重复顺序执行2～8，就达到了系统的自动检测。从执行过程中可以看到，前后两个位置都实现了互锁。系统控制流程，如图3示。
图3 系统流程
在这个系统中，实现了工控机与PLC的集成控制。工控机主要完成对图象的处理，PLC完成对现场控制信号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/O卡来实现。控制系统物理结构，如图4示。
图4 控制系统物理结构
二、系统硬件模块
系统硬件模块主要分为数据采集子系统，微机基本子系统，数据分配子系统及基本I/O系统。它们之间的结构，如图5示。
图5 硬件结构组成
1. 微机基本子系统
它是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。
2. 数据采集子系统
用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。
3. 数据分配子系统
实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。
4. 基本I/O子系统
用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出检测结果、动态显示测控过程、发出报警信号等。
三、系统软件设计
软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自顶向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。
1. 上位机软件设计
上位机监控软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：
(1) 初始化模块
硬件初始化
对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。
软件初始化
包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。
(2) 数据采集模块
控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。
(3) 检测/控制模块
对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。
(4) 中断管理模块
针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。
(5) 显示管理模块
用于实时更新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。
(6) 时钟管理模块
包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。
(7) 故障自诊断与处理模块
它是提高系统的可靠性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机监控软件主要程序流程，如图6所示。
图6 上位机监控程序框图
2. PLC软件设计
PLC的程序采用了模块化设计方法，由主程序、手动控制程序、故障处理程序等模块构成。根据系统要求，PLC的I/O分配，如表1示。
(1) 输入输出信号
表1 PLC输入输出信号
(2) 梯形图编制
根据控制过程及输入输出信号编制出梯形图。PLC采用循环扫描方式，按梯形图从上而下，从左而右的先后顺序予以执行。同时，前后两个工件位置都进行互锁。部分梯形图，如图7示。
图7 定位工位梯形图
R001是内部继电器，表示选择“自动”，当PLC得到信号X010时，即传感器检测到定位工位有工件时，延时并输出允许摄像信号Y000，然后再延时2s（等待计算机作出判断）并且当翻转汽缸不在原位和翻转工位无工件时，输出工件可以离开定位工位信号。如果PLC接到计算机发出的“工件不合格”信号，即X014后，报警，直到按复位键停止报警。
四、计算机与PLC的通信
在计算机与PLC的集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信问题。在本课题中，对于计算机与PLC之间的通信，我们考虑了两种实现方法：一种是利用串口通信，另外可通过I/O卡来实现。由于串口通信在实时性、可靠性、抗干扰性等方面都没有I/O卡好，又根据厂里具体情况，后还是选用了后一种方法。I/O卡即开关量输入输出卡，在此项目中，我们选择了PCL—724，24位数字I/O卡，传输速率为300KB/s。该I/O卡具有2个八位端口（A，B），端口地址范围为200H～3FFH，两端口都可以进行输入输出操作，在进行输入输出操作时，无需进行握手，因为数据可以直接写或读到设定的端口。由PLC输入输出信号表可以看到，PLC需要接收计算机3个信号，计算机需要接收PLC一个信号。它们的通信协议定义与地址设定，如表2示。
表2 计算机与PLC的通讯协议定义与地址表
五、结束语
本系统是PLC与工控机集成控制的很好应用，投入运行后，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。该系统在工业现场控制方面，尤其在PLC控制方面，以其zhuoyue的控制功能和良好的性能价格比，赢得了用户的广泛赞誉。
