西门子6ES7223-1PM22-0XA8介绍说明
1 DCS系统概述
集散控制系统DCS指的是控制与现场分散、地域安装分散、管理和显示集中。在自动化领域，越来越多的企业建立了包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化管控平台，建立了以工业控制网络技术为基础的企业信息化平台。
2 PLC系统
PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单。
3 网络通信技术
工业以太网在技术上与商用以太网兼容，但在环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需要。它具有一系列的优点，具体表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等。它提供了控制网络的数据传输的以太网标准。主要有：
（1）10Base—T以太网一同轴电缆，10Mbit／s；
（2）快速以太网一光缆或双绞线，100Mbit／s；
（3）Gigabit以太网一光缆或双绞线，1Gbit／s；
（4）10Gigabit／kGigabit以太网一支持广域网WAN和城域网MAN。它以通信网络作为纽带，网络结构可分为总线型、环型和星型式，采用总线式网络的DCS如I／AS等。它采用网络通信技术。这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。DCS与PLC之间的数据通讯和控制的实现就是通过网络通信技术来完成的。
4 Modbus协议
Modbus协议是典型的工业以太网，原为美国Modbus公司PLC产品通信协议，由于其使用十分广泛，后来由Modbus组织，于2002年发展为ModbusTCP／IP规范。
Modbus协议在工业控制中有着极其广泛的应用。DCS与PLC之间的通信技术就是在此协议基础上实现的。Modbus协议主要内容有以下几个方面。
（1）接口标准RS485是计算机或终端与Modem之间的一种接口标准，是在RS232C标准的基础上发展而来的。在许多工业环境中，要求用少的信号线来完成通讯任务。目前广泛使用的RS485串行接口总线正是适应这种需要而出现的。采用RS485互连的网络信号传输线为双绞线，某一时刻两个站只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，只能支持半双工通讯。RS485用于多站互连十分方便，除了节省昂贵的信号线，它还可以高速远距离传送。
（2）功能码在支持Modbus的系统之间交换数据的类型由功能码FC控制。可用于实现位一位数据交换的功能码有：FCO1读线圈（输出）状态、FC02读输入状态、FC05强制单线圈、FC15强制多线圈。可用于寄存器间数据交换的功能码有：FC03读保持寄存器、FC04读输入寄存器、FC06预设单寄存器、FC16预设多寄存器。每种功能码对应特定的起始地址范围，数据传输量因类别不同而异。
（3）传输参数传输参数包括传输率、数据位、停止位和校验位。在串行通讯中，每个字节被逐位按一定的顺序发出。对于异步串行通讯，为保证收发双方同步，不仅应使收发双方传输速率相同，还要在每个数据位的基础上附加辅助位。
a）传输率（波特率）：指数据传输的速度，单位是位／秒（bps）。
b）数据位：描述多少位代表一个传输的字符。
c）停止位：定义传输两个字符可能的小时间间隔。
d）校验位：用于判断字符传输错误，保护数据。
它定义完成传输数据位的总量是奇数或者偶数。当选择“NO校验”时，不传输校验位，这会降低数据传输的安全。
（4）协议参数协议参数主要有：从站地址、操作方式、多字符延迟时间。
a）从站地址：指定Modbus从站地址，哪个CP将响应。1个主站多可向247个从站发出通讯请求，Modbus报文形式为请求／响应帧方式，仅当主站请求指令字符串以“00”开头时，会被所有从站接收。
b）操作方式：有正常方式和冲突禁止两种。冲突禁止方式下忽略收到的错误信息继续传输。
c）多字符延迟时间：正常情况下，字符和字符的发送时间间隔很小。对于接受方，如果发现字符间隔超出允许值，可认为信息帧结束或传输异常。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。
一 四轴联动简易机械手的结构及动作过程
机械手结构如下图1所示，有气控机械手（1）、XY轴丝杠组（2）、转盘机构（3）、旋转基座（4）等组成。
图1 机械手结构图
其运动控制方式为：（1）由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手（有光电传感器确定起始0点）；（2）由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动（有x、y轴限位开关）；（3）可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转（其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成）；（4）旋转基座主要支撑以上3部分；（5）气控机械手的张合由气压控制（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开）。
其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，充气，机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到**控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
1. 步进电机及其驱动器
机械手纵轴（Y轴）和横轴（X轴）选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，大3A的8种输出电流可选，大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于**电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
2. 伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式（脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应**2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，**系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。
3. 直流电机
可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
4. 旋转编码器
在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的**定位。
5. PLC的选型
根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1. 软件流程图
流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，终完成程序的设计。写出流程图非常关键也是程序设计要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。
图2 软件流程图
2. 程序部分
由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。
图3 程序列表
当你写完梯形图，后写上END语句后，必须进行程序转换，转换功能键有两种，在下图5-8的箭头所示位置。
在程序的转换过程中，如果程序有错，它会显示，也可通过菜单“工具”，查询程序的正确性。
只有当梯形图转换完毕后，才能进行程序的传送,传送前，必须将FX2N面板上的开关拨向STOP状态，再打开“在线”菜单，进行传送设置，如下图5-9所示：
图 5-9
根据图示，你必须确定你的PLC与计算机的连接是通过COM1口还是COM2口连接，在实验中我们已统一将RS-232线连在了计算机的COM1口，你在操作上只要进行设置选择。
写完梯形图后，在菜单上还是选择“在线”，选中“写入PLC（W）”，就出现如图5-9
图 5-9
从图上可看出，在执行读取及写入前必须先选中MAIN、PLC参数，否则，不能执行对程序的读取、写入，点击“开始执行”即可。
1 引言
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、**的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的有效、便捷的工具，PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。
2 PLC系统设备选型
PLC主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
目前市场上的PLC产品众多，国外品牌有德国的SIEMENS;日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产品牌有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC的选型应从以下几个方面入手。
2.1 确定PLC 控制系统的规模
依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。
小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。
中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。
大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的PLC,如SIEMENSS7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。
2.2 确定PLC I/O 点的类型
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。
根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。
电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。
2.3 确定PLC编程工具
（1） 一般的手持编程器编程。手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。这主要用于微型PLC的编程。
（2）图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。
（3） 计算机加PLC软件包编程。这种方式是效率高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中PLC系统的硬件组态和软件编程。
3 PLC控制系统的设计
PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
3.1 PLC控制系统的硬件设计
硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。
（1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。
PLC输入电路电源一般应采用DC 24V,其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。
（2）PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6 次以下，应继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。
如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。
当PLC扫描频率为10次／min以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载