西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8功能介绍
1 引言
以往深沟球面内外套精磨床是采用继电器进行控制的，控制部分体积庞大，响应时间长，且可靠性不高，经常出现故障，磨床磨削工件的功能单一，有的磨床只能进粗磨，有的磨床只能进行精磨。完成一个成品工件加工，先在粗磨磨床进行粗磨，再将其送到精磨磨机进行精磨。基于这种情况，我们采用可编程序控制器对其控制电路进行了技术改造，将两台磨床的功能集中到一台磨床上实现，即粗磨、精磨一次完成。这样不仅可以减小控制部分体积、增强系统的可靠性，提高了系统的利用率，降低了成本，在实际应用中取得了很好的效果，对于工业企业实现相关机床的改造具有较高的应用与参考价值。
2 控制系统的设计思想
根据工件加工工艺的要求，控制系统设定了手动、自动、粗磨精磨定时等方案。
1.手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成各道工序;类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动信号，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。
2. 粗磨阶段：油石的压力较大，主轴低速运转;精磨阶段：油石的压力较小，主轴高速运转。
3.选用8421BCD码数据拨盘对粗磨精磨定时进行控制，工件加工时间可根据工艺要求选择不同的磨削时间，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路。
3 控制系统的硬件设计
控制系统采用日本三菱公司生产的F1-60MR可编程序控制器，其硬件框图如图1 。
由硬件框图可知，系统可完成如下功能：
(1) 主轴低高速自动转换。
(2) 工件架自动进退。
(3) 油石高低频振荡自动转换。
(4) 粗磨、精磨任意选时。
(5) 工件充退磁。
4 控制系统的软件设计
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为四大模块：即手动模块，粗磨单循环模块，精磨单循环模块，循环启动(先粗磨后精磨)模块，由于整个软件结构的路程图较多，这里仅给出主程序流程图见图2和循环启动流程图见图3(手动、粗磨单循、精磨单循流程图从略)。
5 结束语
通过对球面轴承外滚道超精机进行PLC控制技术改造，使得控制电路体积大大减小，消除了由中间继电器和时间继电器触点接触不良引起的系统故障。提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，取得了显著的经济效益。
1 引言
水下电弧有着广泛的用途，其中应用之一是水下制取“电弧气”。制造电弧气的一个关键要素就是保持电弧电压的稳定，使电弧能在水下稳定放电。大电流(1000A，DC)、大功率(50kW)水下电弧放电本身是一个复杂的过程，电弧长度短，具有非线性、变参数、不易稳定等特点。试验表明采用PFC-PID串级控制策略的水下电弧控制系统的动态品质明显优于采用传统PID控制的系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
大多数PID控制都是基于单片机进行，但单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂，特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处，而PLC却是公认的佳选择。随着PLC功能的扩充，许多PLC控制器中都集成了PID控制功能，在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。经过认真的市场调研和技术准备，笔者使用了目前比较先进的PLC技术开发控制系统，对现场各种生产过程信号进行采集.监测、计量。从实际应用的效果来看，该系统具有、可维护性强、性能稳定等优点。
2 系统的工作原理
在水下电弧控制系统中，电弧放电在反应器中完成，气体由此产生。电极控制装置连续地将碳棒电极送入反应器中并维持电极电弧的稳定，从而保持电弧电压和电流的恒定，使得产气成分稳定且产气效率提高。水下电弧控制系统示意图如图所示。
1.控制器，2.伺服放大器，3.220W交流伺服电动机，4.进退限位开关，5.碳棒检测开关，6.前进限位开关，7.阴极碳棒，8.阳极碳棒，9.下棒控制电磁阀，10.反应堆，T.反应罐温度，P.反应罐压力，U.电弧电压，I.电弧电流。
碳棒的进退是通过伺服电机经传动作用来实现控制的。控制器通过不断检测T、P、U、I值的大小及各开关量的状态来控制电机的转速，通过动丝杆传动作用推动碳棒前进，当碳棒前进速度同碳棒燃烧速度一致时，可认为弧长基本不变，从而实现整个电弧的电压电流恒定控制。
由于阴极碳棒相对阳极碳棒燃烧速度较慢，在工艺设计时，将阴极碳棒与推进导杆连为一体，由伺服电机控制该碳棒的进退，其换棒工序需人工手动完成;阳极碳棒则与推进导轩相分离，导杆只可往前推进碳棒，而不能控制其后退，通过位置检测开关检测碳棒是否推进到位，以决定是否进人自动换棒工序。在进行换棒时，电机控制阴极导杆快速后退，另一电机控制阳极碳棒自动跟进，以免断弧。
3 S7-200系列PLC的特点
S7-200为西门子公司生产的SIMATIC系列小型PLC，无论是独立运行，还是相连成网络，皆能实现复杂控制功能，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。此次选用的CPU226有如下特点：24输入、16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13KB程序和数据存储空间;6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有比例、积分、微分(PID)控制器;2个RS485通信-编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力;I/O端子排可很容易地整体拆卸。自由通信是S7-200系列PLC的一大特色。它使S7-200系列PLC可以与任何通信协议公开的设备、控制器进行通信，即可以由用户自己定义通信协议(如ASCⅡ协议)。波特率高为38.4kbit/s(可调整)。可以通信的范围大大增加，控制系统配置也更加灵活、方便。
4 控制系统方案设计
如图2所示，本控制系统的现场控制部分选用了S7-200 Micro PLC CPU226 DC/DC/DC型和SIMATICTP270型触摸式面板作为基层控制部分。PLC与触摸屏间的通讯通过RS-485串行总线完成。PLC控制器本机系统通过其扩展模块主要完成5方面功能：DI(开关量输入)、DO(开关量输出)、AI(模拟量输入)、AO(模拟量输出)、通讯。其中DI口用于检测开关状态(如液位开关、接近开关、光电开关等);DO口用于高速脉冲的发送、变频器的开停控制、各电机的开停控制、电磁阀的控制等。AI用于模拟量的采样，现场模拟量主要包括反映罐温度、压力、电弧的电压电流等，从现场传送到AI模块的信号为4mA～20mA电流信号。AO则根据现场采集到的信号调节模拟量输出大小来控制变频器频率的高低，进而通过变频器来实现对循环泵和气体压缩泵的速度控制。伺服电机的控制则通过告诉脉冲输出控制来完成。在控制柜内部预留出用于其它功能模块的扩展空间，如额外的压力检测、气体浓度检测，还有Medem上网模块，以后系统升级可将现场得到的各种数据通过Modem发送到Internet。
5 系统软件设计
5.1 PLC程序设计说明
CPU226是西门子S7-200系列中的PLC，本机自带24个数字输入口、16个数字输出口及两个RS-422/485串行通讯口，多可扩展7个应用模块。这里通过扩展EM231模拟输入模块来采集电压信号，输入模拟信号可选择OV～10 V、±5 V、0 mA～20mA等多种信号输入方式。终PLC根据输入电压信号的大小控制脉冲发送周期的大小，从而达到控制伺服电机速度的目的。本系统中控制程序主要完成以下几个任务：
1)系统参数的初始化;
2)各种检测开关的读取;
3)电压、电流、工作压力、温度等的读取;
4)电机、变频器、电磁阀等的控制。
为了完成上述各种功能，程序分为七大模块，分别为：
1)初始化程序：完成系统各种参数的初始化，如在控制面板上对参数作了修改，则下次运行时会自动用新参数完成初始化;
2)模拟量的读取：开机工作便开始完成电压、电流、工作压力、温度等的监测与读取，实时传递数据到面板显示;
3)主控程序：完成各子程序使能模块的调用及切换，各种限制及保护功能等;
4)手动控制程序：实现各种控制状态的手动操作;
5)自动控制程序：完成自动换棒、自动补水、自动引弧、各种电机等的控制;
6)控制算法程序：完成对产气压力和工作电弧的恒定控制;
7)PWM/PTO脉冲控制：根据检测到的电弧电压及碳棒状态自动调节脉冲频率或脉冲个数、两个脉冲口的配合与切换、PWM/PTO工作方式的配合与切换等。
5.2 程序控制流程
整个程序的控制难点在于对电弧的控制，本文仅给出电弧控制的流程，如图3所示。电弧控制难的主要原因在于电弧燃烧时其间距较小，容易受到外界干扰，引起控制器的震荡。在换棒过程中，容易出现断弧现象，针对电弧燃烧时阴极和阳极燃烧速度不同设计了以下控制程序(阳极燃烧速度远远大于阴极)。
在换棒时，右电机(控制阳极碳棒)控制滚轴丝杆全速后退，左电机(控制阴极碳棒)则进入PID调节程序自动跟进，当检测到碳棒到位，右电机先控制滚轴丝杆快速前进以弥补虚位，将PID控制切换到右电机上，左电机缓慢后退。
RFID的全称是Radio FrequencyIdentification，即射频识别,它利用无线电射频实现可编程控制器(PLC)或微机(PC)与标识间的数据传输,从而实现非接触式目标识别与跟踪。
一个典型的RFID射频识别系统包括四部分：标识、天线、控制器和主机(PLC或PC)，系统结构图见图1。
图1 RFID射频识别系统结构图
标识一般固定在跟踪识别对象上，如托盘、货架、小车、集装箱，在标识中可以存储一定字节的数据，用于记录识别对象的重要信息。当标识随识别对象移动时，标识就成为一个移动的数据载体。以RFID在计算机组装线上的应用为例，标识中可以记录机箱的类型(立式还是卧式)、所需配件及型号(主板、硬盘、CD-ROM等)、需要完成的工序等。又如在邮包的自动分拣和跟踪应用中，可以在标识中存储邮包的始发地、目的地、路由等信息。
天线的作用是通过无线电磁波从标识中读数据或写数据到标识中。天线形状大小各异，大的可以做成货仓出口的门或通道，小的可以小到1mm。
控制器用于控制天线与PLC或PC间的数据通信，有的控制器还带有数字量输入输出，可以直接用于控制。控制器与天线合称读写器。
PLC或PC根据读写器捕捉到的标识中的数据完成相应的过程控制，或进行数据分析、显示和存储。
本文即以具有代表性的美国EMS(Escort MemorySystems)公司的13.56MHz无源RFID射频识别读写器LRP830为例，介绍了PLC及PC与RFID读写器进行串行通讯，从而获取标识数据，用于控制或数据处理的具体实现方法。
2 RFID射频识别读写器的命令集及串行通讯协议
以LRP830读写器为例，LRP830是EMS13.56MHz无源系列射频读写器中的一种，它的标识和天线可以在水下或高温腐蚀环境中正常工作，可以一次读写99个标识，大读写距离63.5cm。它带有两个串口，一个DeviceNet接口，4个DI隔离输入，4个DI隔离输出，保护等级IP66，NEMA4封装，非常适合于在工业自动化中应用。
LRP830读写器上的串口是合在一起的，通过专用电缆可以分接出COM1和COM2两个串口，两个串口作用不同，COM1用作通讯口，从PLC或PC接收命令并返回响应数据,可以配置为RS232、RS422或DeviceNet接口。COM2用于配置系统参数(如读写模式、波特率等)或下载系统升级程序。
LRP830可以与所有EMS的FastTrackTM系列无源标识结合使用，每个标识中可以存储48个字节的数据，还有8个字节用于存储只读的唯一的序列号(出厂前由厂方设定)。
LRP830提供了单标识读写命令集(见表1)，多标识读写命令与此类似。
表1 单标识命令集
每种命令可以有三种通讯协议：ABxS 、ABxF 、ABx ASCII。表2是ABxS通讯协议持续读单标识命令的一个例子，其它命令与此类似。
表2 ABxS协议持续读单标识命令举例
3 RFID读写器与PLC串行通讯
以EMS RFID读写器LRP830 与GE Fanuc VersaMax PLC的串行通讯为例。VersaMaxPLC的RS232串口与LRP830的COM1接线对应关系见表3。
表3 VersaMax与LRP830读写器的串口接线对应关系
通过PLC控制RFID读写器读写标识数据的实现流程如图2所示。
图2 PLC读写RFID标识数据的程序结构框图
以下是具体实现时要注意的技术细节：
1) LRP830与VersaMax PLC的串口相连时，信号线要错线，即VersaMaxRS232口的TXD/RXD要接LRP830 的COM1的RXD/TXD，LRP830与PC连接时则是直通的。
2)PLC使用串行I/O通讯协议与RFID读写器通讯。串口初始化、设置缓冲区、清除缓冲区、写串口、读串口状态等操作都是先通过一组BLKMOVWORD指令给COMMREQ的数据块赋值，执行COMMREQ指令完成的。例如，以下语句(见图3)通过RFID读写器写10个FF(46H)到标识中，从个字节写起。
图3 PLC与RFID读写器串行通讯例程
3) 要注意PLC写标识数据只需要执行写串口命令就可以了，而PLC读标识数据的过程则包含两步：一是PLC执行写串口命令,即写读标识命令到RFID读写器;二是PLC执行读串口命令，捕捉RFID读写器返回的数据。这是由于RFID读写器在接到读标识命令后,会返回读命令的响应信息到串口缓冲区,其中包含了读到的标识数据。
4)使用ABxS协议时，要注意命令字的MSB和LSB的顺序问题。RFID读写器与PLC通讯时，要将读写器指令的MSB和LSB颠倒一下，即LSB在前，MSB在后。例如图3中，第二个BLKMOVWORD指令的第三个输入IN3应为16#4AA，而非16#AA04。
5)利用读写器指示灯的变化辅助PLC程序调试。LRP830读写器的面板上有两排LED指示灯，其中，当“ANT”亮时，表示天线在执行读写操作;“COM1”亮时，表示串口1执行了写命令，“RF”亮时，表示有标识被读写且仍在读写范围内。
4 RFID读写器与PC串行通讯
仍以EMSRFID读写器LRP830为例。与PC机相连时，LRP830的COM1/COM2与PC机的9针串口COM1/COM2的连接对应关系见表4。
表4 LRP830的串口与PC串口连接对应关系
在PC机上开发串口通讯程序，可以使用现有的通讯控件(如VB的Mscomm)，也可以使用编程语言结合bbbbbbsAPI实现。本文用Delphi6在bbbbbbs2000环境中，应用多线程技术实现了PC与RFID读写器间的串行通信。使用Delphi的优点是，Delphi对许多bbbbbbs底层API函数作了封装，简化了程序代码。使用多线程的优点是，程序编写比较灵活，串口监听线程不影响主线程其它任务的执行。程序结构框图见图4。
图4 程序框图
在具体实现上述思路时，要注意以下技术细节：
1)根据RFID读写器通讯协议的特点，读写器每执行一个主机发来的指令，无论是读标识还是写标识，都会返回一定字节的响应数据，用以确认命令已执行或返回标识中存储的数据。主机读或写标识数据都需要先写(串口命令)后读(返回的串口数据)。
2)为了使程序体现模块化的设计思想，易于调试和维护，可以把各种RFID命令预先存入命令数组中，而把主机对RFID串口的命令和捕捉RFID读写器命令响应编制成单独的子程序，在调用它之前，先调用命令字赋值子程序。
3)对主线程的说明：在主线程中用CreateFile函数建立串口事件，设置缓冲区和通信参数，创建串口监听线程。用WriteFile写串口函数完成通过RFID读写器写数据到标识中。部分程序如下：
……
hcom := CreateFile(pchar(Whichcom), GENERIC_WRITE orGENERIC_READ,
0, 0, OPEN_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, 0); //产生串口事件
setupcomm(hcom,TOTALBYTES,TOTALBYTES); //设置缓冲区
getcommstate(hcom,lpdcb);
lpdcb.BaudRate:=BAUDRATE; //波特率
lpdcb.StopBits := STOPBIT; //停止位
lpdcb.ByteSize := BYTESIZE; //每字节有几位
lpdcb.Parity :=PARITY; //奇偶校验
setcommstate(hcom,lpdcb); //设置串口
Mycomm := Tcomm2.Create(False); //创建串口监听线程
WriteFile(hcom, WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer),lpBytesSent,0);//写标识命令
……
4) 对串口监听线程的说明：
程序中用到的方法主要有Synchronize和Terminate。Synchronize是Delphi提供的一种安全调用线程的方法，它把线程的调用权交给了主线程，从而避免了线程间的冲突，这是一种简单的线程间同步的方法，可以省去用其它语言编程时需要调用的多个bbbbbbsAPI函数，例如createEvent(创建同步事件)，Waitforsinglebbbbbb(等待同步事件置位)，resetevent(同步事件复位)，PostMessage(向主线程发送消息)等。用Delphi编写多线程通讯程序的优点是显而易见的。例如以下语句即可实现串口监听线程：
……
While (not Terminated) do //如果终止属性不为真
Begin
dwEvtM
ask:=0;
Wait := WaitCommEvent(hcom,dwevtmask,lpol); //等待串口事件
if Wait Then
begin
Synchronize(DataProcessing); //同步串口事件
end;
end;
上述程序一旦检测到串口事件，就调用DataProcessing方法读串口数据，并写入数组，供程序其它部分调用，还要检测何时退出线程，程序如下：
procedure Tmainbbbb.DataProcessing
begin
bbbbb := bbbbbCOMMERROR(hcom,lperrors,@comms); //清除串口错误
if bbbbb Then
Begin //处理接收数据
ReadFile(hcom,ReadBuffer,Comms.cbInQue,LPReadNumber,0);
ReceBytes[I+ArrayOffset] := ReadBuffer[I];
//读串口缓冲区数据并写入数组
gameover := (ReceBytes[I+ArrayOffset-1]=Byte($FF))
and (ReceBytes[I+ArrayOffset]=Byte($FF)); //终止条件
if gameover then terminate; //退出线程
……
End;
End;
其中，Terminate将线程的Terminated属性设置为True。线程一旦检测到Terminated属性为True，就会结束线程，去执行Onterminate事件，在Onterminate事件中对采集到的RFID标识数据进行处理。由于RFID读写器的ABxS协议的命令响应的后两个字节都是FF，可以将收到连续的两个FF作为终止线程的条件之一。
程序应用举例：
以持续读标识中所有48字节数据命令为例，在程序中用WriteBuffer数组保存该命令，对WriteBuffer数组的各个元素赋值如下：
WriteBuffer[0] := Byte($AA); WriteBuffer[1] := Byte($0D);//连续读标识命令字头
WriteBuffer[2] := Byte($00); WriteBuffer[3] := Byte($00);//从个字节开始读
WriteBuffer[4] := Byte($00); WriteBuffer[5] := Byte($30);//读48个字节数据
WriteBuffer[6] := Byte($00); WriteBuffer[7] := Byte($02);//延时2秒
WriteBuffer[8] := Byte($ff); WriteBuffer[9] := Byte($ff);//连续读标识命令字
执行持续读标识命令后，程序以WriteBuffer数组写串口，RFID读写器执行此命令，并返回响应数据(见图5)。
图5 持续读标识命令执行结果
从图5窗口中可以看到，前4个字节AA OD FF FF就是LRP830读写器对持续读命令的确认信息，是数据报文头AAOD和标识中48个字节的数据(每字节数据前加00)，后是数据报文尾FF FF。