6ES7221-1BF22-0XA8型号含义
嵌入式PLC芯片组 系统软件 内核
如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足更加细分化的市场需求,为了满足这种需求,出现了嵌入式PLC产品。
一、嵌入式PLC
嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内,根据用户控制需要定制硬件,以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成:嵌入式PLC系统软件和芯片组
1、嵌入式PLC系统软件
嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、专家自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。
系统软件包括三个部分。
①嵌入式PLC内核: 它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能,并提供二次开发驱动接口;
②二次开发驱动程序 通过系统软件提供的外挂任务,使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序;
③终端应用程序 指面向工艺流程控制的梯形图语言程序
2、嵌入式PLC芯片组
EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的核心芯片组,作为一款加载了系统软件的硬件平台,可以用来设计通用和专用PLC。
1)芯片组基本性能:
① 供电:+5V 200mA,RAM掉电保护5年。
② CPU: C8051F040。
③ 嵌入扩展能力
●32 I/O:可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
●4 AD: 12位精度,100 KPS。
●2 DA: 12位精度,100 KPS。
④ 通信接口
●CANBUS:系统软件管理,使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
●UART0:系统软件管理,用于梯形图编程、监控,支持人机界面及用户驱动程序下载。
●UART1:系统软件管理,用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。
2)芯片组原理框图:
二、应用开发
基于加载了系统软件的核心芯片组,我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品(可输入标准信号或热电偶信号)。
1、硬件设计
硬件整体结构图如下:
AI0是芯片组内的一个AD转换通道,P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。
(1)信号采集电路
用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路,OP07具有低输入偏移电压(10uV)、低漂移电压(0.2uV/℃)和宽范围的供电电压(±3V-±18V), 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电,R18、R79作为调零电阻,输出电压由下式给出:Vout=Vin(1+R98/R56)。
(2)信号选择电路
选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路,A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0-P1.4引脚,做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0,即个AD转换通道。
2、软件开发
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的,二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51,因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。内核留出了七个用户嵌入程序接口,我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了,需要熟悉如下内容:a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能,16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。
(1)程序规划
T4中断:完成AD转换和16个通道的切换程序
USER_SCAN:PLC资源区中AD值的刷新。
AD转换过程如下:每一通道连续采样16次,采样完后得到累加和,启动下一通道的AD转换。
PLC资源区中AD值的刷新过程如下:在梯形图扫描周期结束时进行,把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。
(2)程序代码
INIT_AD: ;AD初始化
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE
MOV REF0CN, #07H ;内部参考电压/输出到VERF
;启动内部温度传感器
MOV AMX0CF, #00H ;单极性输入
MOV ADC0CF, #0B8H ;D7——D3=SYSCLK/采样时钟-1
;采样转换时钟=1US
;D2——D0=GAIN
;000 GAIN=1
MOV ADC0CN, #90H ;启动AD采样
MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号,初值为0
MOV AD_COUNT, #00H ;16次采样次数计数。初值为0
RET
SAMPLE_AD: ;AD采样开始
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
MOV A, AD_CHANNEL ;采样值的累加和是一个字基地址 ;为#XA I ,偏移地址为AD_CHANNEL
RL A
MOV DPTR, #XAI ;XAI存放16次采样值的累加和
ADD A, DPL ;低字节相加
MOV DPL, A
MOVX A, @DPTR
MOV B, A
MOV A, ADC0L
CLR C
ADDC A, B
MOVX @DPTR, A
INC DPTR ;高字节相加
MOVX A, @DPTR
MOV B, A
MOV A, ADC0H
ANL A, #0FH
ADDC A, B
MOVX @DPTR, A ;#XAI中存放格式为低字节、高字节
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
MOV ADC0CN, #090H ;启动下次AD采样
INC AD_COUNT
MOV A, AD_COUNT
CLR C
SUBB A, #16
JNC FILL_XAI_XAD ;当16次采样完成后,把XAI中16 ;个采样和(2 字节)存放到XAD
RET
3、驱动程序的嵌入
在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”,把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处,使得内核可以调用它,从而完成二次驱动程序的开发。到此,16路模拟量PLC的开发工作基本完成。
三、功能介绍
基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能:1、采集工业现场的多路热电偶信号,2、支持三菱、台达等多家人机界面, 3、支持梯形图编程(86条指令), 4、支持CANbus互连(多机并联运行或扩展单元连接)等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。
嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数,其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号,应用于不同的控温场合,配合PID调节,使受控温度精度可达±1℃。
下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值,该信号AD值放在D5000,转换后的温度值存放在D5160中。
四、结束语
笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明,本着软硬件可裁剪的原则,开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求,节约了硬件成本、缩短了研发周期,并且得到了许多强大的功能,相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。
本文介绍了将PLC用于黄河引黄涵闸现地监控系统自动化改造中的方法,并提出PLC控制系统与涵闸传统的按钮-接触器手动控制系统相结合,实现了闸门启闭的手动控制/PLC控制的切换。文章从系统主要功能、系统组成、系统设计等角度对PLC监控系统加以阐述,并对关键问题提出了解决办法。该系统具有较高的安全性与可靠性,功能强大,是涵闸现地监控系统自动化改造的一种较好的方法,已在山东黄河5座引黄闸上得到了应用。
关键词 PLC 监控系统 自动化改造 闸门启闭 切换
1.引言
现地监控系统是黄河引黄涵闸工作现场的核心环节,其安全可靠的运行是涵闸正常高效工作的保证。在引黄涵闸传统的现地监控制系统中,控制功能是采用按钮-接触器线路,通过按钮操作从硬件上实现启闸和闭闸的。由于电气触点数量多,控制手段落后,难以达到所期望的闸门开度;而工作现场的参数测量手段也极其落后,基本上是采用一些简单的机械测量机构,有的数据甚至要依靠操作人员凭经验进行估算。黄河水量的调度管理主要依靠行政手段和传统的调度方法凭经验进行,工作效率不高。这显然无法满足黄河水资源可持续利用的要求。
使用可编程控制器(PLC)是工业自动化的重要手段,本文提出采用PLC对引黄涵闸传统的现地监控系统进行自动化改造,并保留原有手动系统,实现了涵闸手动控制/PLC自动控制的切换。改造完成后的系统,即PLC监控系统主要控制逻辑由PLC实现,通过控制程序从软件上实现启闭闸,可靠性高;工作现场的参数测量则采用精密的传感器,将测量的信息实时地传给PLC进行处理,从而得到我们需要的数据,准确性高。该系统的组成为模块化结构,采用可编程序的控制器,一旦工作现场发生变化,只需修改控制程序即可,系统维护也变得十分方便。
PLC现地监控系统的建成有利于对涵闸进行安全可靠的控制,有利于对黄河水资源进行科学的调度管理。它也是实现黄河引黄涵闸远程监控的基础。
2.PLC监控系统的主要功能及系统组成
2.1 系统主要功能
(1)完成对涵闸基础数据信息的采集和处理,数据信息的显示则由和PLC相连的触摸屏来完成。这些信息包括水位、闸位、电压、电流等。
(2)通过触摸屏和PLC控制系统实现闸门升降过程的自动化控制。
(3)具有过压、过流、过载、上下限位等保护功能。当系统出现过压、过流、过载、到达上下限位等故障时,一方面通过PLC控制程序实现自动关闸,另一方面给出报警指示信息,使控制间的操作人员能及时采取相应措施。
(4)本系统的控制部分是将传统的手动控制回路和PLC自动控制回路相结合,现地操作人员通过一组切换开关实现手动控制/PLC控制方式的转换。在手动控制方式下,现地操作人员通过按钮启闭闸门;在PLC控制方式下,借助触摸屏可以实现闸门的自动启闭控制。
2.2 系统组成
涵闸PLC监控系统由控制核心设备——带以太网接口的可编程逻辑控制器(PLC)、综合显示控制屏(触摸屏)、电气主回路设备、控制回路设备、自动化元器件等装置构成。本系统采用施耐德Momentum系列PLC。
涵闸启闭机电气主回路设备、控制回路设备包括启闭机、交流接触器线圈、继电器等电气与执行机构。自动化元件主要包括闸位计、荷重传感器和水位计等。
采用触摸屏来操作和显示有关参数。触摸屏和PLC之间通过RS485接口通信。以下是涵闸PLC现地监控系统总体结构示意图(图1):
3.PLC监控系统硬件设计
3.1 输入输出点分析
以二孔涵闸为例,工作现场开关输入量有手动控制/PLC控制信号、上下限位信号、接触器和断路器辅助触点的状态信号等。模拟量输入信号有水位、荷重、电压、电流、温湿度等。开关输出量为控制中间继电器及驱动声光报警器的信号。
3.2 涵闸电气主回路设计图
电气主回路的的核心部分是用两组接触器触点来控制电机的正反转,从而实现涵闸闸门的上升和下降。主回路上的断路器带有分励脱扣线圈,可以实现电机的紧急停机。电路设计图如下(图2):
3.3 涵闸电气控制回路设计图
控制回路的电源是经UPS稳压后的220V交流电。控制回路上有一个转换开关,它可以实现手动控制/PLC控制的切换。控制电机的两组接触器线圈KM1和KM2的常闭触点是互锁的,这种互锁的方式可以避免因按钮的误动作造成上升和下降接触器线圈接通而产生的主回路短路故障。控制回路图如下(图3):
3.4 PLC回路设计图
根据上述的I/O点分析,PLC回路图设计如下(图4):
4.PLC监控系统软件设计
软件要实现的功能除了对工作现场的数据信息进行采集和处理外,核心的环节就是闸门启闭的控制逻辑了。闸门的自动启闭是通过比较闸位(即闸门高度)设定值和闸位当前值后,操作员给出上升或下降控制指令,由控制程序实现的。闸门在上升或下降之前,系统给出10秒的声光报警信号。以下是闸门启闭的逻辑框图:
根据系统软件的设计要求以及闸门启闭的逻辑框图,可以编写出实现监控系统要求的984LL程序(程序在Concept组态环境下编写,是一种梯形逻辑)。以下是监控系统部分控制程序。
4.1 当前闸位检测
闸位计采用倍加福公司生产的编码器。该编码器是多圈值型。单圈的位置信息有13位,圈数信息有12位。共25位,如下所示:
由于25位数据信息被PLC读取后,占用PLC的2个字(32 bits)的内存。检测闸位的关键在于对上述25位数据信息的处理。在精度允许的情况下,可以考虑采用移位的方法,将圈数信息和位置信息移到一个字的内存里,这样方便了处理。以下的程序中,地址400411和400412的内存中存放的圈数和位置信息整体右移了5位,这样圈数和位置信息都放进了地址400412的内存中,圈数8位,位置8位。这样处理丢失了一些信息,对闸位检测来说,依然可以达到很高的精度,极大地方便了处理。经处理后,当前闸位存放在地址为400112的内存中。闸位检测及处理程序如下:
4.2当前闸位与闸位设定值的比较
实现PLC对闸门自动启闭的控制,其关键是当前闸位和设定闸位的实时比较。以下程序中,闸位设定值放在地址为400111的内存中,它是通过触摸屏输入的,当前闸位在400112中。其比较结果将辅助线圈000111和000112置位,这些辅助线圈常开触点的状态即为闸门上升或下降的控制指令信息。当闸位当前值与设定值相等时,线圈被复位,闸门停止动作。图中的000710、000316等地址存放的是系统辅助触点的状态值,比如限位开关的状态等。
5.关键问题的解决
5.1 手动/PLC控制的切换
PLC与传统手动控制系统的衔接方法是,在手动回路与PLC控制回路之间设置切换开关。现地自动启闭闸门时采用PLC自动控制系统;当PLC控制系统发生故障或者有其他特殊因素时采用手动控制系统.
5.2 安全的保护机制
现地监控系统除了有过压、过流、过载及限位保护外,还应在主回路设置带分励脱扣线圈的断路器,保证在紧急情况下能使系统紧急断电。两组接触器辅助触点的状态可作为开关输入量接入PLC。通过判断接触器当前状态的合法性,可大大减少接触器故障引发的事故。
5.3 稳压及信号的防雷措施
为了保证PLC控制系统安全、可靠的的运行,对系统供电电源应采取稳压措施,对输入信号应采取防雷措施。
5.4 程序的调试和保存
监控系统能否安全可靠运行,硬件配置很重要,软件同样很重要。在PLC监控系统中,为了达到设计要求,程序需要反复调试。程序调试完毕后,为了避免控制程序在系统断电后丢失,一定要将程序写进PLC的FLASH存储器中.
6.结束语
与传统按钮-接触器手动控制系统结合,采用PLC实现涵闸启闭的自动控制,增加控制功能,提高系统性能,实现高效自动化生产,其关键是充分发挥PLC的优势,利用其综合监控机制,解决好通信、保护等问题,实现系统手动控制/PLC自动控制的良好切换,提高整个监控系统的综合性能,达到高效生产的目的。