西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0型号含义
1 通信系统联网结构
可编程控制器的联网结构主要指从物理上把各个节点连接起来形成网络，实现通信，构成更强大的控制系统，常用的连接结构主要有链接结构和网络结构。在通信网络中，各网络节点、各用户主机进行通信，必须遵守一套事先制定的规则协议，1979年化组织提出了一套开放式系统互联参考模型，定义了各种设备连在一起进行通信的结构框架。
组网控制系统的控制器为三菱FX2N-48MR型可编程控制器，选用RS-232C/485转换接口以及FX-485ADP通信模块组成1：8的联网控制系统，实现控制和监控数据的发送与接收，上位计算机监视PLC间的数据通信，开发程序的修改由上位机PCc机编写与下载。上位机与PLC联网通信系统结构图如图1所示。
图1 上位机与PLC联网通信系统结构示意图
2 通信协议及通信格式
1) 系统的通信协议
三菱FX2N-48MRPLc的传输参数和传输控制协议设置在内部寄存器D8120，寄存器参数设置可由b0设置数据长度;b1b2设置奇偶校验;b3位停止位设置;b4-b7位控制波特率的设置位;b13位为和校验位;b14位为协议位;b15位为传输控制协议设置。在该组网控制系统中通信方式采用半双工，同步方法采用起始停止位方式同步，传输速率为9600bps，起始位为1位，数据长度为7位，奇偶校验为偶校验，停止位1位，使用校验和，采用三菱公司专用协议，D8120设置为H6082。
2) 站号的设置
网络控制系统中明确各个PLC控制器的站号，用可编程控制器提供的数字来确定计算机在访问的哪个可编程控制器。在三菱FX2N-48MR型PLC中，站号由D8121寄存器来确定，可以应用指令MOVEKXD812l，其中x可从00H到0FH。在该系统中站号设定为0—7。系统采用面向字符的通信协议，数据传输以帧为单位，上位机与下位机每次只传送一帧信息，主站发出命令帧发起通信，被访问的从站PLC相应含有自己从站号的命令，从站发出一个响应帧，该从站就通知主站与哪台从站进行通信。
信息帧格式如图2所示。
图2 命令帧、响应帧和确认帧格式
ENQ计算机发出请求，ASCII码为05H：ACKPLc对计算机的提问做出确认回答，ASCII码为06H;NAKPLC对计算机的提问做出否认回答，ASCII码为15H;STX信息帧开始标志，ASCII码为02H;ETX信息帧结束标志，ASCII码03H。PC机向PLC发出的命令PLC不理解时用NAK回答。
3) PC机向PLC发送报文格式
PC机向PLC发送的报文格式如下：
其中STX为开始标志02H;ETx为结束标志03H;CMD为命令的ASCII码;SUMH，SUML为CMD到ETX按字节求累加和，溢出不计。由于每字节十六进制数变为两字节ASCII代码，故校验和SUMH与SUML。
PLC对PC机应答报文格式如下：
对读命令的应答报文数据段为要读取的数据，一个数据占两个字节，分上位下位。对写命令的应答报文无数据段，而用ACK及NAK作为应答内容。
4) 传输过程
PC机与FX2N-48MR之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。PLC根据PC机的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，无需用户在PLC一方编写程序。
3.通信的实现
根据PC机与FX2N-48MRPLC的传输应答过程编制出如图3所示的通信程序流程图。按照流程图可以编写出通信程序实现PC机与PLC之间的串行通信以完成数据的读取。
图3 通信程序编写流程图
4 结论
本文所述PC上位机实现对下位机PLC的联网控制方案已经得到成功应用，提高了可编程控制器的控制范围和规模，增加了系统监控和智能管理水平，易于实现程序开发和利用
0.引言
为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生点有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件容易出故障，以便采取措施。现以我厂特种水泥1号线的PLC过程控制系统为例，对PLC过程控制系统故障分布规律进行分析，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和U常维护有所帮助。
1.系统故障的概念
系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I／O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I／O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。
2.系统的故障统计及分析处理
2.1我厂特种水泥1号线过程控制系统简介
2000年该系统改造时采用日本二菱公司的A2系列PIC为核心组成的PLC过程控制系统。系统配置如图1。
图1 系统配置框图
该系统有2个集中控制室：窑尾控制室和窑头控制室，其中窑头控制室为主站；2个现场工作站：窑尾生料自动配料工作站和窑尾成球盘自动加水成球工作站；2个电视监控系统：预热器进口下料监控和窑头电视看火。现场工作站是独立的微机自动控制系统，它与主站只进行模拟量的通讯和开关量的联锁。主站与从站间采用帧同步全双工通讯方式：
2.2系统故障数据的统计
该系统运行近3年来PLC故障统计如表1。
现场控制设备故障统计如表2
经统计，系统故障共计126次，其中PLC的故障比例约为4．7％，现场部分故障比例约为95．3％，：对照其他PLC过程控制系统的故障数据，并考虑该系统运行时间不是很长，该比例比较接近一般PLC过程控制系统的故障分布规律，有一定的普遍性。一般来讲PIC部分的故障比例约为5％，现场控制设备的故障比例约为95％。
PLC过程控制系统故障分布的估计图[1]如图2。
图2 系统的故障分布
2.3系统故障分析及处理
2.3.1PLC 主机系统
PLC主机系统容易发生故障的地方一般在电源系统和通讯网络系统，电源在连续工作、散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通讯及网络受外部干扰的可能性大，外部环境是造成通讯外部设备故障的大因素之一。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。
2.3.2 PLC的I／O端口
PLC大的薄弱环节在I／O端口。PLC的技术优势在于其I／O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I／O模块是体现PLC性能的关键部件，它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I／O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。
2.3.3现场控制设备
在整个过程控制系统中容易发生故障地点在现场，表2列出了现场中容易出故障的几个方面。
1)类故障点(也是故障多的地点)在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，发热变形直至不能使用。在该生产线上所有现场的控制箱都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内 元器件的使用寿命明显要长。减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。
2)第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我厂对此类设备建立了严格的点检制度，经常检查阀门是否变形，执行机构是否灵活可用，控制器是否有效等，很好地保证了整个控制系统的有效性。
3)第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该生产线窑尾料球储库上的布料行走车来回移动频繁，现场粉尘较大，接近开关触点出现变形、氧化、粉尘堵塞等从而导致触点接触不好或机构动作不灵敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。
4)第四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。
5)第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，要在PIC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。
6)第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声(干扰)，问题的解决或改善主要在于工程设计时的经验和日常维护中的观察分析。
要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺和安全操作规程，严格执行—些相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，在生产中也要加强这些方面的霄理。
结束语
过程控制系统本身是一个完整的系统，在分析故障或处理故障时也要注意系统性，单独的对某一部分的优化有时并不能提高系统的整体性能。如过分追求元器件的精度而不考虑实际的需要以及和相关设备精度的匹配，将徒然增加系统成本。在日常维护中也有过把系统越改越复杂的现象，如采用复杂的控制方式和设备来实现本可以用简单装置来实现的控制，违背了经济、简单、实用的原则，并可能会增加故障率，这也是要注意的地方
3.2 控制器
系统的关键的设备部分是PLC。PLC是以单片机为核心专门用于工业过程自动化控制的电脑器件，具有极高的可靠性和稳定性。本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU222PLC作为控制的核心，利用CPU222的2路独立的20KHz的高速脉冲输出来控制步进电动机的运动。此高速脉冲信号不能直接驱动步进电动机，需通过步进电机驱动器将功率放大后才能起作用。5路数字量输入分别与5个传感器相连接，用来判断步进电机的位置、工件的位置、刀头的位置。14路数字量输出中，有6路用来控制步进电机驱动器，8路用来控制电磁阀开关。
PLC本机有一个通讯口，为标准的RS-485借口，在PLC与上位机进行通讯时需将RS-485接口转换成标准的RS-232接口，可以采用四门子提供的隔离型PLC/PPI电缆进行转换。该电缆有拨码开关可以进行设置。在上位几上将控制软件编写好后，通过此线下载程序并监视程序的运行情况。为了降低成本，在程序调试好以后就可以不必用上位机进行操作和控制，而是用简单的操作面板即可。本系统选择是DP210操作面板。
3.3 系统的外设
根据系统对刀具加工精度的高要求，选用步进电机来控制加工程序。步进电机可以jingque到一个脉冲，在本系统中一个脉冲的精度是0.005mm。步进电机驱动器用于驱动步进电机,从而控制刀头的动作,完成平头。步进电机驱动器接收到PLC的信号,包括CP步进脉冲信号,DIR方向信号,FREE脱机信号,经过其内部的功放电路和处理电路后输出到后面连接的两相步进电机。步进电机根据信号的编号来产生相应的动作。电磁阀直接接受来自PLC的控制信号产生动作。PLC直接接受传感器的信号,通过内部程序的运算和逻辑判断来决定输出。
变频器用来控制主轴三相电机的转速。本系统中变频器采用基本参数运行模式,由电位器来设定运行频率,变频器的启动和停止由外部端子控制.根据不同工件的特点,通过旋转电位器来改变主轴电机的转速,外部端子的信号由PLC的第12路数字量输出控制。
4、系统的软件设计
系统的软件包括人机交互界面DP210程序和系统的主控程序。DP210程序完成操作人员同PLC之间的对话，主要是各个操作画面之间的相互转换和每个操作画面当中各个按键动作所对应的PLC程序的控制位。程序画面要与生产现场的工作流程相适应，越是前面的画面就越是使用率高的画面。
PLC程序接收到DP210的操作信号后，按照工作要求进行整个刀头工作的控制。主程序的流程图如图3所示。PLC主控程序中的核心控制是对步进电机的控制，启动1#步进电机的程序如图4，控制电机方向的程序如图5。
图3 主程序流程图
图4 1#步进电机启动程序
图5 1#步进电机方向选择程序（2#步进电动机的运动控制类似1#步进电动机）
5、结束语
本文所设计的系统操作简单，加工产品范围广，加工精度高，已经成功应用于生产实践中。该平头机目前已经在某材料生产厂进行规则几何体的平头。自从开始生产以来，该系统运行稳定，产品质量显著提高，废品率明显下降。极大的减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，还可以用于其它器件的平头。我们设计一定范围内的刀头尺寸以适应不同工件尺寸的平头动作，且具有可更换功能。
三、置位/复位指令型顺序控制系统设计法
1．步进阶梯设计图5a为用置位/复位指令设计的顺序控制系统步进阶梯。其设计依据也是图1所示的控制流程。该步进阶梯结构的特点是每步的辅助继电器都有一个置位线圈和一个复位线圈，二者编号相同。步1利用置位指令S使辅助继电器M1置位（即M1线圈得电后内部自锁），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号。当步2的转步主令信号发出（X2闭合），指令S使M2置位，建立步2程序，复位指令R使M1复位，撤销步1程序。同理可画出后续各步继电器置位/复位梯形图。当后一步完成并回到原位（X1闭合）时，指令R使M4复位，系统的工作循环结束。
2．输出阶梯设计图5b为输出阶梯结构，与图4b完全相同，不再赘述。
图5 置位/复位指令型顺序控制电路
四、移位指令型顺序控制系统设计
1．步进阶梯设计设计依据如图6所示。图7a为按图6所示要求采用移位指令设计法设计的顺序控制系统步进阶梯，这种步进阶梯由一个8位移位寄存器（由移位指令定义辅助继电器M20～M27而成）作为控制元件。该移位寄存器中的IN为移位数据输入端，CP为移位脉冲输入端，R为复位端。这三个输入端的输入信号均为脉冲上升沿有效。对顺序控制系统来说，输入IN的信号必须是一个单脉冲信号，即移位数据为“1”。起动步1时，IN和CP输入按钮信号X0的脉冲上升沿后，在IN端生成的移位数据“1”便移入移位寄存器的M20位，此时该位有输出（即输出M20的常开触点闭合信号），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号；M20的常闭触点即时断开IN输入端和CP的步1输入端，完成数据“1”输入和移位脉冲输入。从步2起，本步的转步主令信号一发出（X2接通），便输入一个移位脉冲上升沿，使原来移入M20位的数据“1”移入M21位，建立步2程序，并为步3提供步进条件信号。移位后，M20位的状态变为0，即其相应的步1被撤销，输出为0。依此类推便可实现整个步进阶梯逐步得电和逐步失电。后一步完成并回到原位（X1接通）时，接通移位寄存器的复位端R，使移位寄存器复位清零，整个控制系统失电停止。
图6 移位顺序控制流程图
图7 移位指令型顺序控制电路
设计这种步进阶梯时要注意以下问题：（1）在一个自动工作循环内，移位寄存器的移位数据输入端IN只允许起动时输入一个单脉冲信号。也就是说起动时只能输入移位数据“1”。步进阶梯的工作原理就是根据输入的数据“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位来实现逐步得电和逐步失电。输入端IN要串联每个移位输出位的常闭触点；（2）移位寄存器对移位脉冲输入端开关的抖动非常敏感。若开关抖动一次，相当于多输入了一个移位脉冲，移位数据“1”随之多移了一位。由于接点式开关被触发时难免产生抖动。为消除这种影响，在移位脉冲输入端的步1输入回路，必须串联移位寄存器0位（本例为M20）的常闭触点，一旦移位数据移入M20位，便断开步1的输入回路；而从步2开始，每步的输入回路也要串联上一位的常开触点。例如步2的输入回路要串联上一位M20的常开触点。这样，当移位到步2转步主令信号对应的M21位时，便立即断开步2的输入回路。采用这样的移位脉冲输入回路结构，可确保每步的转步输入信号持续时间只有PLC的一个扫描周期（一般只有几Ms），因开关的抖动时间远大于PLC的一个扫描周期。可有效地消除开关抖动的影响。
2．输出阶梯设计图7b为输出阶梯，其结构与图4b相同，只是辅助继电器编号不同而已。
结束语
上述4种PLC顺序控制系统设计方法的共同特点是：
（1）由输入继电器控制辅助继电器（包括由置位/复位指令和移位指令定义的辅助继电器），按此构成步进阶梯；
（2）由辅助继电器控制输出继电器，以此构成输出阶梯；
（3）无论步进阶梯还是输出阶梯，都是很有规律的回路结构。不管要设计的顺序控制系统有多少步，也不管其输入输出点数有多少，只要弄清各种设计方法所设计的步进阶梯和输出阶梯的回路结构的规律性，根据设计依据，套用其中任一种设计方法的回路结构，就能快速地一次成功设计出较复杂的PLC顺序控制系统。
1、前言
我们都知道，使用传统的普通平头设备的进行工件的平头操作，平头面的光滑度和平面度，会受到刀具的jingque程度以及操作人员的熟练程度等诸多因素的影响。鉴于存在这种问题，我们研制了数控平头机，它可以按照输入的进刀曲线连续工作，始终保持高精度和高效率，从而充分保证平头质量。
2、控制要求
数控平头机控制要求为：
（1）控制系统应可调整刀头加工程序；
（2）不同的加工阶段可以选择不同的加工速度和加工深度。空程的时候的进刀曲线如图1所示，加工时的进刀曲线如图2所示；
（3）主轴转速应可调节，且范围应宽广；
（4）加工jingque度高，加工材料平面的光滑度要求为Ra≤1.6μm；
（5）定尺尺寸精度：±0.5mm
图1 空程时进刀曲线
图2 加工时进刀曲线
3、系统的硬件设计
根据系统的控制要求配置硬件如下：
可编程控制器：1个西门子公司的S7-200系列CPU222PLC；
人机界面：1个DP210；
外设：2个步进电动机、2个步进电机驱动器、2个三相电动机、1台变频器、1个EM222、8个电磁开关、4个光电传感器和1个霍尔传感器。
3.1 系统的I/O点分配
由硬件结构图可知,系统需要5个输入点和14个输出点.CPU222PLC有8个输入点和6个输出点,需要增加一个扩展模块,选用8点输出的数字量扩展模块EM222.输入点是I0.0-I0.7;输出点是Q0.0-Q0.5和Q1.0-Q1.7,分配情况见下表1和表2：
表1 输入端子分配表
表2 输出端子分配表