西门子模块6ES231-7PB22-0XA8原装代理
0引言
近年来，受国际市场和国内需求影响，铜价格呈上涨趋势。2005年铜价在3万元/吨至4万元/吨，而在2006年初已超过4.5万元/吨，年中高超过8.5万元/吨，现维持在6万元/吨左右。“铝代铜”已成为制冷行业的发展趋势，如今市场上已有一定比例的制冷电器采用铝管代替铜管制造“两器”。但铝与其他材料的焊接性能较差，从而替代不是完全的，即在制冷管路中要用铜铝管接头作为过渡。铜和铝的电阻率都较低,但导热率又较高,焊接范围很窄,从而铜铝焊接属于异种金属的焊接。目前国内的焊接设备一般能焊接直径在6mm-12mm间的铜铝管。本文在原有基础上改进了设备，采用可编程控制器PLC与文本显示器协同控制的方法进行控制，使焊接参数控制精度由原来的s提高到0.001s。为了扩大铜铝管的应用范围，改用50kVA容量的焊接线圈，实现了20mm铜铝管的焊接。
1铜铝管焊机控制系统总体设计
1.1铜铝管焊接工艺过程分析[1,2]
在设计控制系统前，应分析铜铝管的焊接工艺过程。
如图1所示，铜铝管焊接工艺过程可分解为6个动作：上料与定位——夹紧——推进——焊接——松开——退回。定位时，铜管和铝管在夹具上共要限制除轴向转动外的5个自由度。实践证明，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而其他4个自由度的定位精度对焊接质量影响较大，故在夹具设计及安装时考虑了这个问题，采用特殊方法保证了铜铝管的径向、绕坐标轴转动的定位精度。定位后，启动焊接程序，由压紧气缸运动而夹紧，确保焊接过程中铜管和铝管完全处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，考虑到焊接质量及外形美观，铝管为端面夹紧，铜管端面露出10mm左右夹紧。夹紧后，控制程序启动推进气缸，使铜管向铝管推进；当铜管与铝管接触后，控制程序启动焊接回路，此时在铜铝管间产生大电流，使铜管和铝管接触面上发热升温，温度可接近或达到铝的熔点，直到铝管将铜管锥面全部包住，控制程序关断推进气缸，停止推进，并切断焊接回路，停止电流加热；继续压紧保持，待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，控制程序再关断压紧气缸，夹具松开，下料；下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。
1.2控制系统的总体设计[3,4]
可把前述的焊接过程整理为：启动—压紧—延时(t0)—推进—接触—延时(t1)—焊接—保持(t2)—松开—延时(t3)—退回。根据使用的I/O点数、定时及定时时间随时变更的要求和价格因素，选用中达电通公司的ES14型可编程控制器和TP04G文本显示器。ES14有8个输入点、6个输出点。ES14与TP04G采用RS232协议通信。PLC的I/O分配如表1所示，外部接线如图2所示。采用WPLsoft软件和TPeditor软件进行编程，而后输入ES14与TP04G中。
表1PLC的I/O分配表
输入 功能 输出功能
X0 SB0(预调/焊接) Y0PQ0(电磁阀)
X1 SB1(脚踏开关) Y1PQ1(电磁阀)
X2 ST1(行程开关) Y4KA(焊接线圈)
X3 SB2(急停开关) Y5急停指示
2PLC的编程过程
2.1PLC的参数设置
采用计算机编写PLC程序前，需要在WPLsoft软件中对PLC机种和通信进行设置，如图3所示，其中机种选择“ES/EX/SSSeries”即可，程序容量必须选4000Steps，否则无法传输程序，通信设定主要内容是“通信端口”、“通信波特率”及“通信站号”等。
(a)PLC机种设置
(b)PLC通信设置
图3PLC机种与通信设定
2.2PLC编程及传输
根据前面分析，在WPLsoft软件中的编辑区利用梯形法进行编程，程序内容见文献[3,4]，图4给出了PLC编程界面。程序编完毕后，将专用的PC-PLC数据线接好，而后在WPLsoft软件中选择“通信”-“PC
图4PLC编程界面
3TP04G显示器的编程过程
3.1TP04G显示器的参数设置及开机画面
本文采用TP04G文本显示器，其屏幕多可显示4行文字。对TP04G进行通信设定并设置开机画面，如图5所示，其中通信设定与PLC通信设定类似。在TPeditor软件中绘制开机画面，传入TP04G文本显示器，在TP04G的“开机画面”设定中选择“使用者自定”，当TP04G给电启动时，先出现图6(b)的开机画面。
(a)TP04G通信设置
(b)TP04G开机画面
图5TP04G显示器通信设置及开机画面
3.2TP04G显示器编程与传输
由前述，铜铝管焊接时需要调整的参数是时间参数，经简化令1.2中的t3=t0，从而编程中设置3个时间变量即可。图6给出了TP04G显示器编程界面，其中“时间1”、“时间2”和“时间3”分别对应1.2中的t0、t1和t2；“0.00”和“0.000”表示当前时间数据值。“#.##”和“#.###”表示时间数据输入口，通过编辑即可改变焊接时间数据，其范围限定在s-5.00s和0.001s-5.000s。程序编辑完毕后，也要通过专用的“PC-TP04G”数据线将页面程序输入TP04G中，传输过程与PLC程序传输类似。当TP04G启动后，先出现开机画面，而后即出现图6中的时间控制界面。
图6TP04G显示器编程界面
PLC与TP04G次开机后，立即将焊接时间的参考数据输入，而后进行试焊，再根据焊接效果适当调整。
46mm和20mm铜铝管的焊接
根据以往经验与试验分析，当时间1取1.00s，时间2取0.535s，时间3取1.90s时，6mm铜铝管的焊接效果较好；当时间1取1.15s，时间2取0.655s，时间3取2.05s时，20mm铜铝管的焊接效果较好；图7给出了6mm和20mm铜铝管焊接试件照片，上边为铝管，下边为铜管。
图76mm和20mm铜铝管焊接试件照片
5结论
(1)采用可编程控制器PLC和文本显示器相结合，对铜铝管对焊机的焊接时间参数进行控制，焊接时间控制精度达到0.001s，既提高了对焊机性能，又降低了生产成本，满足了对铜铝管对焊机的使用要求。
(2)实现6mm-20mm铜铝管的焊接，扩大了铜铝管接头的应用范围，从而可为企业带来可观的经济效益
一、XMC5000的应用背景和方案选择
上海方电科技发展有限公司制造的帘子布浸胶机是一种大型的工业生产线，主要用于连续生产汽车轮胎骨架材料帘子布，其控制系统较为复杂，涉及拖动、调速、热工等诸多方面，本公司的控制系统主要采用德国西门子的自动化和驱动产品开发，以PLC、触摸屏、变频器、现场仪表和工控机等做为主要控制元件，通过现场总线（profibus和RS485）构成自动化系统网络。在系统的热工控制方面，浸胶机组烘房需要大量的温度控制和采集，随机组配置不同温度采集点数大约在42－108点之间，传感器使用PT100标准铂热电阻，温度测量范围0－350℃之间，根据工艺特点，机组烘房温度不会突变，系统对温度采集的实时性要求不高，2－3秒的采集周期均可承受。显然该温度若采用PLC＋模拟量输入模块采集温度的传统方法，将不可避免使得系统造价昂贵，成本飙升！寻找一种既满足要求又能降低成本的温度采集方案成为必须要解决的设计任务，通过调研，我们发现利用西门子S7200PLC集成的自由通讯口通过RS485通讯总线下挂一个和若干个非西门子温度采集仪表（模块）是一个比较好的技术方案，而百特XMC500024路高速数据采集器就是一个非常理想的采集仪表，处了具备其他品牌的温度采集模块的特点外，主要优点的本身自带显示窗口和操作按键，非常方便现场调试工作，我公司推荐客户在温度采集量比较大（超过24路）项目中选择了百特工控的XMC5000产品，从几个工程项目的经过两年多的实际运行来看效果非常良好。
下面将几种温度采集的技术方案优缺点做一比较。
表一 几种温度采集方案的比较
二、XMC5000接入西门子自动化系统的几种方法
通过上面的讨论，百特XMC5000仪表可以很好的集成到我公司以西门子技术路线为主的浸胶机自动化控制系统中，从而实现低成本的jingque的远程多路温度采集，在具体的接入方法上，经过实践我们摸索出了三种有效的途径，下面分别予以介绍。
接入方法一，利用S7200PLC作为主站，XMC5000作为从站，RS485总线链接，通过PLC自由口读取仪表采集的现场温度数据，系统网络图如下：
图一 XMC5000接入S7200PLC系统的网络示意图
这种方法通过对西门子S7200PLC的自由口编程，S7200系列属于微小型PLC，具有成本低廉，应用灵活的特点，这种方法接入方法可靠性高，代价很小，使用3个模块就可以采集72路温度。本方法读取仪表的采集数据，一是需要对PLC进行编程；二是仪表本身需要设置参数，如地址、波特率、通道信号属性等，具体设置参看XMC5000仪表说明书即可。下面就S7200PLC编程中需要注意的问题做一下讨论。
XMC5000仪表RS485通讯模式有两种通讯协议，即百特FBBUS-ASCII码协议与MODBUS-RTU协议。
若选择FBBUS-ASCII码协议，该协议采用主从式半双工通讯，主机呼叫从机地址，从机应答方式通讯。该模式通信时，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误，非常适合上位机使用语言编程。对于硬件资源丰富的PC机，与XMC5000仪表连接采集数据时，笔者推荐使用FBBUS-ASCII码协议。
若选择MODBUS-RTU协议，其硬件接线和上述ASCII协议一致，其数据帧为11位，1个起始，8个数据位，1个奇偶效验位，1个停止位，当仪表以ModbusRTU模式通信时，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。对于硬件资源有限但追求高可靠性的PLC，与XMC5000仪表连接采集数据时，笔者推荐使用MODBUS-RTU协议，这样总线数据传输效率更高，采集周期更短！
需要注意的是，无论对于FBBUS-ASCII码协议还是MODBUS-RTU协议，西门子S7200PLC自由口支持任何数据帧为10位格式配置，但数据帧11位时仅支持1个起始位，8个数据位，1个奇偶效验位，1个停止位格式，而不支持1个起始位，8个数据位，无奇偶效验位，2个停止位两个停止位格式，故对于S7200PLC挂接XMC5000的仪表情况，订货时特别需要向百特工控厂家说明，此时FBBUS-ASCII码协议将调整为数据帧10位，1个起始，8个数据位，1个停止位。
由于PLC选用的是主从方式的RS485通讯协议，XMC5000C仪表采集端不需要编程，只需在PLC端编程即可。推荐的编程思路是在主程序中利用定时中断读取下挂XMC5000仪表数据，编程时要注意定时周期至少要大于1.5倍通讯小周期，即T通讯中断周期>=1.5×(((发送字符数＋接收字符数))×10/bps)
下面给出了S7200PLC与XMC5000通讯的例程示意图。
图二 S7200PLC与XMC5000仪表的通例程
接入方法二，随项目应用不同，有些高端自动化系统，比如在化工领域的过程控制系统等应用场合，只使用S7300/400PLC而不使用S7200PLC，这种情况下S7300/400PLC只需扩展CP340/CP440通讯模块，同样可以接入XMC5000仪表，实现对多路模拟量信号的大量采集，可靠性同样也很高。需要注意的是，CP340/CP440模块的RS485硬件口功能十分强大，各种数据帧格式都可自由组态，故与此模块连接的XMC5000仪表的数据通讯协议不需重新烧录就可直接应用，不像S7200PLC自由口编程，对于数据帧格式有一定的限制。
图二 与XMC5000仪表通讯连接的S7400PLC扩展RS485通讯模块的硬件组态例程
接入方法三，在其它工控领域的实际应用中，智能楼宇BA、智能小区及机房监控弱电工程等应用领域，控制采集系统很少使用PLC而大量使用工业PC，此类应用的接入方法，可以对PC扩展PCI或ISA总线的RS485通讯卡或者直接使用RS232-485串口转换器插到PC的232串口就可实现XMC5000仪表的接入，软件的应用方面大多数国产组态软件都支持百特仪表的通讯协议，只需简单组态即可实现数据采集
对于近来流行的PC-BASED控制系统，也可以采用此种接入方法。以西门子的PC-BASED控制系统WinAC＋WinCC为例，由于国外软件开发专用驱动的代价昂贵，我们采用的方法是在bbbbbbs通用操作系统上应用VB或VC等语言通过调用MSCOM控件自编XMC5000采集程序，在PC机加载操作系统或WinAC、WinCC激活XMC5000采集程序，先将数据采集到PC机，再通过OPC或DDE组态接入到西门子WinCC系统，通过内部bus和probus等总线的数据传递就可以在整个西门子自动化系统内部实现数据采集和共享。
三、 结束语
本文简单介绍了百特XMC5000带现场指示24路高速数据采集仪表与全球主流自动化厂商西门子自动化系统结合应用的几个方法，通过以上分析，百特XMC5000仪表是一款非常合适好用的现场数据采集仪表，通过系统集成，它有效的弥补了PLC系统模拟量扩展能力不足、代价非常昂贵和布线太多等缺点，还具有现场查看和设定等其它品牌模拟量采集模块所不具备优点，其可靠性从客户几个工程项目的经过两年多的实际运行来看也得到了检验。对于XMC5000仪表的不足之处，我们希望该仪表的RS485通讯速率能更高一些，可以达到19.2Kbps甚至38.4Kbps的波特率，在仪表面板的薄膜按键、背部接线端子等细节地方今后能做得更为出色一些，产品工艺水准更完美一些。在此我们希望百特公司开发出更多更好的结合实际应用有自己特色工控产品，为民族工控品牌的发展添转加瓦！