西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8物优价廉
一、引言
电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。为了适应电梯的迅速发展，我们开发了二套模拟电梯系统。由于可编程控制器（PLC）具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，现在的电梯控制多采用可编程控制器来实现。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序撞制或逻辑控制是不能满足控制要求的，系统采用随机逻辑方式控制。
二、电梯控制系统介绍
1、系统的控制要求
该模拟电梯由模拟五层电梯装置、变频器及电梯控制系统等组成，其中模拟电梯高3m，每层高0.5m。由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，系统控制应采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。
（1）轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。每层楼设置一个接近开关以利平层。
（2）为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，我们采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。
（3）为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。④为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。
2、PLC与系统的硬件配置
考虑到以下几方面，我们选用了FLN PLC。
（l）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可以扩展I/0模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。本系统设计需I/052点(输入28点，输出24点)。主机采用小型化基本单元FX2N -64MR。
（2）FX2N指令功能丰富，有各种指令性107条，且指令执行速度快。
（3）FX2NPLC可用内部辅助继电器M，肤态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器(C235等)能接受脉冲编码器的脉冲。
（4）FX2N PLC的体积比FX2 PLC小50%以上，但控制功能和性能相同。
（5）FX2N PLC的编程，可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSEMEDOC进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。该控制系统的硬件配置如图l所示。
三、软件的设计及特点
1、软件设计方法
本系统的软件设计，按照图2所示的程序流程图进行编程。
2、软件设计特点
（1）采用优先级队列。根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的陈列：上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级陈列，为实现随机逻辑控制提供了基础。
（2）采用先进先出队列。根据电梯的运行方向，将同向的优先级队列中的非零单元(有呼叫时此单元为七零单元，无呼叫时则此单元为零)送入寄存器队列(先进先出队列FIFO)，我们利用先进先出读出指令SFRDP指令，将FIFO个单元中的数据送入比较寄存器。
（3）采用随机逻辑控制。当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号(上行呼叫标志寄存器为，下行呼叫标志寄存器为，有呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0)，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车：如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。
（4）采用软件显示。本系统利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件接口电路以LED显示。
（5）对变频器的控制。PLC根据随机逻辑控制的要求，可向发出变频器正向运行、反向运行、减速以及制动信号，再由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机。当系统出现故障时，PLC向变频器发出信号。
四、结束语
本系统运行情况良好，系统的各项控制要求均己达到。为完成"晨光计划"提供了必要的保证。这套系统将来可用于实验教学，是"自动控制系统"实验教学的一个重要补充，亦可作为科研的一个控制对象。该系统具有一定的推广意义
1 引 言
低压电力线是为传输50Hz的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（PLC）逐步从实验室走向实用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。本文给出了基于PLC技术的远程单相复费率电表（简称基于PLC技术的远程电表）的设计与实现。
2 硬件总体设计
如图1所示，基于PLC 技术的远程电表硬件部分包含MCF5271主控板、电量采集板和PLC调制解调器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中电量采集板负责采集电量，MCF5271主控板通过SPI、I2C 等接口与电量采集板进行数据传输，通过符合IEEE802.3 规范的MII 接口与PLC调制解调器进行以太帧数据传输，PLC 调制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。
图1 基于PLC 技术的远程电表模块图
3 MCF5271主控板设计
MCF5271主控板的设计参考了Freescale公司的MCF5271评估开发板的设计原理MCF5271评估开发板使用的ColdFire微处理器为196引脚的BGA封装，焊接比较困难，160引脚QFP封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能易于焊接，故使用QFP160封装的芯片做主控板。主控板与PLC调制解调器接口的主要部分为MII接口，略去了主控板与PLC调制解调器接口的介绍，而代以介绍MCF5271微处理器与INT5500之间的通过MII接口的连接。
1、MCF5271主控板板的存储器扩展
MCF5271具有外部总线接口，数据总线宽度为32位D[31∶0]，寻址范围可以达到32位，与外界存储器相连的地址总线宽度为24位A。MCF5271主控板中扩展了一片1M×16位的Flash存储芯片AM29LV160DB，地址总线为20位，连接MCF5271的地址总线A[20∶1]，数据总线为16位，连接D[31∶16]。两片8M字节的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，两片芯片使用共同的地址总线A[21∶15]和控制信号，数据总线分别连接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
2、MCF5271与INT5500的连接
INT5500工作在PHY模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有MII接口的MCU相连。图2所示为MCF5271与INT5500连接方式。由于此时INT5500工作在PHY模式下，MII接口的信号方向与Host/DTE模式下的方向
图2 MCF5271与INT5500连接图
MCF5271芯片MII接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线EMDIO和EMDC；反映介质状态的信号线ECOL和ECRS；其余为接收/发送信号线。
EMDIO为双向信号，在INT5500和MCF5271之间传输控制信息和状态信息。控制信息由MCF5271发给INT5500，状态信息由INT5500反馈给MCF5271。EMDC为输出信号，作为EMDIO数据传输的参考时钟。
ECOL为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。ECRS为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状态，可以进行传输。
ERXD[0-3]用来接收INT5500发送的4位数据；ERXDV用来表示从INT5500接收到的数据是否有效，高电平为有效；ERXCLK为INT5500提供给MCF5271的数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的25%；ERXER为输入信号，该信号有效时表示检测到当前在INT5500上传输的帧出错。
ETXD[0-3]用来向INT5500发送4位数据；ETXEN为输出信号，该信号有效时表示MII总线上有数据，可以启动发送操作。ETXCLK为输出信号，作为数据发送的参考时钟信号。
4 电量采集板
电量采集板电路包括电量采集电路、ADE7756与主控芯片的通信接口、实时时钟芯片PCF8563的工作电路与对外通信接口。
1、电量采集电路
图3所示为电量采集电路，其中CT为电流互感器，电量采集芯片为ADE7756。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通电力线中的电流经过电流互感器CT后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成电压信号，再经过R1与C4、R10与C6组成的滤波电路滤波后进入ADE7756的差分信号输入引脚V1P和V1N。电力线的220V电压信号经过R7、R6和R8分压及R8与C8组成的滤波电路滤波后转换为250mV的电压信号，作为AED7756的V2P的输入。
图3 电量采集模块
2、ADE7756与MCF5271主控板的接口模块
ADE7756与MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反馈信号。如图4所示，图中使用两片7404芯片对输入输出信号进行电压转换。7404芯片内部含有6路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的4路缓冲器，7404芯片为漏极开路输出，从主控芯片方输入的5V/3.3V信号经过7404后都可以转换为5V信号。向主控芯片方输出的信号可以转换为3.3V信号。
图4 ADE7756与MCU的接口部分
图中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS和OUT_DOUT引脚为SPI接口的引脚；IN_RESET为从主控芯片方输入的复位控制信号；OUT_IRQ为ADE7756的中断请求输出信号；OUT_ZX为通道2的电压波形过零输出引脚，用于对电力线进行过零检测；OUT_SAG为电力线电压过低和5V工作电压过低检测输出信号。
3、实时时钟模块
图5为实时时钟模块，PCFB_563通过纽扣电池供电，MCF5271主控板通过I2C接口与PCF8563进行通信，SCL为主控芯片发送的时钟信号，SDA为数据双向数据通信引脚。主控芯片可以设置PCF8563当前时间和读取PCF8563当前时间。
图5 实时时钟模块
5 系统软件设计
基于PLC技术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与后端软件的接口，两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能：
（1）定时电量采集：与ADE7756通信，通过SPI接口读取电量数据；
（2）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到的电量数据按照时段进行相应存储；
（3）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和发送应答数据包；并完成命令数据的解密和应答数据的加密；
（4）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应；
（5）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。
后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接口设计的比较合理，则对于后端软件的开发人员来说相当方便。
根据以上功能分析，软件共划分为5个模块：电量采集和存储模块、数据加密解密模块、嵌入式以太网模块、掉电处理模块和命令响应模块。
电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能；
数据加密解密模块用来对后端软件的命令解密和本地应答数据的加密；
嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与PLC调制解调器的通信的底层驱动程序，包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能；
掉电处理模块完成检测到电力线电压低于阈值时对重要数据的存储；
命令响应模块对后端软件的命令进行响应。
本文作者创新点：本文设计了基于PLC技术的远程电表方案，并完成了基于PLC技术的远程电表软硬件设计和实现，并编写了远程电表电量读取的PC方模拟程序。(end)
摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。由于其原有控制系统采用继电器——接触器控制方式，电路接线复杂，触点多。经过长期使用后，各个地方的接线老化，造成故障率高，故障排查困难，常常影响企业的正常生产。由于PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。利用PLC对摇臂钻床的继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率。
1 Z3040X16型摇臂钻床的电气控制
（1）采用3台电机进行拖动，主电机M1（4.0kW），摇臂松夹电机（2.2 kW），摇臂上下电机（2.2kW），3台电机均是小功率电机，均采用直接启动控制。
（2）控制电路中设有主电机启动/停止，此控制未进入PLC，直接采用的启动和停止按钮进行控制的，由于此电路中未有任何连锁控制，无需进入PLC中进行控制，既节约了I/O点，又减少了故障排查点。
（3）摇臂升/降动作按照“摇臂松开—升/降—摇臂夹紧”顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。在摇臂夹紧前，由时间继电器KT1延时1～3s后再夹紧。
（4）立柱和主轴箱的放松、夹紧可以单独操作，也可以进行，由转换开关SA、松开按钮SB5和夹紧按钮SB6来控制。利用时间继电器KT2的断电延时断开触点、KT3的通电延时闭合触点，实现电磁铁YA1、YA2相对于液压泵电机接触器提前吸合、延时断开的控制。
（5）主电机M1和液压泵电机M3分别设有热继电器FR1、FR2作长期过载保护。
2 PLC选择
2.1 确定I/O点数
在改造中尽可能保留系统原有的控制功能，以便能达到摇臂钻好的工作效果，发挥其大的工作效率，根据原有的控制电路来计算I/O点数。其中：按钮6个（考虑节约点数，有两个未进入PLC），行程开关4个，即实际输入点数为8个；接触器5个（考虑节约点数，有一个未进入PLC），中间继电器1个，即实际输出点数为5个。
2.2 选择PLC机型
根据确定的I/O点数，选择德国西门子公司生产的S7-200系列产品。此PLC的型号为CPU222——6ES7212-1BB23-0XB0，输入点数为8个，输出点数为6个，继电器输出，使用电源为85至264VAC（47至63Hz）。
3 I/O地址分配及接线图
I/O分配表见表一。
表一 I/O分配表
根据表一设计I/O接线图，如图1。其中接触器和中间继电器的电压等级都进行了调整，都更换了新的电气元件，电压等级均为AC220V，电压等级统一，便于日常维护。
图1 I/O接线图
4 PLC程序设计
根据原有继电器控制电路，加以分析改进，但仍保持原有的控制功能，编制梯形图，如图2。
图2 梯形图
5 改造中必须要注意的几个问题
（1）选择PLC机型时，要考虑低价格，高性能。
（2）原有继电器控制电路比较复杂，如线路老化后，故障点太多，不便查询，而利用PLC控制时，不但大大提高了摇臂钻床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，大大简化和减少了维修维护的工作量，使用效果良好。
6 结束语
利用PLC对摇臂钻床控制系统进行改造后，大大简化了控制线路，维护起来十分方便，降低了设备运行的故障率，大大提高了设备运行的稳定性及使用率。我厂的电气维护人员尝到了甜头，要不以前一提到维修摇臂钻床，就是一头污水，无从下手，自从改造完成后，再也没遇到此类问题，摇臂钻床再也没出现过影响生产、停滞状态的情况。建议摇臂钻床的生产厂商，也应该一改往常的设计思路，避免以后在生产过程中出现类似的问题。