西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8技术介绍

本文介绍区别于传统的工控机（IPC）作为上位机，可编程控制器（PLC）作为下位机的分级型串行控制系统，开发了基于二者的航空有机玻璃拉伸机并行控制系统。实践证明，该系统具有较高的实时性和稳定性。0引 言
       
       PLC具有通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、控制系统结构简单、编程方便及易于使用等优点，被广泛应用于生产过程的控制，但PLC的显示功能较差，且进行人机交互的操作不方便，为此大多数采用计算机作为上位机进行工艺流程参数显示，控制参数设置等，PLC作为下位机控制生产过程，让PLC与计算机相结合，使操作更方便，并极大地改善了控制系统的性能。
       
       在实际的工程应用中一般PLC与工控机组成分布式/分级型控制系统，属于串行控制范畴。众所周知，PLC在开关量控制方面具有很强的优势，具有很高的可靠性，但中小型PLC的显示功能较差。如果利用工控机作为上位机来弥补这个缺陷，又将导致工业PC强大的数据采集和处理功能得不到充分利用，造成资源的极大浪费；而单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。
       
       本文从实际出发，开发的并行控制系统有效地做到了二者优势互补，并成功地应用于航空有机玻璃拉伸机中。
       
        1 系统组成
       
       
       
       有机玻璃拉伸的工艺过程是将具有一定厚度的正方形有机玻璃毛坯，按照规定的延展率，在一定温度和拉力下沿四个方向均匀拉伸至设计尺寸，并冷却定型。有机玻璃经定向拉伸后提高了韧性、抗裂纹扩展性和抗银纹等性能，从而延长有机玻璃的使用寿命。工艺过程要求控制系统必须具有实时性、可行性和稳定性。系统组成如图1所示，该系统的一次完整工序包括：上料、送料、装卡、加热、保温、位伸、冷却和下料。
       
        
       
        图1 系统组成
       
        2 控制系统
       
        2.1 控制原理
       
       
       
       控制系统由工控机与PLC组成。工控机接收传感器输出的测量信号，经过控制算法后，将控制信号传给PLC；工控机还用来进行参数设置、状态显示和信息存储，并具备控制算法、数据分析和抽样判别等功能〕PLC根据现场信号控制动作流程，并根据工控机的判别和控制信息执行拉伸。这样既能保证系统性能，又使系统操作简便，便于生产过程的有效监控。控制系统原理如图2所示。
       
        
       
        图2 并行控制系统原理
       
       系统中，工控机-PLC-被控系统（如控制循环1）和PLC-被控系统（如控制循环2）分别组成各自的控制系统，分别处理不同特点的数据。由于前六步工序以及下料，属于顺序动作，位置和温度可通过行程开关、仪器/仪表转换为开关量来表示，由PLC来执行控制；当达到设定温度后，由于存在各种变化因素的影响，需采用复杂的控制算法（如模糊控制算法）来实现对保温腔的保温以及拉伸速度、位移和拉力的控制，jingque的冷却拉力对有机玻璃的质量有很大的影响，鉴于控制数据量大、算法复杂，转为工控机来完成。在进行拉伸的PLC从控制系统中解放的资源可以为下一步工序作准备工作，达到并行运动的目的，以提高效率。
       
        2.2 控制系统流程
       
       
       
        控制系统流程如图3所示。按以下步骤进行。
       
        
       
        图3 控制系统流程
       
       1）开机后，各寄存器清零，工控机与PLC进行握手通信，表明一切准备就绪。
       
       2）对中机构，调整有机玻璃位置，运料小车吸盘吸取有机玻璃。
       
       3）按送料按钮，运料小车把毛坯运到指定位置，靠行程开关定位。
       
        4）到达指定位置后，装卡卡头动作，卡紧。
       
       5）保温腔闭合，风机、加热炉开动，进行加热，直到温度达到设定的拉伸工作温度。
       
       6）进入保温状态，工控机根据采集的温度数据选择合适的温度控制算法，并通过PLC控制加热系统。当各种准备条件（温度等）完备时，工控机实时地采集拉伸速度、位移和拉力数据，通过PLC控制拉伸系统。
       
       7）达到设定的延展率后，由工控机根据特定工艺要求，严格控制冷却拉力及回退位移，保证工件质量，直至冷却到室温。
       
       8）保温腔开启，运料小车运出成品，为下一工序作准备。
       
        2.3 通信和控制软件开发
       
       
       
       在工控机与PLC的并行控制系统中，如何实现工控机与PLC的通信非常重要。
       
       为了达到并行控制目的，采用工控机的DO口与PLC进行通信握手及控制信号传输，RS-232串口传输数据的方式，很大程度上避免了传统的控制信号与数据信号都通过串口传输带来的时间延迟，保证了控制的实时性和精度。
       
       经过控制算法后得到实时控制的数据为：风机速度、加热炉功率和拉伸电动机速度。必须通过PLC传输给相应的驱动系统（风机变频器、加热炉接触器和拉伸电动机变频器）。需要发送的变量见表1。
       
        表1 工控机-PLC通信变量表
       
        
       
       从表1中可以看出，VB501和VB502的数值都是一个字节，可以直接通过Comml口向PLC发送。而VW503～VW506都是双字节数值，若直接发到PLC将出现协议错误无法识别，必须分离为两个相邻的字节发送，在PLC端则可以直接读取VW503～VW506的字，得到0～32000的控制数值。在发送的字节数组里需要有开始标志“255”和结束标志“254”。实验证明，控制数值±1的改变对频率值没有影响，频率值改变的小控制数值变化为±5，如果控制字节数组中出现结束数值254，则相应加±1。相应的分离程序如下：
       
        Function SendPLCByte（VW AsByte）
       
        Dim BB As Byte，bbl AsByte
       
        BB＝Fix（VW/256）；661＝VW Mod256
       
        if bbl＝254Then  防止中间出现254结束标志
       
        bbl＝bbl＋1
       
        End If
       
        SendPLCWord（3）＝BB
       
        SendPLCWord（4）＝bbl
       
        End Function
       
        向PLC发送控制信息的程序如下：
       
        MSCommPLC.OutBufferCount＝0清除原来发送缓冲区中数据
       
       MSCommPLC.YortOpen＝True  打升串口
       
        CallDiosend（2）  发“写”信号，00.1＝1
       
       MSCommPLC.Output＝SendPLCWord  发控制字节数组SendPLCWord（12）
       
        CallDiosend（0）  关“写”信号，00.1＝0
       
       MSCommPLC.PortOpen＝False关闭串口
       
        结 语
       
       
       
       工控机-PLC并行控制系统有机结合了下控机和PLC的优点，使工控机在不增加接口电路的情况下获得了PLC强劲的控制能力，，实用性强，保证了系统的实时性、稳定性和可靠性，给企业带来了经济效益，为大型机械系统并行控制提供了参考西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8技术介绍

 工业的高速发展对控制系统的依赖性越来越强。分散型控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线控制系统（FCS）、工业控制机（IPC）以及各种测量控制仪表已是构成工业自动化的主要硬件设施。随着微电子技术的发展和控制系统集成化程度的提高，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。芯片对外界的噪声也越趋敏感，显示出来的抗干扰能力也就很低。再则，相对于其它的电子信息系统，控制系统不但系统复杂，设备多，输入/输出（I/O）端口多，特别是外部的连接电缆又多又长，这类似于拾取噪声的高效天线，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声容易侵入控制系统。
       
       PLC具有编程简单、通用性好、功能强、易于扩展等优点，特别是采用了高集成度的微电子器件，具有很高的可靠性，能较强的适应恶劣的工业环境，已被广泛应用于工业控制领域中。现在工业生产线控制系统中所使用的PLC，主要是集中安装在主控室，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，很容易被周围干扰源干扰而引起控制系统产生误动作，影响系统的正常工作,必须重视系统的抗干扰设计。为防止干扰,可以采用硬件和软件相结合的抗干扰方法。
       
       2  PLC系统的基本组成结构
       
       
       
       可编程控制器硬件系统由PLC、功能I/O单元和外部设备组成，如图1所示。其中PLC由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成，各部分之间由内部系统总线连接。
       
        
       
        图1 PLC系统的基本组成结构
       
       3  影响PLC控制系统稳定的干扰类型
       
        3.1 空间辐射干扰
       
           空间的辐射电磁场（EMI）主要由电力网络、电气设备、雷电、高频感应加热设备、大型整流设备等产生，通常称为辐射干扰。电气设备、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重，这些干扰源产生的辐射波频率范围广，且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。若此时PLC置于其辐射场内，其信号、数据线和电源线即可充当天线接受辐射干扰。此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小，特别是与频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。
       
        3.2 电源的干扰
       
       
       
       PLC系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到PLC系统的电路，给系统造成极大的危害。
       
        3.3 来自信号传输线上的干扰
       
           除了传输有效的信息外，PLC系统连接的各类信号传输线总会有外部干扰信号的侵入。由信号线引入的干扰会引起I／O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。若系统隔离性能较差，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作甚至死机。
       
        3.4 数字电路引起的干扰
       
       
       
       数字集成电路引出的直流电流只有mA级，当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。例如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截至状态下则为lmA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，如果在配电线上具有0.5μH的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：
       
        U＝L×di/dt＝0.5×10－6×4×10－3/5×10－9＝0.4V
       
       如果把这个数值乘上典型系统的大量门的数值，这种门电路的供电电压仅为5V，但所引起的干扰噪声将是非常严重的。
       
       在处理脉冲数字电路时，对脉冲中包含的频谱应有一个粗略概念，如果脉冲上升时间t已知，可用近似公式求出其等效高频率：fmax＝1/2πt1.4PLC系统内部产生的干扰。
       
       4  PLC系统中的抗干扰设计
       
        4.1接地抗干扰设计
       
           接地在消除干扰上起很大的作用，良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以避免偶然发生的电压冲击危害。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点应分开，若达不到此要求，则可与其它设备公共接地，严禁与其它设备串联接地。接地电阻要小于5Ω，接地线要粗，面积要大于2平方毫米，接地点好靠近PLC装置，其间的距离要小于50米，接地线应避开强电回路，若无法避开时，应垂直相交，缩短平行走线的长度。
       
        4.2 电源部分的抗干扰设计
       
           电源波动造成的电压畸变或毛刺，将对PLC及I／O模块产生不良影响。据统计分析，PLC系统的干扰中有70％是从电源耦合进来的。为了抑制干扰，PLC供电系统可采用如下方式，控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障时，而不会影响其他部分，如输入、输出供电中断时，控制器仍能继续供电，提高了系统的可靠性。
       
        4.3 输入输出信号的抗干扰设计
       
       
       
       为了防止输入、输出信号受到干扰，应选用绝缘型I/O模块。
       
       4.3.1  输入信号的抗干扰设计
       
           输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术，对于交流输入信号，可在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D。一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1μF，R为120，当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47μF，R为47 。具体电路如图2所示：
       
        
       
        图2 输入信号的抗干扰设计
       
        4.3.2 输出电路的抗干扰设计
       
           对于PLC系统为开关量输出，可有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式。具体选择要根据负载要求来决定。若负载超过了PLC的输出能力，应外接继电器或接触器，才可正常工作。
       
       PLC输出端子若接有感性负载，输出信号由OFF变为ON或从ON变为OFF时都会有某些电量的突变而可能产生干扰。在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，如图3所示。对于直流负载，通常是在线圈两端并联续流二极管D，二极管应尽可能靠近负载，二极管可为1A的管子。对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路，根据负载容量，电容可取0.1μF～0.47μF，电阻可取47Ω～120Ω，且RC尽可能靠近负载。
       
        4.4 外部配线的抗干扰设计
       
           外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而在控制器侧要接地。配线时在30米以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30米～300米距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300米以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。
       
        4.5  软件抗干扰设计
       
       
       
       硬件抗干扰可滤除大部分干扰信号，但因干扰信号产生的原因很复杂。且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受干扰。往往在硬件抗干扰措施的基础上．采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法没计简单、修改灵活、耗费资源少，在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。对于PLC测控装置，其数据输入、输出、存储等系统属于弱电系统，如果工作环境中存在干扰，就有可能使数据受干扰而破坏，从而造成数据误差、控制状态失灵、程序状态和某些器件的工作状态被改变，严重时会使系统程序破坏。一般采用指令重复执行和数字滤波两种方法。
       
        
       
       图3  PLC输出触点的保护
       
        4.5.1 指令重复执行
       
       
       
       指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入，输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时，可重复采集多次，直到连续两次或两次以上的采集结果完全相才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，发出报警信号。在满足实时性要求的前提，如果在各次采集数守信号之间插入一段延时，数据的可靠性会更高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下，其指令重复周期尽可能长些。
       
        4.5.2 数字滤波
       
           在某些信号的采集过程中，由于存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。针对这种情况，可以采用数字滤波技术。该方法具有可靠性高和稳定性好的特点，广泛应用于工业计算机测控系统中。数字滤波的常用方法还有：程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。

本文介绍区别于传统的工控机（IPC）作为上位机，可编程控制器（PLC）作为下位机的分级型串行控制系统，开发了基于二者的航空有机玻璃拉伸机并行控制系统。实践证明，该系统具有较高的实时性和稳定性。0引 言
       
       PLC具有通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、控制系统结构简单、编程方便及易于使用等优点，被广泛应用于生产过程的控制，但PLC的显示功能较差，且进行人机交互的操作不方便，为此大多数采用计算机作为上位机进行工艺流程参数显示，控制参数设置等，PLC作为下位机控制生产过程，让PLC与计算机相结合，使操作更方便，并极大地改善了控制系统的性能。
       
       在实际的工程应用中一般PLC与工控机组成分布式/分级型控制系统，属于串行控制范畴。众所周知，PLC在开关量控制方面具有很强的优势，具有很高的可靠性，但中小型PLC的显示功能较差。如果利用工控机作为上位机来弥补这个缺陷，又将导致工业PC强大的数据采集和处理功能得不到充分利用，造成资源的极大浪费；而单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。
       
       本文从实际出发，开发的并行控制系统有效地做到了二者优势互补，并成功地应用于航空有机玻璃拉伸机中。
       
        1 系统组成
       
       
       
       有机玻璃拉伸的工艺过程是将具有一定厚度的正方形有机玻璃毛坯，按照规定的延展率，在一定温度和拉力下沿四个方向均匀拉伸至设计尺寸，并冷却定型。有机玻璃经定向拉伸后提高了韧性、抗裂纹扩展性和抗银纹等性能，从而延长有机玻璃的使用寿命。工艺过程要求控制系统必须具有实时性、可行性和稳定性。系统组成如图1所示，该系统的一次完整工序包括：上料、送料、装卡、加热、保温、位伸、冷却和下料。
       
        
       
        图1 系统组成
       
        2 控制系统
       
        2.1 控制原理
       
       
       
       控制系统由工控机与PLC组成。工控机接收传感器输出的测量信号，经过控制算法后，将控制信号传给PLC；工控机还用来进行参数设置、状态显示和信息存储，并具备控制算法、数据分析和抽样判别等功能〕PLC根据现场信号控制动作流程，并根据工控机的判别和控制信息执行拉伸。这样既能保证系统性能，又使系统操作简便，便于生产过程的有效监控。控制系统原理如图2所示。
       
        
       
        图2 并行控制系统原理
       
       系统中，工控机-PLC-被控系统（如控制循环1）和PLC-被控系统（如控制循环2）分别组成各自的控制系统，分别处理不同特点的数据。由于前六步工序以及下料，属于顺序动作，位置和温度可通过行程开关、仪器/仪表转换为开关量来表示，由PLC来执行控制；当达到设定温度后，由于存在各种变化因素的影响，需采用复杂的控制算法（如模糊控制算法）来实现对保温腔的保温以及拉伸速度、位移和拉力的控制，jingque的冷却拉力对有机玻璃的质量有很大的影响，鉴于控制数据量大、算法复杂，转为工控机来完成。在进行拉伸的PLC从控制系统中解放的资源可以为下一步工序作准备工作，达到并行运动的目的，以提高效率。
       
        2.2 控制系统流程
       
       
       
        控制系统流程如图3所示。按以下步骤进行。
       
        
       
        图3 控制系统流程
       
       1）开机后，各寄存器清零，工控机与PLC进行握手通信，表明一切准备就绪。
       
       2）对中机构，调整有机玻璃位置，运料小车吸盘吸取有机玻璃。
       
       3）按送料按钮，运料小车把毛坯运到指定位置，靠行程开关定位。
       
        4）到达指定位置后，装卡卡头动作，卡紧。
       
       5）保温腔闭合，风机、加热炉开动，进行加热，直到温度达到设定的拉伸工作温度。
       
       6）进入保温状态，工控机根据采集的温度数据选择合适的温度控制算法，并通过PLC控制加热系统。当各种准备条件（温度等）完备时，工控机实时地采集拉伸速度、位移和拉力数据，通过PLC控制拉伸系统。
       
       7）达到设定的延展率后，由工控机根据特定工艺要求，严格控制冷却拉力及回退位移，保证工件质量，直至冷却到室温。
       
       8）保温腔开启，运料小车运出成品，为下一工序作准备。
       
        2.3 通信和控制软件开发
       
       
       
       在工控机与PLC的并行控制系统中，如何实现工控机与PLC的通信非常重要。
       
       为了达到并行控制目的，采用工控机的DO口与PLC进行通信握手及控制信号传输，RS-232串口传输数据的方式，很大程度上避免了传统的控制信号与数据信号都通过串口传输带来的时间延迟，保证了控制的实时性和精度。
       
       经过控制算法后得到实时控制的数据为：风机速度、加热炉功率和拉伸电动机速度。必须通过PLC传输给相应的驱动系统（风机变频器、加热炉接触器和拉伸电动机变频器）。需要发送的变量见表1。
       
        表1 工控机-PLC通信变量表
       
        
       
       从表1中可以看出，VB501和VB502的数值都是一个字节，可以直接通过Comml口向PLC发送。而VW503～VW506都是双字节数值，若直接发到PLC将出现协议错误无法识别，必须分离为两个相邻的字节发送，在PLC端则可以直接读取VW503～VW506的字，得到0～32000的控制数值。在发送的字节数组里需要有开始标志“255”和结束标志“254”。实验证明，控制数值±1的改变对频率值没有影响，频率值改变的小控制数值变化为±5，如果控制字节数组中出现结束数值254，则相应加±1。相应的分离程序如下：
       
        Function SendPLCByte（VW AsByte）
       
        Dim BB As Byte，bbl AsByte
       
        BB＝Fix（VW/256）；661＝VW Mod256
       
        if bbl＝254Then  防止中间出现254结束标志
       
        bbl＝bbl＋1
       
        End If
       
        SendPLCWord（3）＝BB
       
        SendPLCWord（4）＝bbl
       
        End Function
       
        向PLC发送控制信息的程序如下：
       
        MSCommPLC.OutBufferCount＝0清除原来发送缓冲区中数据
       
       MSCommPLC.YortOpen＝True  打升串口
       
        CallDiosend（2）  发“写”信号，00.1＝1
       
       MSCommPLC.Output＝SendPLCWord  发控制字节数组SendPLCWord（12）
       
        CallDiosend（0）  关“写”信号，00.1＝0
       
       MSCommPLC.PortOpen＝False关闭串口
       
        结 语
       
       
       
       工控机-PLC并行控制系统有机结合了下控机和PLC的优点，使工控机在不增加接口电路的情况下获得了PLC强劲的控制能力，，实用性强，保证了系统的实时性、稳定性和可靠性，给企业带来了经济效益，为大型机械系统并行控制提供了参考