西门子6ES7223-1PL22-0XA8技术支持
当今对于大多数设备制造商以及系统集成商而言，面对日益竞争的市场，赢得市场及服务响应的及时性与高效性已变得至关重要。传统的服务模式即一旦设备或系统出现故障，工程师需到客户现场进行设备维护，势必花费大量的人力成本与时间成本，从而间接造成设备或系统成本的增加。为节约成本，为客户提供更为快捷的服务，减少客户的损失，本地化的远程诊断和维护目前已成为用户迫切需要解决的问题。
事实上，随着网络通讯技术的快速发展，从早期借助公用电话交换网络(以下简称PSTN网络)到如今基于互联网，目前远程诊断和维护的解决方案已逐渐完善与成熟。本文将针对具体的应用情况，提出几种基于硬件设备实现PLC远程诊断与维护的解决方案。
方案一、通过使用Modem，借助PSTN网络建立远程连接
电话网PSTN是目前全球普及程度高、成本低的公用通讯网络。PSTN是以电路交换（circuit-switched）方式进行数据传输。在进行数据传输之前，建立一条端到端的链接电路，一旦链路建立成功，此后所有的数据都会沿着相同的路径和顺序进行传输。利用PSTN网络实现远程访问是一种切实可行的解决办法，这也是目前PLC远程诊断与维护广泛采用的解决方案之一。其具体实现方式如配置图1所示：工程师站PC端和远程的PLC站之间是通过Modem直接拨号进行连接。硬件配置上仅需两端各连接一台Modem。当需要对PLC进行远程访问时，通过使用AT命令或Modem厂家提供的拨号软件直接拨打对端Modem的电话号码即可建立连接。网络支持上，工程师站与PLC远程站均需要电话网的接入。软件方面，仅需继续使用原有PLC组态软件即可。
图1 通过Modem直接拨号方式，建立PC与PLC设备之间的远程连接。
该方案实施时，Modem的选型时需要充分考虑其兼容性、通用性、可靠性及访问安全性，从而保证数据可靠稳定的传输。对于PSTN网络的互联，通常可以采用普通拨号电话线入网和租用电话专线入网两种方式。其中普通拨号电话线连接方式的费用比较经济，收费价格与普通电话的收费相同；通过租用电话专线入网则可以提供更高的通信速率和数据传输质量，但相应的费用也较前一种方式高。使用专线的接入方式与使用普通拨号线的接入方式没有太大的区别，省去了拨号连接的过程。通常，当决定使用专线方式时，用户必须向所在地的电信局提出申请，由电信局负责架设和开通。当上述硬件设备和PSTN准备好后，PLC的远程诊断与维护便可轻松实现了。
显然该方案配置十分简单，硬件设备价格便宜。但该方案也存在一定的应用限制：PSTN网络连接速度受限，传输速率仅33,600bit/s，且容易出现连接中断的现象。该方案特别适用于一些小型PLC系统的远程维护或简单的远程维护任务如：内存故障读取或程序错误更正等，但值得一提的是，这足以满足大多数工程应用的需求。对于较大PLC系统及大量数据传输的应用场合，则需要寻求更为适合的方案。
方案二、通过使用VPN路由器，基于互联网建立远程连接
由于PSTN网络存在如上限制，随着以太网技术在工业自动化领域的发展，许多用户开始考虑结合互联网技术实现对PLC等工控设备的远程访问。当然，这也得益于全球互联网建立和运营成本的降低。无疑基于互联网实现远程访问，能够大大tigao数据的传输速率满足工程师在线监控、高速上传及下载程序等需求，也可以实时采集数据和系统监控。目前，这种解决方案已在采用以太网通讯协议的PLC设备及系统中得到应用。具体实现方式如配置图2所示。工程师站PC端及远程PLC站各配置一台路由器，路由器分别接入互联网，即建立两台路由器间点对点连接，实现PC与PLC的远程连接。
图2 通过VPN路由器，建立PC与PLC设备的远程连接。
该方案实施中，为关键的是需要解决固定（静态）IP地址的问题。在互联网上想要访问到某一个设备就需要知道该设备的IP地址。IP地址分为两种，即固定IP地址和动态IP地址。这里所指PLC设备所需的IP地址为固定IP地址。固定IP地址需要向当地的ISP申请得到。但由于资源有限，申请和使用费用较高，如：南京地区某客户应用中IP地址使用费用为1000元/月（非官方报价，仅供参考)。若使用固定IP地址进行大量PLC设备的远程访问显然是不经济的（当然，这种方式也有其应用的环境，比如大型系统的实时监控）。本文提出两种IP地址获取的方式：一种是采用ADSL宽带接入互联网的方式；另一种是采用DDNS动态域名解析的方式来。
1）ADSL宽带接入：通过使用ADSLModem上网，一旦ADSLModem联网后即可获得一个IP地址，若网络不中断，该IP地址一直保持不变，可以视为固定IP地址。具体实现时，将路由器的WAN网口与ADSLModem连接，通过路由器读取到的IP地址，即为固定IP地址。
2）动态域名解析服务，简称DDNS（DynamicDomain NameServer），是将用户的动态IP地址映射到一个固定的域名解析服务上，用户每次连接网络的时候，客户端程序就会通过信息传递把该主机的动态IP地址传送给位于服务商主机上的服务器程序，服务程序负责提供DNS服务并实现动态域名解析。就是说DDNS捕获用户每次变化的IP地址，将其与域名相对应，这样域名就可以始终解析到非固定IP的服务器上。一些DDNS服务商DynDNS.org可以提供免费的动态域名使用，用户可以在线申请免费的域名。
解决固定IP地址的获取问题后，通过路由器内置的NAT功能，将PLC设备的内网地址映射至路由器的外部端口，PC就可以轻松地远程访问到PLC对其进行远程诊断与维护了。
由于互联网网络存在一定的不安全性。在该方案实施中需要适当考虑保证数据传输的安全性的措施，特别是一些关键及重要数据的传输。目前通过VPN(虚拟专用网络)以及IPsec（Internet协议安全）协议保证数据地安全性是行之有效的解决办法。VPN技术为PC与PLC之间建立一个临时的、安全的连接，也理解为一条穿过混乱的公用网络的安全、稳定的隧道。而IPSec则为这种“隧道技术”提供了两种安全机制：认证和加密。认证机制使IP通信的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否遭篡改。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数据在传输过程中被窃听，从而保证在网络层实现数据的加密与认证。目前工业路由器（如菲尼克斯电气FLMGuard）均已内置VPN及IPsec功能，配置简单易于操作。本文对路由器的配置不再赘述。
显然，前面所述两种方案，工程师站PC端以及远程PLC站都需要铺设电话线或网线，才能接入电话网络或互联网。对于在某些应用场合可能没有电话线或一些移动、旋转设备铺设线缆很不方便，铺线后往复运动很容易导致线缆的折断。适合采用无线的方式。本文将介绍一种基于互联网和GPRS网络的无线远程访问方案。
方案三、通过 GPRSModem，基于移动网络及互联网建立远程连接
该方案的具体配置拓扑如图3所示。与方案二比较，PC端仍然与一台路由器连接，而PLC则通过串口电缆或网线与GPRSModem连接。网络支持上，PLC远程站侧，用户需要向运营商中国移动申请开通GPRS/EDGE业务的SIM卡（资费有包月或按数据liuliang计费两种方式），插入GPRSModem内用于上网使用。其实现原理与方案二相同，通过路由器与GPRSModem间建立VPN，建立不同局域网内的PC与PLC设备的连接。方案实施时，同样需要考虑固定IP地址问题。在数据传输时，GPRSModem 通常作为访问的发起者连接路由器。GPRSModem需要获取到路由器的公网IP，才能访问到路由器。这里的公网IP即为工程师站的固定IP。若按方案二中阐述的IP地址获取方式，显然GPRSModem需要具有支持DDNS功能。
图3 通过GPRS Modem,建立PC与PLC设备之间的远程连接。
目前，除南韩及日本，GPRS网络已广泛覆盖至全球范围。GPRS以分组交换技术为基础，采用TCP/IP通讯协议，从而将移动通信与Internet网络联系起来。随着运营商网络建设的加速GPRS网络基础上发展的2.75GEDGE网络，传输速率高可达210kbit/s。GPRS在线。GPRS网络在数据通讯上具有通用性、实时性、高速传输及运营成本低等优势，是目前无线通讯领域采用较多的网络。特别是随着3G技术的发展，基于移动网络的数据传输性能将大大tisheng。基于GPRS网络的PLC远程诊断与维护方案，较有线的通讯方式，组网更为方便与灵活；在线与高通讯速率，满足了工程师PLC快速诊断与维护的需求。
当前业内越来越多的设备制造商开始提供或出售设备的在线服务，tisheng品牌竞争力的大大降低服务成本。本文提出的三种PLC远程维护方案，适用于不同应用的需求。但随着以太网技术在工业自动化的发展，我们可以预见，未来基于以太网和互联网的远程访问方式必将成为发展趋势。
PC与PLC之间使用PC ADAPTER USB（6ES7972-0CB20-0XA0)连接，CPU是315-2DP,在不插入MMC卡时，可以建立连接，但下载硬件时会报SDB过大的错误。但一插入MMC卡，立即就会变成无法连接。使用CPU上的复位键做过复位，但问题不能解决。
答：使用下面的方法试试再下载
1、可以采用压缩功能：
将CPU置于STOP状态,此时：
可以执行菜单PLC/Diagnostic Setting/Module Inbbbbation（PLC/诊断/设置/模块信息），打开模块信息窗口，选定“Memory”（存储器）选项，可以看到CPU的工作存储器和装载存储器当前使用的情况，装载内存（Load Memory RAM） 是否有足够的空间来存储新的快，你可以点击“Compress”（压缩）按钮，以便释放更多存储空间。
2、按以下步骤删除CPU中的MMC卡上的块：
、将要删除的MMC卡插入到CPU。
、 在SIMATIC管理器中，通过“View > Online”或通过相关按钮切换到在线模式。
、在在线窗口中选择块文件夹。
、标记文件夹中所有的块。
、右击并选择“Delete”(可确认 提示系统函数不能删除的信息)。
3、如果希望删除带密码保护的 MMC，按以下步骤进行。
将 MMC 卡插入到 PG 或者是个人电脑的 SIMATIC USB 读卡器中。
在 SIMATIC 管理器中选择“File”。
选择 “S7 Memory Card” ==> “Delete...”
SDB过大的错误。即系统数据过大的错误。做的就是清楚PLC内部所有数据。清空数据，就像用一个新的plc一样。再把的项目的程序和硬件组态重新下载到PLC当中。
插入MMC卡就连不上？
这个MMC卡不是新的，内部有其它的数据，这样插入PLC当中就会出项这种情况！因为MMC卡内存在着别的程序和硬件组态。
你要做的就是清楚MMC卡之后再插上mmc，把你的整个项目，先把硬件组态编译保存，产生的SDB数据没有错误，把这个硬件组态先下载到你的plc中，把程序下载到PLC中。
清楚MMC卡的方法：
（1）对新型S7-300（带MMC卡），方法如下: 建立电脑与CPU之间的连接，在SIMATIC管理器中，选择菜单View（查看）/Online（在线），在线打开Blocks（块），选中块，右击选择“删除”，即可删除CPU工作存储器中内容，也删除了MMC卡中内容；你也可以使用菜单PLC/Download user program to memory card（把用户程序下载到存储卡中），下载一个空的程序到MMC卡中，间接把MMC卡中程序删除；你也可以利用PG 或西门子专用读卡器来删除MMC卡中程序。
（2）对于标准S7-300（使用闪存FEPROM卡），在SIMATIC管理器中，选择菜单View（查看）/Online（在线），在线打开Blocks（块），选中块，右击选择“删除”，即可删除CPU工作存储器中内容，执行菜单PLC/Copy RAM to ROM（复制RAM到ROM），即把在线空的程序下载到FEPROM卡中，把FEPROM卡中程序删除。
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。PLC控制系统的基本内容包括如下几点：
1)选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关）、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他课程和有关书籍中已有介绍。
2)PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC，对于保证整个控制系统的技术、经济性能指标起着重要作用。
选择PLC，应包的选择、容量的选择、I/O点数（模块）的选择、电源模块以及特殊功能模块的选择等。
3)分配I/O点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。
4)设计控制程序。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键。控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。它应包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。
5)根据系统的情况，如操作的方便、环境的状况等，在必要时还需设计控制台（柜）。
6)编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。
传统的电气图，一般包括电气原理图、电气布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，在电气原理图中应增加PLC的输入、输出电气连接图（即I/O接口图）。
在PLC控制系统中，电气图还应包括程序图（梯形图），可以称之为“软件图”。向用户提供“软件图”，可方便用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员tigao了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，tigao了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配。
表 1 I/O 分配表
先将机械手进行复位操作。 当机械手未到原位，此时 PLC 输入电平信号跟脉冲信号 CP-1给步进电机横轴驱动器，连接横轴的步进电机反转，横轴往后缩，后缩到位后会碰到后限位开关 SQ3，SQ3启动之后，主机就输入电平信号跟脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器，竖轴步进电机控制竖轴上升，上升到位后会触碰到竖轴反限位开关SQ4，SQ4 启动之后，主机输入旋转脉冲信号 SB-0 给直流电机驱动器 3，4，完成机械手的复位动作即 YU21 和 YU22的动作。 复位操作结束后，主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，步进电机开始正转，横轴实现进给操作YV2，横轴进给到位时碰到正限位开关 SQ1，进给完成。 机械手收到主机发送电压信号，旋转至已定的角度，完成动作YV20，这时气动电磁阀断电，机械手张开。主机再输入电平信号跟脉冲信号 CP-2给竖轴驱动器使步进电机开始反转，竖轴下降。当竖轴下降至碰到限位开关时 SQ4，下降停止，电磁阀得电机械手夹紧。夹紧后，主机只输入脉冲信号 CP-2 给竖轴步进电机驱动器，步进电机得电正转竖轴上升，碰到限位开关 SQ2后，上升停止，启动横轴步进电机驱动器脉冲 CP-1，步进电机得电开始反转，横轴缩回。 碰到限位开关 SQ3 后，PLC发送旋转脉冲信号 SB0给底盘，底盘正旋转到位。此时主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，横轴第二次向前伸出，碰到限位开关SQ1 后停止。 停止后主机输入电平和脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器 2 使得竖轴电机 2反转使竖轴下降，下降到位碰到竖轴正限位开关 SQ2停止，此时电磁阀断电，卡爪和真空吸盘放松，释放工件，完成整套的工件运送工作。本机械手实训装置采用的 PLC 具有高速运算能力和 PID调节功能，可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。 图 3为控制输出两路脉冲梯形图，可以控制两个方向的电机运动，节省搬运时间。
图 3 输出两路脉冲梯形图
4 结语
本项目研制的机械手系统稳定、使用方便、成本低，具有可编程、二次设计等开放式功能特点，对tigao学生的创新能力和综合实践能力有显著效果。