西门子6ES7223-1PL22-0XA8参数说明
1 引 言
PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其体积小，具有高可靠性和很强的抗干扰能力，在工业控制中得到了广泛的使用。随着工业的自动化程度的提高，对PLC的应用提出了更高的要求：更快的处理速度，更高的可靠性，控制与管理功能一体化。控制与管理一体化也就是将计算机信息处理技术，网络通信技术应用于PLC，使PLC用于下位分散控制，用计算机提供图形显示界面，对下位机进行监控。本文讨论的是上位计算机与欧姆龙CPM2A型PLC的通信与监控设计。
2 通信协议
2.1 CPM2A 的通信链接方式
CPM2A有三种通信联系方式：上位链接系统、同位链接系统、ComPoBus通信系统。工厂自动化系统中常把三种系统复合起来一起使用来实现工厂自动化系统要求的多级功能。复合型PLC网络中，上位链接系统处于高位，负责整个系统的监控优化。
上位机与CMP2A的通信有两种方式：上位机命令与PLC通信命令。上位机命令方式上位机处于主动,命令由上位机发往PLC。采用上位机命令方式能方便的实现上位机对PLC的监控。上位机与CPM2A采用RS-232端口进行通信，串口接线如图1所示。
图1 CPM2A与上位机的链接
2.2 CPM2A的上位通信协议
CPM2A的数据是以帧的格式发送的，当通信命令小于一帧时，发送格式如图2所示。其中正文多122个字符。当命令块内容大于一帧时，由起始帧、中间帧、及结果帧组成。起始帧多131个字符，中间帧及结束帧多128个字符。起始帧由设备号、命令码、正文、 FCS、和分界符构成。中间帧有正文、FCS、分界符组成。结束帧由正文FCS、结束符组成。上位机每发送完一帧，在收到PLC发回的分界符后再发送下一帧。
图2 CPM2A 通信时命令块的格式
命令块中的校验码FCS是8位二进制数转换成的2位ASCⅡ字符。这8位数据是将一帧数据中校验码前的所有字符的ASCⅡ码位按连续异或的结果。转换成字符时，按照2位十六进制数转换成对应的数字字符。
PLC接收到上位机发送的命令帧后，自动产生响应块，响应块的格式与图2格式类似，只是在命令码后面多了两位的响应码，响应码表示了上位机命令的出错信息。响应码00表示PLC正常完成上位机命令。
3PLC命令的编写
在CPM2A的上位链接系统中，PLC接收指令并被动地给上位机返回响应块。作为下位机的PLC不需要编写通信程序。
上位机与PLC的通信不能改变PLC的输入状态。为了通过上位机改变PLC的输出，在编写下位机的程序时就要利用PLC的工作位，通过上位机改变工作位的状态来改变PLC的输出，从而达到上位机对PLC输出的控制。
如图3所示，在梯形图中加入了工作位3.00，4.00。系统正常工作时3.00，4.00置OFF，当需要实现上位机控制时，把3.00置ON，使PLC的输入端0.00失效，通过工作位4.00的通断来控制系统的输出。
图3 实现上位机监控的PLC编程
4 编写上位机通信程序
在上位链接系统中，通信一般都是由上位机发起的，按PLC标准通信进行连接。上位机给PLC发送操作指令，PLC按照指令执行相应的操作，给上位机返回数据。串口通信流程如下图。
图4 通信流程图
4.1 编写上位通信程序
编写通信程序可以采用语言或者汇编语言，下面给出的例子是用Delphi编写的上位机与CPM2A型PLC通信程序.通信采用标准通信模式。通信界面如图5。
图5 通信界面
//程序初始化:
procedure Tbbbb1.Init_PLC（nPort:integer）;
begin
if MSComm.PortOpen then
MSComm.PortOpen:=False;
MSComm.Commport:=nPort;
//通信端口选择
MSComm.Settings:=‘9600,e,7,1‘;
//1位起始位，7位数据位，偶效验，2位停止位，9600bps
MSComm.PortOpen:=True;//打开串口
end;
//FCS校验
function FCS（s:bbbbbb）:variant;
vari,len,tmpVar:integer;
DataCheck:byte;
f1,f2:byte;
begin
f1:=0;
f2:=0;
DataCheck:=0;
len:=length（s）;
tmpVar:=0;
for i:=1 to len do
begin
DataCheck:=ord（DataCheck） xor ord（s[i]）;
end;
f1:=DataCheck and $0f;
f2:=DataCheck and $f0;
f2:=f2 shr 4;
result:=inttostr（f2）+inttostr（f1）;
end;
// 调用MSComm控件实现PLC通信
procedure Tbbbb1.HandShake_PLC;
var
tmpByte1,tmpByte2:char;
tmpVar:bbbbbb;
s:bbbbbb;
begin
Init_PLC（1）;
&nbs
p; s:=Edit1.text;
tmpVar:=s+inttostr（FCS（s））+‘＊‘+chr（13）;
MSComm.RThreshold:=0;
MSComm.Output:=tmpVar;
//向串口输出数据
sleep（1000）;// 延时
tmpVar:=MSComm.bbbbb;
//从串口读取数据
tmpByte1:=tmpVar[5];
tmpByte2:=tmpVar[6];
if tmpByte1=chr（48）& tmpByte2:=chr（48）;
//校验码等于00,PLC正常完成操作
then
begin
Showmessage（‘发送的数据正确‘）;
else
Showmessage（‘发送的数据有问题‘）;
//end;
end;
4.2 实现上位机对PLC的监控
编写通信程序建立了上位机与PLC的连接.在PLC的任何工作方式下都可以通过”读”指令读取PLC的状态.从而对PLC进行监视.只有当PLC的工作方式为监视的情况下才可以通过上位机对PLC进行控制.在需要上位机实施控制的系统里面PLC都必须设置为监视工作方式.
上位机只需要设置PLC的相应工作位就可以实现对PLC的控制.下图为PLC上位机控制过程。图a表示PLC 正常工作时输出由输入0.00控制，当需要把PLC的控制转由上位机控制时，只需要通过向PLC输入@00RR00030001，置3.00为ON，切断0.00的通路，这样输出10.00就转由4.00控制，当输入@00WR00040001时,4.00为ON,输出位10.00产生输出。
（a） PLC正常工作
（b）上位机控制
图6 PLC的上位机控制
5 结束语
本文探讨了实现PLC的上位链接系统通信的方法，以及要实现上位机对下PLC控制的PLC编程。通过上位机对PLC的监视与控制，可用方便的实现工厂生产过程的自动化监控。
在传统的传动系统中，要保证多个执行元件间速度的一定关系，其中包括保证其间的速度同步或具有一定的速比，常采用机械传动刚性联接装置来实现。但有时若多个执行元件间的机械传动装置较大，执行元件间的距离较远时，就只得考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。下面以两个例子分别介绍利用PLC和变频器实现两个电机间速度同步和保持速度间一定速比的控制方法。
1、利用PLC和变频器实现速度同步控制
薄膜吹塑及印刷机组的主要功能是，利用挤出吹塑的方法进行塑料薄膜的加工，经过凹版印刷机实现对薄膜的印刷，印刷工艺根据要求不同可以采用单面单色、单面多色、双面单色或双面多色等方法。在整个机组中，有多个电机的速度需要进行控制，如挤出主驱动电机、薄膜拉伸牵引电机、印刷电机以及成品卷绕电机等。电机间的速度有一定的关系，如：挤出主电机的速度由生产量要求确定，但该速度确定之后，根据薄膜厚度，相应的牵引速度也就确定，挤出速度和牵引速度之间有一确定的关系；多组印刷胶辘必须保证同步，印刷电机和牵引电机速度也必须保持同步，否则，将影响薄膜的质量、印刷效果以及生产的连续性；卷绕电机的速度受印刷速度的限制，作相应变化，以保证经过印刷的薄膜能以恒定的张力进行卷绕。
在上述机组的传动系统中，多组印刷胶辘的同步驱动可利用刚性的机械轴联接，整个印刷胶辘的驱动由一台电机驱动，这样就保证了它们之间的同步。印刷电机的速度必须保证与牵引电机的速度同步，否则，在此两道工艺之间薄膜会出现过紧或过松的现象，影响印刷质量和生产的连续性。印刷生置与牵引装置相距甚远，无法采用机械刚性联接的方法。为实现牵引与印刷间的同步控制，牵引电机和印刷电机各采用变频器进行调速，再用PLC对两台变频器直接控制。
牵引电机和印刷电机采用变频调速，其控制框图如图1所示。在这个闭环控制中，以牵引辘的速度为目标，由印刷电机变频器调节印刷辘速度来跟踪牵引辘的速度。利用旋转编码器1和旋转编码器2分别采集上述两个电机的脉冲信号（编码器位置参见图3），并送到PLC的高速计数口或接在CPU的IR00000～IR00003。以这两个速度信号数据为输入量，进行比例积分（PI）控制算法，运算结果作为输出信号送PLC的模拟量模块，以控制印刷电机的变频器。这样，就可以保证印刷速度跟踪牵引速度的变化而发生变化，使两个速度保持同步。
采用PI控制算法进行速度调节，程序设计框图见图2。图中取自编码器采集的脉冲信号，转换成电机的速度数据，经上下限处理后，存储于某个DM区中，以作为运算中的y值。计算后的p值，送到模拟量输出通道，经过上下限标定后，换算成变频器能接受的电流或电压信号，以控制印刷电机的变频器。
为确保薄膜在牵引和印刷两道工序间保持恒定的张力，在这两个装置之间增加一组浮动辘调节装置，其结构如图3所示。
上面的浮动辘调节装置，也用于减少因电源系统波动等因素引起的外来干扰。但波动引起的速度差别，经过一段时间后，会使两个浮动辘位置升得太高或降得太低。在设计PI控制算法时，考虑了这些干扰因素的影响，利用积分环节I来调节累积误差，使得牵引辘和印刷辘能进行同步控制，并且同步精度较高，从而确保这个控制系统的稳定性。
2、利用PLC和变频器实现稳定速比的控制
在聚丙烯（PP）纺丝设备中，经过预拉伸的纤维需要进行热拉伸。热拉伸在两个经过加热的辘筒与预拉伸辘之间进行，各辘筒由电机分别驱动。原有的电机调速是采用直流电机驱动，由电位器调节的。在生产中经常出现速度波动现象，速比不能稳定，加工过程易出现“缠辘”现象，成品纤维出现“毛丝”和“硬头丝”，影响化纤成品的质量。在纺丝时，预拉伸辘的速度受PP原料、分子线形取向等工艺要求的变化，应能方便地进行调节。确定了拉伸比后，热拉伸辘的速度要快速地进行眼踪和变化。采用可编程控制器（PLC）和变频器进行控制，能较好地稳定两个热拉伸辘与预拉伸辘之间的速比。
图4是PP纺丝机中热拉伸的结构原理图。预拉伸棍和两个热拉伸辘由3台电机分别驱动，热拉伸两辘速度相同，化纤无拉伸，起稳定纤维性能作用；热拉伸辑与预拉伸辗间具有一定的速比，某一个速度发生变化时，另一个也需要根据速比进行相应的变化。由旋转编码器采集的脉冲信号，送PLC的高速计数口或接CPU的IR00000～IR00003，转换成速度数据后，作为比例积分（PI）控制算法的输入参数。运算结果作为输出参数，经PLC的模拟量输出模块标定后，以电流或电压形成控制各电机的调速变频器。控制算法中，预拉伸辘速度数据V1乘上某个速比u后（速比可调），作为目标值，使热拉伸辑的速度数据V2跟踪（V1·u）的变化。
3、结束语
随着变频器技术的成熟和使用范围的扩大，可利用可编程控制器（PLC）对其进行控制，从而适应传动系统中对速度控制灵活性、准确性和可靠性等的不同要求。上述两个例子均是实际生产中应用PLC和变频器进行速度控制的实例，均较好地达到预期的同步或给定速比控制要求。
一、引言
可编程序控制器（PLC）突出的特点是可*性高，在以PLC为主组成的PLC控制系统中绝大部分故障来自外部控制电器，如由按钮，行程开关等的损坏所引起。控制电器的故障分为两类：一类是控制电器的触点产生氧化膜，使触点无法闭合而产生开路故障；另一类是控制电器触点熔合而产生短路故障。这都将影响PLC控制系统的正常工作。为能快速准确地对PLC控制系统中控制电器的故障进行检测，探讨利用PLC内部富余的器件对PLC输入控制电器的开路与短路故障进行自动诊断，以便及时排除故障，保证PLC控制系统的正常运行。
二、输入控制电器短路故障的检测
1、短路故障的分析与设计
为检测出某控制电器的短路故障，可在梯形图有关的步序段中串联上被检测电器的常开点，当该电器常开点变为闭合即出现短路故障时，则立即接通输出继电器，此继电器为PLC辅助继电器，使有关的输出设备停止工作，并使故障指示灯亮，以使操作人员迅速发现故障并判断出原因。为避免在步序转换瞬间有些被检测电器的常开点闭合，致使故障指示出现短暂的错误，可根据需要设置若干个定时器，使步转换时间相同且有间隔的步共用一个定时器。定时器的常开点串联在相应的步序段中，时间设定值略大于步转换时间，这样就不会出现错误的故障指示。若在每一步序段中设置一个由PLC内部辅助继电器组成的步序状态指示器，将指示器的常开点与上述定时器的常开点和故障输出继电器串联起来，就可实现利用步序状态指示器对该步进行故障检测。只有系统运行到该步才能检测出有关的故障电器。
PLC控制系统的输入控制电器可能多达几十甚至上百个，即系统有几十甚至上百个步序段，而状态寄存器的触点只能使用一次。若按步序指令编制程序，为检测故障就需另选内部辅助继电器作为状态指示器。这样不仅占用了大量辅助继电器，使梯形图相当复杂。在这种情形之下，采用移位寄存器的编程方法来编制程序比较理想。这样不仅可以利用移位寄存器对众多步序段系统进行控制，可利用PLC内部丰富的辅助继电器作为步序状态指示器，从而实现对众多输入控制电器的故障检测。
2、故障检测的选择
假若在每一步序段对所有的输入控制电器全部进行检测，这将使梯形图非常繁杂。经分析和实际运用证明，不需要在每步序段对所有输入控制电器进行短路检测，只要在某步序段检测一个有关的输入电器即可。一般选取每一步序段中LD指令的控制电器，即开始某段程序的控制电器。
三、输入控制电器开路故障的检测
1、开路故障的分析与设计
在PLC控制系统正常运行的状态下，每一步序都有一定的时间间隔。若输入控制电器出现了开路故障，则系统将无法转入下一步的工作而停顿。故必须检测出控制电器的开路故障。要检测开路故障只要将有关步序的步序状态指示器的常开点和下一步步序状态指示器常闭点及定时器的线圈串联起来，在该步序段开始时立即定时，当该步序段结束并转入下一步后使定时器复位。若系统在定时器设定时间内结束该步，定时时间到，则其常开点闭合，指示出故障信号。定时器的定时值的选取需要注意以下两点：一是保证系统迅速检测出开路故障；二是准确的定时时间（即步进时间）需要现场调试确定。
2、故障检测的选择
对大量输入控制电器进行开路检测必将占用较多的定时器，而PLC内部定时器数量有限，故对控制电器的检测可作如下处理：
（1）对于步序时间相同且有间隔的步可共用一个定时器。
（2）开路故障检测选取某步序段前OUT的控制电器。
（3）选择故障率高的控制电器进行检测。
四、故障检测的设计
1、瓶签检测系统
瓶签检测系统如图1所示。
图1 瓶签检测线
系统中有光电开关0001和0002检查传送带上的瓶子。若检测到无标签的瓶子则0001通，这时系统控制一个机械手从A传送带拿开并放到B传送带上。当机械手回到始位后，机械手原始位置0004检测接通，系统还对无标签的瓶子进行计数，当计数值达到设定值时报警灯亮。
2、控制系统梯形图
设计出C系列PLC控制系统梯形图如图2所示。
图2 瓶签检测PLC控制系统梯形图
3、控制电器开路故障检测
需要检测的控制电器有光电开关0001和0002，停止按钮0003和机械手原始位置检测0004。根据上述思路设计出输入控制电器的开路故障检测梯形图，如图3所示。
图3 输入控制电路开路故障检测梯形图
4、控制电器短路故障检测
需要检测的控制电器与开路时相同。设计出控制电器短路故障检测梯形图，如图4所示。
图4 输入控制电器短路故障检测梯形图
5、几点说明
（1）鉴于瓶签检测系统输出点较少，PLC内部剩余了较多输出点，在设计中使用较为简单的方法实现对控制电器的故障检测，各个被检测电器的每种故障由一个独立输出点予以显示，使故障的显示一一对应，清晰明了。
(2）若控制系统比较复杂，输入控制电器和输出设备较多，使输出点数富余较少时，为减少故障显示所占用的输出点数，需加入状态指示器，可采用8421码来分配故障显示灯（输出点对应的指示灯），而程序作相应的调整就可以了。
五、结束语
PLC的内部资源如输出继电器、辅助继电器、定时器等，一般情形之下均未被完全利用，可利用这些内部富余的电器对PLC外部的输入控制电器进行故障自动检测。该检测无需任何外部元器件和经费就可实现。这对于保证PLC控制系统的正常运行具有重要意义。