西门子6ES7241-1AA22-0XA0参数说明
引言
机械手广泛用于机械制造、冶金、电子和轻工等部门，其执行机构一般由液压、气动或电机来完成，由于气压技术以压缩空气为介质，结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能，工作寿命长，特别是对环境没有污染、易于控制和维护，机械手的驱动系统常采用气动技术。机械手系统核心的部分是执行系统和控制系统，这里我们介绍基于三菱FX系列的PLC来实现对气动机械手的控制。
1系统结构和功能介绍
如图l所示，机械手的终端是一个气动夹爪，可以实现抓和放的动作，由一个双作用气缸和一个双电控电磁阀来完成控制;气动夹爪安装在一个垂直方向的双作用气缸上，能实现上升和下降动作，方向的控制由一个单电控的电磁阀来完成;垂直方向的气缸又安装在一个水平方向的伸缩气缸上，能实现伸出和缩回动作，水平双作用气缸由一个双电控的电磁阀完成;水平气缸再安装在一个双作用旋转气缸上，能实现左旋和右旋动作，我们希望它能停在活动范围的任意位置，选择了一个双电控的三位五通阀来控制。机械手的动作由4个电磁阀共7个控制点来实现其旋转、伸缩、上下和抓放的动作，其气动系统原理图见图2。
气动机械手的感知部分采用了这样一些信号开关：左右极限点各用1个电感式传感器，伸缩的前后极限点各采用了1个标准型的磁电开关，上下极限点也各采用磁电开关。这样这个机械手系统上就有了6个信号采集输入点。后机械手再配上2个按钮，分别用于启动和停止。这样本气动机械手的主要输人点有8个(见表1)。
本机械手功能是将一边的工件搬到另一边，如将一条生产线的工件搬到另一条生产线，或将一个工作站的工件搬到另一个工作站，工作顺序为：(上电).+复位_+(启动)-+伸出_+下降.+抓工件一+上升一缩回_+右旋_+伸出_下降-+放工件_+上升_缩回一左旋一+循环。
2 PLC控制设计
2.1 PLC L/O表和PLC VO接线图
机械手系统与PLC的L/O表如表1，与PLC的VO连接图如图3所示。
2.2软件设计
机械手动作是：设复位状态为左边、伸缩气缸缩回、气爪放松。上电后复位就是需要左旋至左极限、缩回至后极限、放松气爪;按下启动按钮后，伸缩气缸伸出，直至前极限点;下一个动作是机械手下降至下极限点;抓工件，此处由于没有传感器，可安排一定的保持时间，如ls;的动作是机械手上升至上极限;缩回至后极限;接着机械手右旋至右极限;机械手再伸出至前极限;机械手下降至下极限;下一步是将工件放下，完成工件的搬运工作;机械手应返回原始位置，即先上升至上极限，缩回至后极限，再左旋至左极限，即原点。至此，气动机械手通过13个动作完成一个工作周期，可返回进行下一个循环。这里，我们注意到机械手都要在缩回后再旋转，这时为了避免悬臂梁过长而造成干涉或者机械的笨重。PLC控制程序的功能图见图4，将此功能图转换为梯形图，就可以成为PLC控制程序，从而实现对本气动机械手的动作控制。
梯形图的设计：梯形图的编制方法很多，可以用起保停的方法，即按条件起动保持(自锁)，下一个状态成立时切断上一个状态;也可以使用[SET]和[1iST]来完成;比较典型的是以[STL]为特征的步进梯形图;如果要精简一些，我们也可以用移位指令来完成，如本例可以用[SFTLMS0 M0 K14K1]，其中SFTL是左移位指令，M50是补位的，M0是起始状态继电器，K14表示共14各继电器，即M0～M13，K1表示一位一位左移。部分程序如图5。
3结束语
由“可编程序控制器一传感器.气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面。电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服等先进技术走出实验室，气动技术及气动机械手将迎来崭新的明天。
研究了西门子可编程控制器(PLC)软冗余系统的软硬件组成及实现原理。典型的PLC软冗余系统由主/备的CPU、电源、I/O模块和总线等组成。一旦发生故障，备CPU接替主CPU工作，保证系统正常运行。分析了PLC软冗余系统在主CPU、电源、I/()模块和Profibus总线等分别发生故障情况下，不同故障发生时刻引发的软件中断和主备切换过程，得出了相应的主/备切换时间极限值的估算公式。分析了PI.C软冗余系统的数据同步过程，得出了数据同步时间的估算公式。通过分析可知，PLC软冗余系统的主备切换时间和数据同步时间较长，适合于对实时性要求不严格的生产过程控制。
关键词：软冗余;主备切换;数据同步;可编程控制器;网络故障
在工业自动化系统中，为了使系统长期稳定可靠地运行，大量选用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，甚至在此基础上组建冗余系统提高系统的可靠性。冗余的分类方式很多。目前，采用的PLC冗余方式分为2种，即软冗余和硬亢余。
西门子公司在这2方面均给出了解决方案。基于S7—400H的硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。而基于S7—300或S7—400的软冗余是一种综合考虑提高可靠性和降低成本的折中方案。
目前，软冗余系统已经在污水处理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍应用。但目前对于软冗余的性能，仍缺乏系统的研究。文中叙述西门子PLC软冗余系统的实现原理，重点分析主备切换时间和数据同步时间，以便为类似控制系统设计提供参考依据。
l软冗余实现原理
典型的PLC软冗余系统组成案例如图1所示。
在系统运行时2个CPU均启动，但只有主CPU执行控制命令，备用CPU检测主CPU状态，时刻准备接替主CPU继续工作。与主CPU通信的IMl53—2模块处于激活状态使主CPU能访问I/0模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。这些故障包括：主机架电源、背板总线等故障;CPU故障;Profibus现场总线网络故障;ET200M站的通信接口模块IMl53故障。
PLC软冗余系统要实现软冗余功能，需要存程序中调用冗余软件包的功能模块，其主要包括：初始化冗余系统运行参数的FCl00模块;故障诊断、主备切换的FCl02模块;发送/接收数据的FBl03模块;调用FBl03进行数据同步、分析系统状态的FBl01模块。带有冗余功能的程序结构见图2。
在PLC每个循环执行周期中，主系统先凋用FBl01接收并分析备系统状态，执行冗余程序，后再调用FBl01将需要同步的数据发送到备系统。备系统先调用FBl01接收并分析主系统状态，跳过冗余程序，将备系统状态发送到主系统。需注意的是，实现冗余功能的重要模块FBl01执行时先分析主备系统状态，再发送数据(或接收数据)。由于软件是顺序执行，将导致接收到对方故障信息后，对故障处理的滞后。软件顺序执行机制是导致软冗余切换时间较长的一个重要原因。
2主备切换时间分析
主备切换时间是指系统发生故障到备站接替主站正常丁作所需要的时间。
2.1主CPU或电源模块故障分析
当前2种故障发生时，ET200M站的主通信接口模块IMl53与主CPU失去连接。自动在主备通信接口模块IM]53之间实现切换。备CPU在向主CPU发送备站状态时将检测到同步线数据传输错误，继而主动切换成主CPU。
如果主CPU故障m现在备CPU调用FBl01执行发送功能之前，那么备CPU在调用发送功能时就能检测到与主CPU通信连接故障，并在下一个周期调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t短。
式中t为主备切换时间;k为PIC循环扫描周期;tFBl01为冗余功能块FBl01执行时间。
如果主CPU故障发生时备CPU刚调用FB101执行完发送功能，那么备CPU要在下一个周期调用发送功能时才能检测到与主CPU通信连接故障，并且还要等待调用接收功能时备CPU切换成主CPU。此时主备切换时间t长。
2.2 Profibus或E'IR00M主站故障分析
当后2种故障发生时，发生故障的ET200M从站的备IMl53将检测到主IMl53故障，自动将自己切换为主IMl53。主CPU将因为与故障IMl53失去连接而引发OB86(故障诊断)中断，并在中断中调用诊断模块FCl02完成所有从站的切换，并将自己置为备用。主CPU将故障信息发送到备CPU。备CPU收到故障信息后将自己切换成主CPU。这时的切换时间为
式中tR为()B86中断响应时间，CPU315—2DP为1ms;tE为()B86执行时问;ts为故障状态发送时间;fD为数据接收完毕到备站切换成主站的时间间隔。
因为OB86中只调用FCl02诊断模块，tE由FCl02的执行时间决定。为分析OB86中调用FCl02时FCl02的执行顺序，对FCl02进行了适当的修改以便采集数据。这些修改主要包括：在FCl02的开始加入采集状态程序段;在跳转指令处采集跳转条件。在手动触发一些故障之后，对得到的数据进行分析便得到了FCl02的执行顺序。在各个代码段两端插入读系统时间功能块，对FCl02的程序执行时间进行分段测量。结果如表l所示(表中，t正。为SFC58执行时间;t2ss8为2次SFC58执行时间it7为其余时间;tvcl。2为FCl02总执行时间)。
测量结果中FCl02执行时间并不等于各个时间段之和，这是因为读系统时间功能块的测量精度只能达到lms。但从表中仍不难看出FCl02执行时间主要集中在调用系统功能SFC58向ET200M写数据(控制从站切换)的操作上，SFC58的调用次数等于ET200M从站个数，可以近似得出tE=3ms×ET200M从站个数。
式(3)中ts与主CPU的0886中断产生的时刻有很大关系。
如果主CPU在调用FBl0]执行发送功能之前产生()B86中断，则在发送数据时主CPU直接把故障状态发送给备站，在这种情况下ts短，为发送一次数据所用时间t，即
若主CPU调用FBl01执行完发送功能时产生OB86中断，则主CPU要把先前数据发送完毕才能发送故障状态到备站。在这种情况下，由于先前数据发送完毕的时刻不同，ts也会得到不同的值。
a.若先前数据发送完毕在主CPU调州FB101执行发送功能之前，将立即发送主站的状态，则
b.若先前数据发送完毕在主CPU执行完发送功能之后，则要等到下个周期调用发送功能时才能发送主站的故障状态。此时，ts是长的。
式(3)中tD与备站接收完故障状态的时刻有密切关系。
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之前，则备CPU将马上得到主CPU状态，并在调用发送功能时备CPU切换成主CPU。此时tD小，仅为一个FBl01的执行时间，即
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之后，则备CPU要等到下个周期调用接收功能时才能获得主站的状态，并在涮用发送功能时切换成主CPU。此时tD是大的。
由以上分析可知，在以下2种情况将得到这2类故障主备CPU切换时间的极限值。
a.如果故障发生后主CPU马上发送故障状态，并且备CPU接收完数据是在备CPU调用接收功能之前，主备切换时间是短的。
b.如果故障发生时主CPU已经开始发送数据。并且此数据发送完毕是在主CPU调用完发送数据功能之后，而备CPU接收完数据是在备CPU调用完接收功能时，主备切换时问是长的。
以上所涉及的时间中，tE、t.和k所占比重大，其余时问经测量均约为1ms。如果要减小主备切换时间，必须减小tE、t，和k。要减小tE就要减少ET200M从站数量，即在满足要求的情况下减少I/0数量。减少t。好的方法是选择主站与备站之间较快的数据同步通信方式。如Profibus总线方式比西门子PLC自带的MPI方式能在较短的时间内发送更多个字节数据。但前一种方式需要配置通信模块。k为PLC循环扫描周期，与用户程序长度有关。典型的中等规模的PI。C控制系统，经计算主备切换时间的极限值范围约为150---500ms。
3数据同步时间分析
在PLC软冗余系统中，要使主系统发生故障时，备系统接替主系统继续工作，则系统在正常运行时，主控制器必须把需要同步的数据发送给备控制器，从而当故障发生时能够实现无扰切换。
数据同步时间是指系统正常运行时，主站将同步数据发送至备站所需时间。西门子软冗余系统的数据同步是根据数据量的大小通过定时中断方式分多次进行，单次同步的数据量相同。主CPU在同步开始时将所有需要同步的数据保存起来，每次发送相同长度的数据块到备CPU。备CPU每接收到一个数据块就将其分配到对应的地址空间中去。这种方式将时间平均分配到了各个执行周期，避免了单次发送所有数据消耗过多时间。这也导致了备站得到的数据将滞后手主站。通过分析可知，数据同步时间为
其中，LD为同步数据量。它为PLC输出过程映像区、位地址区所有冗余数据块、定时器和计数器的背景数据块和非冗余数据块长度之和。N为1次数据传送量，与数据同步方式有关。如Profibus总线方向可在1.5Mbit/s传输速率下。每60 ms传送240个字节数据。而西门子PLC自带的MPI方式只能在187.5Kbit/s传输速率下，每152 ms传送76个字节数据。行为传送1次数据程序执行周期数，即
式中td为传送1次数据的时间，与数据同步方式有关;t0B35为定时中断间隔时间。
为减小数据同步时间，应尽量减少同步数据量LD，选择较快的数据同步方式以增加1次数据传送量N和减少传送1次数据时间td。典型的中等规模PLC控制系统，数据同步时间可能超过ls。