西门子6ES7212-1AB23-0XB8产品规格
1引言
为了煤矿生产的安全性，用于煤矿斜井tisheng设备中的绞车底盘及三环链等设备，均需要进行检验，通过后方可允许批量生产和使用。而传统的检验设备，无论在控制方式上，还是在检验手段上，均较落后，检验效率较低，设备的故障率也较高。现有检验设备的改造问题，是目前国内各个检验中心急需进行的主要任务之一。
2检验原理及硬件系统设计
用于煤矿斜井tisheng的绞车、三环链等设备。在批量生产前，必须到的检验中心进行性能指标的检测，主要测试其抗拉强度等性能指标，测出其小拉断拉力，并与其承载量相对应的国家规定标准进行比较。当其小拉断拉力大于标准所规定的允许抗拉强度时，则可判定该产品的抗拉强度满足要求。
对上述设备进行检验的PLC控制系统的组成框图如图1所示，由触摸屏、PLC传感器、控制按钮、控制设备及运行状态指示等部分组成。
触摸屏主要用于完成被检设备的信息输人、设备的启停控制、测得的拉力数值的显示输出以及其他相关信息的输出;传感器将测得的拉力信号经A/D转换后送入PLC，在PLC内部进行相应的运算后，送到触摸屏进行显示;PLC是控制系统的核心，主要用于接收触摸屏输人的相关信息及控制指令，输出相应的控制命令，经A/D转换器读取拉力传感器测得的数据。本系统中PLC选用松下电工的F印型PLC，触摸屏选用GT一10型单色显示触摸屏。PLC的资源分配如表1所示。
3软件设计
控制程序流程图如图2所示。其中对拉力值的处理是主要应注意的问题。PLC读取测得的拉力值，在试验过程中，拉力值将逐渐增加，当拉断的瞬间，拉力值将立即减小。根据这个拉力值的变化，PLC可判断试件是否拉断。PLC在每次读取测得的拉力后，应将拉力值保存在一个特定的单元内，下一次读取的值与所存的值进行比较。如果当前值小于存储值，则可断定试件已拉断，存储值为拉断拉力。若当前值大于存储值，则用当前值替换存储值，并进行下一次检测，直到拉断为止。系统拉力检测梯形图如图3所示。其中DTloo为经A/D转换后所得的拉力数值，D功单元用于存储暂存数值，DTloo单元用于存储拉断拉力值。
4结语
本系统以PLC为核心，利用PLC安全可靠的优点，较好地解决了测试过程中数据存储的问题，应用触摸屏作为人机界面，使操作变得更为直观。PLC与计算机的通信连接非常方便，也为试验系统与管理系统的连接做好了准备。此系统在实际运行过程中取得了较好的控制效果。
参考文献:
0、概述
计算机数字通信技术及信息技术的发展,推动了自动化技术的进步;特别是近10年来兴起的现场总线技术（Fieldbus）,是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸,它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革,是传统的基于PLC及DCS控制技术系统发展的必然归宿。
现场总线技术的一个显著特点是其开放性,允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准,自主开发具有特点及专有技术的产品。依照现场总线技术规范,不同厂家产品可以方便完成组态与集成,构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。
现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点,必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线技术的控制系统（FieldbusControl System-FCS）与人们预想的一样,对传统的PLC、DCS系统形成了巨大的冲击。FCS已不再是一种预测、一种设想,而是实实在在的作为先进控制系统产品出现在市场上。本文将描述传统PLC控制系统向基于现场总线控制系统的演变过程,以现场总线PROHBUS为背景,描述一个基于现场总线控制系统的结构组成,并分析系统的市场前景。
本文中提到的一些名词及缩写：
FCS：基于现场总线技术的控制系统（FieldbusControl System -FCS）
现场设备：指现场级检测及执行设备,如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。
基于PLC的控制系统：指以PLC、远程I/O及PLC网络为基础的分布式控制系统。
控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。
1、传统控制系统向基于现场总线控制系统的演变
现场总线技术的一个显著特点是其开放性,允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准,自主开发具有特点及专有技术的产品。现场总线技术引入自动化控制系统,促使传统控制系统结构演化,逐步形成基于现场总线的控制系统FCS。
1．1从PLC到通用工业PC
（1）在传统控制系统中,控制器（或称CPU、或处理器）与I/O模块及其它功能模块、机架为同一系列产品,有一致的物理结构设计。典型的结构是I/O模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（公司设计产品而自定义总线）连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品的连接技术是封闭的,第3方面想开发兼容产品必须得到厂家允许。
采用通用的工业PC做控制系统控制器优点如下：
（1）开放性、标准化系统软件与控制器硬件不再维持捆绑关系,自动化软件厂家可以独立开发不依赖于控制器品牌的FCS系统软件。基于bbbbbbs/NT的操作系统平台,具有大量的标准的软件工具和数据文件格式可以兼容。
（2）价格通用的工业PC容易形成规模经营,价格比PLC便宜。
（3）性能指标高、产品更新换代快通用的工业PC搭乘PC机技术发展快车,技术指标高、产品更新换代快。
（4）向上连接计算机管理网络（如IEC802.3TCP/IP）技术成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技术与管理数据库连接。
1．2从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O
在FCS系统中,插在控制器机架上的I/O模块将被连接到现场总线上的分散式I/O模块所取代。分散式I/O不再是控制器厂家的捆绑产品,而是第3方厂家的产品;廉价的、专用的、具有特殊品质的I/O模块（如高防护等级、本征安全、可接受RTD、mV、高压、大电流信号等）将具有广阔市场。FCS的控制器与传统PLC配置方式的比较见图1。
1．3从PLCI/O控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备
现场设备如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等;传统PLC系统使用I/O连接与PLCI/O模块连接,PLC通过模拟量4-20mA或开关量（如24VDC）控制监测现场设备。在FCS系统中,现场设备具有现场总线接口,控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。
1．4系统软件
在传统PLC系统中,系统软件（包括PLC系统软件和编程软件）与PLC硬件联系紧密,技术上对外是封闭的。在FCS系统中,控制器采用通用工业PC平台,系统软件不再与控制器、I/O、现场设备等硬件捆绑,可运行在通用标准的工业PC+bbbbbbS/NT平台上。
2、基于现场总线的先进控制系统组成
以工业PC机及bbbbbbs/NT为平台,加载FCS系统软件做控制器;通过现场总线连接各种现场设备,这便是基于现场总线的先进控制系统的基本组成。下面以现场总线Profibus为例,虚构一个基于现场总线PROFIBUS的先进控制系统一ACSBPB（AdvancedControl System Based on PROFIBUStechnology）,说明基于现场总线的先进控制系统组成。
2．1现场总线（PROFlBUS）概况
现场总线Profibus技术于1987年,由SIEMENS公司等13家企业和5家科研机构联合提出：1989年批准为德国标准DIN192450经应用完善后,于1996年6月批准为欧洲现场总线标准EN50170V.2。目前,根据国际IEC标准委员会达成的关于现场总线的妥协方案,PROFIBUS现场总线标准已成为国际现场总线标准IEC61158的一个组成部分。
目前国际上有250多家企业,生产1600多种符合PRORBIjS标准的产品。在不阔的应用领域中已有200多万个设备安装运行。应用涉及到工业自动化的各个主要领域,包括：制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓储系统）楼宇自动化（供热、空调系统）、交通管理自动化、过程自动化（清洗工厂、化工和石化工厂、造纸和纺织品工业）、电力工业和电力输送（发电厂、开关装置）。Profibus标准产品在欧洲现场总线产品市场占有率,超过40%。
Profibus用户组织已建立了质量认证程序,在德国和美国建立了测试实验室,包括硬件测试和一致性、互操作性测试。
2．2现场总线PROFlBUS技术概要
（1）Profibus由3个兼容部分组成,即PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery)、PROFIBUSPA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。PROFIBIJS-PA专为过程自动化设计,并有本征安全技术规范。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络。
（2）Profibus协议结构PROFIBUS协议结构是根据IS07498,以开放式系统互联网络（OpenSystem Interconnection-SIO）作为参考模型。PROFIBUS-DP、FMS、PA定义了第12、7层和用户接口。第3到6层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,定义了现场设备行为的行规。
（3）Profibus传输技术PROFIBUS提供了4种数据传输类型：用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IEC1158-2传输及光纤、红外传输。
（4）设备类型2类主站（DPM2）指可进行编程、组态、诊断的设备。1类主站（DPM1）是可编程序控制器,如PLC、PC等。从站是指带开关量或模拟量的现场设备,如驱动器、阀门等。
（5）电子设备数据文件（GSD）为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起,厂家必须提供GSD文件（电子设备数据库文件）,描述产品的功能参数。PROFIBUS组态工具可根据将厂商提供的GSD文件将其设备集成在同一总线系统中。
2．3基于现场总线（Profibus）的先进控制系统的结构及组成
基于现场总线（PROHBUS）的先进控制系统ACSBPB是一个面向制造业自动化、现场及车间级自动化控制系统。
（1）系统网络结构ACSBPB由2级网络结构组成：底层是基于Profibus-DKPA的现场级设备层控制系统;上1层是基于PROFIBUS-FMS或工业以太网专题">工业以太网及TCP/IP的车间级监控系统。监控层计算机向上支持工厂管理级网络接口及通信驱动和数据库接口。底层PROHBUS-DP支持9.6k~12M的通信速率和中继器（REPEATER）的扩展功能。底层PROFIBUS-DP还支持基于光纤传输介质的通信;可支持点对点、总线及环形光纤网。控制器可配置成双机热备及冗余通信模式,用于对可靠性要求很高的场合,详见图2。基于现场总线（PROFIBUS）的先进控制系统ACSBPB系统网络结构图。
（2）控制器或主站控制器基于通用工业PC机、bbbbbbs/WT软硬件平台。现场总线接口一般采用PCI总线的Profibus网卡（自主开发）。系统控制器或主站应具备双机热备、冗余通信系统功能。
（3）ACSBPB系统软件ACSBPB系统软件基于WIN/NT系统软件平台。它包含一个实时多任务操作系统内核,并为系统提供以下功能：
·基于IEC61131程序编辑软件包和软逻辑功能模块。
·绘图、数据库编辑工具包和实时在线监控软件包,包括流程、棒状图、趋势图显示功能。
·故障报警及记录、实时数据采集、存储、查询、统计、报表打印功能。
·基于INTRANET/INTERNET技术的远程数据流浏览、远程维护功能。
·支持OPC、DDE驱动接口。
·支持ODBC、SQL数据库接口。
（4）具有现场总线（Profibus）接口的底层现场设备。
·分散式I/O从站通过GSD文件组态,系统可连接任何厂家制造、经过Profibus标准认证的分布式I/O从站。
·智能分散式I/O-PLC从站通过GSD文件组态,系统可连接任何厂家制造、经过Profibus标准认证的智能分散式I/O从站。
·智能交直流驱动器通过GSD文件组态,系统可连接任何厂家制造、经过Profibus标准认证的智能交直流驱动器。智能交直流驱动器的参数化符合PROFIBUS-DP行规要求。
·智能执行机构包括气动、电动执行机构。通过GSD文件组态,系统可连接任何厂家制造、经过PROHBUS标准认证的智能执行机构。
·人机接口HMI包括字符型和图形、CRT/LED、带/不带触摸屏。通过Profibus接口,可连接一定型号的人机接口。
·传统现场设备与现场总线通信接口的软硬件接口可以是内置式或外置式,主要用于老设备的通信连网。接口1端是标准的Profibus接口,另1端视具体设备要求而定,如另一端可以是自由编程/ASIIC码的RS-232/485接口、I/O、PC/104、PCI等等。
·传感器与变送器包括电量监测及保护装置、开关设备、温度、压力、liuliang变送器。
（5）现场总线网络器件产品电缆、光缆、光端机模块、Profibus-DP/PA接头、PROFIBUS-PA总线接插件。
（6）不同现场总线标准协议之间的通信接口的软硬件包括藕合器、路由、网关。
（7）专用应用软件包包括自动化立体仓库软件包、生产线监测系统软件包、同步控制算法软件模块、张力控制算法软件模块、船闸控制系统软件包、船闸船只优调度算法软件等等。
3、基于现场总线的先进控制系统市场前景分析
3．1市场需求
目前,国内各行业竞争激烈。企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。企业有追求新技术、改造现有系统的需求。现场总线技术是未来自动化技术发展主流,基于现场总线的先进控制系统以其明显的技术优势和价格优势,在分布式控制系统市场中将逐步替代PLC产品。
3．2企业效益
（1）对现场设备制造商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品tigao了一个技术水平。由于现场总线技术的开放性,企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。比如,采用国外控制器和自主开发生产的分布式I/O或其他现场设备集成,将组成一个性能、价格都比较平衡的系统,根据笔者经验,这种配置在国内工程项目中是很有竞争力的。企业因产品技术进步将得到更多的市场机会。
（2）对自动化系统集成商应用现场总线的先进控制系统的自动化系统集成商有条件以系统为平台,利用自身在行业领域中的优势,开发出具有专用技术的控制系统,使系统集成增值,增加利润并扩大市场份额。
4、结束语
现场总线技术以其标准化、开放性使参与其中的企业收益;一切有远见和市场头脑的自动化行业志士仁人,都不会视而不见、无动于衷、漠视它的存在。丧失机会和主动将在未来市场中淘汰出局。国内企业应吸取在PLC、DCS技术和产业化方面发展的经验教训,把握机遇,结成技术及市场同盟,开发出拥有自主知识产权、基于现场总线技术的控制系统,并在优势行业上应用推广。这样,既可带动国内自动化行业的发展,也可将国内工业自动化装备tigao到一个新的水平,使我国自动化行业在未来国际自动化技术领域中及市场份额上都占有一席之地。本文的分析和观点,如能为国内自动化行业的技术专家、企业家和政府领导的决策提供有价值的参考,作者将感到十分高兴。
1引言
利用硬件描述语言结合可编程逻辑器件(PLD)可以极大地方便数字集成电路的设计，本文介绍一种利用VHDL．硬件描述语言结合现场可编程门阵列（FPGA)设计的数控延时器，延时器在时钟clk的作用下，从8位数据线输入延时量，到IATCH高电平时锁存数据，可以实现对触发脉冲TRIG的任意量的延时。由于延时范围不同，设计所用到的FPGA的资源也不同，本文详细介绍大延时量小于触发脉冲周期的情况。该延时器的软件编程和调试均在MuxplusII环境下完成，系统设计选用Altera公司的EPFl0K30AQC208-3，EPC1441型专用电路，与DSP相结合，应用于雷达目标模拟器的控制部分，实现对目标距离的模拟。
2 设计原理
笔者设计的数控延时器采用3个串联计数器来实现。由于在触发脉冲TRIG的上升沿开始延时，使用时钟的上升沿计数，考虑到VHDL对时钟描述的限制，设计采用计数器1产生同步脉冲SYNC，宽度为Tclk，利用SYNC的高电平触发cflag，并在延时结束后cflag清零；计数器2计算延时的长度；计数器3计算所要产生的输出脉冲OUTPUT的脉宽，并在计数结束时对计数器2和计数器3清零。延时器的外部接口电路如图1所示，原理框图如图2所示。整个电路的设计采用同步时钟计数以尽量减少因局部时钟不稳定所产生的毛刺和竞争冒险。
该数控延时器低电平时锁存数据，高电平时改变内部寄存器的数值(与AD9501型数控延时器的数据锁存端电平)。一般情况下，触发脉冲与时钟的上升沿是一致的，如果输入的触发脉冲与时钟不一致．则整个电路的延时将产生一定的误差。时序仿真如图3所示，延时量由dlyLH为高电平时数据总线data8上的数据决定。
该数控延时器的VHDL硬件描述语言程序如下：
在该程序中，cnt1为延时量，cnt2为输出脉冲的宽度，cflag为开始计数的标志。该段程序在触发脉冲的周期大于256*Tclk时，大延时量为256*Tclk，如果触发脉冲周期小于256*Tclk，则大延时量为Tclk一Toutput(Toutput为输出脉冲的宽度)。
事实上。在实际应用中，延时后的输出脉冲与输入的触发脉冲的频率并不相同，譬如在设计雷达目标模拟器时要求延时后产生一连串的7分频时钟，时序如图4所示(延时后产生11个7分频的脉冲，占空比为2：5)。
要产生上述触发脉冲，只需改变计数器2的长度，并在程序中加入case判断语句即可。
3 延时范围讨论
3．1 延时范围小于触发脉冲周期
这种情况只需增加数据输入端的位数，一般情况下，数据输入端位数是固定的，这时可以在FPGA的内部定义多位的数据寄存器。以延时范围为224*Tclk为例，在FPGA内部定义24位的数据寄存器，并定义3条地址线dlyLH1、dlyLH2和dlyLH3，通过8位数据总线分3次向数据寄存器送数，送数时间应在前一脉冲延时结束之后与下一脉冲到来之前。数据送入寄存器的程序如下：
3．2 延时范围大于触发脉冲周期
这种情况在实际应用中比较广泛．譬如在雷达模拟器的设计中，所模拟的目标的距离范围一般都很大．输出延时脉冲的延时量将大于1个触发脉冲周期，这时在考虑到FPGA资源的前提下．可以采用多路延时合并的处理方法。以延时范围小于4个周期为例，具体时序如图5所示。
利用SYNC信号4分频并产生4路分频后的信号。在FPGA内部设计4个延时电路，SYNC1、SYNC2、SYNC3、SYNC4分别作为4个延时电路的触发信号，每个延时电路仿照种延时范围的设计方法，输出触发脉冲通过4个或门送到输出端OUTPUT，每个延时电路内部都要定义1个与DATAREG位数相同的数据寄存器。延时数据在延时开始时送入内部寄存器。使用多路延时合并方法关键的是要产生准确的分频脉冲．如果产生的脉冲有毛刺．或者电路在设计的时候存在冒险，整个延时系统有可能都不能正常工作。
4 延时误差分析
以延时范围小于触发脉冲周期为例，分析固定延时及延时误差。
该延时器在Muxplus II环境下从输入时钟Tclk到dlytrig的延时为8．2ns；产生SYNC的宽度为Tclk。在触发脉冲上升沿与时钟信号上升沿对时．该延时电路的固有延时为8．2ns+2Tclk。但一般情况下．触发脉冲的上升沿与时钟的上升沿并不是一致的，根据二者之间的关系可知，大延时误差T满足：0<T<Tclk.时钟的频率越高，则产生的延时误差就越小。
由于该数控延时器使用时钟来计数，延时量只能为Tclk的整数倍。如果设计者希望有更jingque的延时．可以在设计的基础上外加一片AD9501，该器件的延时可以jingque到(Ttotal+Td)×1/28，其中Ttotal是AD9501的总延时，Td是AD9501的固有延时。
5 结束语
本文详细介绍了利用VHDL硬件描述语言结合FPGA设计一种数控延时器的方法，讨论了延时范围，分析了延时误差，该延时器的设计旨在和DSP相结合实现对延时信号的处理。随着EDA技术的飞速发展。使用硬件描述语言设计FPGA是电子设计人员应该掌握的一门技术。将DSP和FPGA技术相结合是进行数字信号处理的一种趋势。