西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0诚信经营
引言
根据国际电工委员会的定义，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[1]。它具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、配套齐全、功能完善、易学易用等优点，目前广泛应用钢铁、石化、电力、交通、环保等行业。PLC是一种控制器，主要实现直接对对象的控制，可作为下位机。要实现对生产过程的监控，还必须配以计算机或触摸屏等人机接口界面作为上位机，对于大型复杂的对象，可以使用各种组态软件，如：iFix、MCGS、组态王等;而对于小型的装置，为了节约成本，可以使用VB、VC等可视化编程软件来实现。本文就是基于这点考虑，运用VB编制操作界面和通信功能，实现实现对某一新型水处理工艺中生物陶粒预处理反应器的反冲洗以及絮凝—沉淀池加药的监控。控制器采用FX2N—48MR—001，模拟量模块为FX2N—4AD和FX2N—2DA，通讯采用FX2N—232—BD型通信模板。
1部分工艺简介
整个水处理的监控，除了总体界面外，还有5个放大的分界面。其中生物陶粒预处理反应器及沉淀池的工艺过程简图如图1所示：
图1反应器及沉淀池工艺流程框图
在正常生产过程中，生物陶粒预处理反应器内源水水面能保持恒定，但由于其中存在大量泥沙和杂质，在过滤过程中会堵塞过滤层间隙，影响过滤的效果。实践中发现，其影响程度和反应器底部的压力有关系，堵塞越严重，底部压力越小，即所谓的压头损失。当压头损失到一定的程度，就会影响水处理的效果和净化效率，此时必须对反应器实施反冲洗。在反冲洗过程中，要先关闭进水泵和出水阀，打开排空阀进行排空，排空后立即关闭排空阀，打开反冲洗阀和反冲洗泵，根据预先设定的反冲洗时间进行反冲，将过滤层中的泥沙和杂质从反应器上部的溢流孔排出，到设定的时间后，关闭反冲洗泵和反冲洗阀，再打开进水泵和出水阀，恢复正常生产。
对于絮凝—沉淀池加药，是检测池内的浊度自动控制加药量的liuliang大小。由于这是一个过程滞后时间比较大的过程，要采用特殊的控制算法。在这一段工艺中要检测2个模拟量，输出1个模拟量，外加进水泵、反冲洗泵的启停，反冲洗、排空、出水电磁阀的通断等开关量。还有砂滤池、GAC—石英砂生物滤池、BAC反应器和GAC吸附池也需要进行反冲洗自动操作。整个水处理工段需要6个模拟量输入，1个模拟量输出，20个开关量输出。这是一个小规模的控制，要实现计算机的监控，必须要实现FX2NPLC与PC机之间的通讯。
2通讯方法
可编程控制器与计算机的通讯近年来发展很快，在PLC与计算机连接构成的控制系统中，计算机主要完成数据处理、修改参数、图像显示、打印报表、文字处理、系统管理、编制PLC程序、工作状态监视等任务。可编程控制器仍然直接面向现场、面向设备，进行实时控制。两者的连接，可以更有效地发挥各自的优势，互补应用上的不足，扩大PLC的处理能力。
为了适应PLC网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有PLC厂家都为PLC开发了与上位计算机通信的接口或专用通讯模块。一般在小型PLC上都设有专用的通信模块。PLC与计算机之间的通信正是通过PLC上的RS422或RS—232C接口和计算机上的RS—232接口进行的。PLC与计算机之间的信息交换方式，一般采用字符串、全双工或半双工、异步、串行通信方式。可以说，凡具有RS—232C接口并能输入输出字符串的计算机都可以和PLC通信。
利用PLC基本单元上的RS422或RS—232C通信接口，可以配置一个PLC与外部计算机进行通讯的系统。该系统中PLC接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为PLC中软元件的状态和数据;PLC又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机改变PLC的初始值和设定值，从而实现计算机对PLC的直接控制。
本系统是采用FX2N—232—BD型通信模板实现通讯功能，通讯软件用VB编程，PLC内部不需要编写任何的通讯程序，只要把需要通讯的数据放在相应的数据寄存器中即可。
3通讯协议
FX2N系列PLC与计算机之间的通信是建立在以RS232标准为基础的异步双向通信上的，它有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式，计算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以ASCⅡ码为准，常用的字符及ASCⅡ码对应关系如表1所示。[2]
表1常用的字符及ASCⅡ码对应关系
在进行通讯时，计算机和PLC之间是以帧为单位交换信息的，其中控制字符ENQ、ACK、NAK是按单字符帧发送和接收的，其余的信息都是由字符STX、命令字、数据、字符ETX、和校验五部分组成。命令字可以为“0”、“1”、“7”、“8”等，分别代表对PLC相关单元的读、写、置位和复位操作，相关单元为X、Y、M、S、T、C，而读写还可对D数据寄存器进行操作。校验是在信息帧的后，用来判别传输是否正确。由于计算机和PLC一般都在控制室内部，点对点传输距离较短，出错的概率较小，一般采用和校验法，基本能满足要求。将命令字到ETX之间的所有字符的ASCⅡ码相加，所得和的低2位数作为和校验码。
4通讯实现
FX2N—232—BD型通信模板
该摸板可以无序地和计算机、打印机等具有RS—232C接口设备进行连接通信，它的传输距离为15m，通信方式为全双工双向方式，大传输速率为19200bit/s。
MSComm控件
VisuaiBasic的版本分为普及版、版和企业版，每个版本都是为了适应不同的使用群体，串行通信的控件包含在版和企业版中，而普及版不具有此功能。
VB6.0把与串行通信有关的操作都封装在Mscomm控件里，它是一种事件驱动的对象。VB也为这个控制提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性的方法提供了通信接口的参数设置，从而解决了串行通信的问题。[3]
MSComm控件的属性众多，下列介绍涉及到的主要几种:
CommPort属性用于设置或返回通信连接端口号码。程序必须指定所要使用的串行端口的号码。bbbbbbs系统会使用所设置的通信端口与外界进行通信，程序也可以借助此属性返回所使用的连接端口号。端口号的大值为16，默认为COM1。
Settings属性用于设置初始化参数，以字符串的形式设置或返回传输速率、校验位、数据位、停止位等4个参数。其默认值是：“9600，N，8，1”，表示所使用的通信端口是以每秒9600位的速度作传输，不作校验位检查，每个数据单元是8个位，而停止位是1个位，需要注意的是：这4项必须按照上述顺序，不可前后对调，字母“N”可以大小写，使用RS-232通信的双方，Settings必须完全一样，彼此才能顺利的沟通。
PortOpen属性用于设置或返回通信连接端口的状态。使用前必须将要使用的串行接口先行打开，而在使用完毕后，也必须执行关闭操作。串行通信端口各项功能都是在PortOpen的True与Fause之间完成的。
bbbbb属性用于从输入缓存区返回并删除字符，程序靠这个命令将对方传到输入缓存区中的字符读出来，并清除缓存区中已被读取的字符。
Output属性用于将一个字符串写入输出缓存区，当程序向对方传输字符串时，可使用此命令将字符串写入输出缓存区中。
bbbbbMode属性用于设置或返回bbbbb属性取回的数据形态。可以是以字符串的形式接收，也可以是以字节数组中的二进制数据来接收。
使用MSComm控件的方式表面上看来要比使用直接调用API函数来得复杂，但实际上使用MSComm控件可以省去不少底层程序的编写，实际上要比API函数简单多了。[4]
4.3通讯的请求与确认
要进行通讯，上位计算机要对通道等进行测试，它要向下位PLC发送ENQ（05H）查询命令，PLC得到请求后要返回一个命令，如果返回的是NAK（15H），表示通讯有错，不能进行通讯，如果是ACK（06H），表示可以进行通讯操作。这也是程序调试过程中，判断通讯是否成功的一个标志。
5通讯应用
该技术已经运用到某单位水处理中试生产工艺中，运行已经有半年多，运行情况良好，大大地减少了人工的操作强度。这只是一个中试加科研的装置，控制的点不是很多，但已能很好地验证了FX2N系列PLC与计算机之间的通信的可行性与可靠性。
图2反冲洗及沉淀池工段监控界面
6 结束语
随着计算机及自动化技术的不断发展，自动控制手段也不断的更新，控制的可靠性也在断tigao，自控的成本也就在不断的上升。在一些小型的装置上采用一些自编软件很有使用价值。在开始阶段增加了一部分的开发工作量，但只要做到功能可靠，其操作简单，添加功能也比较方便的优点就比较突出，很有推广价值和使用前途。
引言
电动缸是一种提供直线推力的运动装置，是一种高响应、长寿命的执行机构，在诸多领域得到广泛应用，包括：六自由度并联运动平台、娱乐仿真设备、生物测试设备、造波机、疲劳测试、飞机结构强度测试、动态仿真等。
在电动缸作为执行机构的控制系统中，电动缸直接由伺服驱动器控制，不再需要油、气等中间媒介传递动力，而采用油、气等动力传递媒介正是产生运动仿真、测试系统控制误差的主要原因，从而导致不准确、使用不方便，电动控制系统比液压系统更优越的控制性能，速度更快、承载能力更高、寿命更长。系统的控制性能不会受环境温度、易污染的液压阀和流体介质等因素影响，无需随着使用环境条件变化而做相应调整，减少设施投入和设备维护，节省安装空间且安装拆卸、调试方便。系统也可使用220v（单相或者三相）交流电源，电机和伺服驱动器之间的联线也非常简单，不再需要液压系统中复杂的油泵、管路、冷却系统以及其他附属设施。
与气缸相比，电动缸可以应用在那些不太合适使用高压空气的场合。与气缸所产生的轴向运动相比，螺纹的使用使运动有了更高的速度和力矩。在新的电动伺服系统中，在控制速度、位置和扭矩时，可以对每个动作设定；这个特点使一个简单的“圆柱体”成为一个真正的自动化系统，具有体积小，性能优，便于维护等优点。
电动缸也可以采用滚柱丝杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿命、更高的抗冲击能力，高效坚硬的滚珠丝杆适合做jingque定位和长距离往复运动，适合大轴向载荷的往复运动，并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。
而厂家提供的电动缸出厂前需要进行严格的质检及其功能测试。为使其功能上能够满足客户的需求，出厂测试显得尤为重要，目前的测试手段基本上为人工手动测试，这样在测试上需要投入大量的时间和精力。为tigao整个生产的检验环节效率，需要一种专门的测试系统来代替之前人工测试的中间过程，使整个测试更高效、准确、全面。上海冀望机电科技有限公司是一家研发、设计、生产和销售伺服电动缸和电动伺服控制系统的国内企业，为tigao工作效率，委托开发这个测试系统。
测试系统的介绍及特殊要求
电动缸的出厂测试项目主要包括行程测试、走合测试和速度测试，应能根据所测对象的不同而进行相关参数设置，该系统主要有三个功能块：
（1）行程测试
该项测试需要设置前进和后退两个按钮控制，按照设计要求对整套系统进行全行程测试，电机的运行速度根据实际需要可方便调整，在近端和远端都停止，由外部测量机构得到该缸的真实大有效行程（根据操作人员的工作习惯），检验其在近端和远端是否出现堵转现象或者转矩过大的现象，检查大行程是否满足出厂规格。
（2）走合测试
在规定的走合时间内（一般为数个小时）整套系统运行的平稳性测试。走合测试受按钮控制，按下走合测试按钮，电机开始运行并计时，在所设置的范围内自动往复，走合时间到，电机停止运行。
（3）速度测试
根据测试相关规程，电机设置低、中、高三种速度进行测试，分别设三个按钮控制。电机在运行过程中，要求监控并采集相关数据，如电机速度、驱动扭矩等，将数据用图表显示，并且进行存储，方便检查和调用。
为tigao工作效率和充分利用现有设备的性能，系统采取了双通道设计，即单台plc控制两台电动缸，tigao效率，节约时间和成本。
对于整个系统而言，我们需要测量的主要对象有电动缸的大有效行程、在较长时间的运行的平稳性、电机的转速和转矩。电机的转矩是测量对象中重要的一个参数，反映了电机动态性能是否达标，对实时性的要求很高。我们在设计时综合考虑了现场需求、操作习惯、测量精度、采样率、兼容性及价格等因素，对采用的元件进行了选型。
系统的硬件设计
系统选用松下plc和weinview触摸屏为控制核心单元。
可编程逻辑控制器(简称plc)是专为在工业环境中应用而设计的一种工业控制用计算机, 具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小等优点,是实现机电一体化的理想装置。
选用的plc的型号为松下fpx，是一种适用于小规模设备控制的小型通用plc，具有32k步的程序容量和0.32μs的程序容量，能够利用usb通信端口与计算机直接连接，提供标准rs232c接口与显示装置通信，脉冲输出频率大可达100khz，可以使用模拟定时器。提供32路24vdc输入和28 路晶体管输出。plc内部的可编程单元主要有输入继电器x，输出继电器y，定时器 t，数据寄存器dt等等。
触摸屏为威纶mt6056iv,5.6英寸，320×234，65536色，外接电压为24v，400mhz的处理器，有64mbddr2内存和128mb闪存，通过组态软件eb8000制作人机界面和操作软件。
模拟信号的采集、转换，出于需要采集负电压的要求而选用fp0a21模块，且必须通过扩展fp0适配器与fpx配合工作，具有16位2个输入通道和1个输出通道，具有较高的精度和较强的抗干扰性。
试验用电动缸分别为松下公司minas-a4系列msma152p1电机配套mdddt5540驱动器和韩国macapion公司anypack系列apm-sb04adk2电机配套apd-vs04n驱动器。
在系统中，触摸屏（hmi）和plc之间采用rs232串行通信，plc根据程序设定以及外部输入做出逻辑判断，并且输出2路脉冲提供给2个驱动器，分别来控制对应电机的动作。而驱动器提供的模拟电信号（电机转速和驱动转矩的检测信息）均通过fp0a21模块进行a/d转换，转换后的数字信号从plc编程处理后送入到工控触摸屏中，且触摸屏可以进行数据图表记录和图形显示，从而实现对电动缸的相关信息在线监测。
整个系统的硬件结构框图如图 1 所示。
图1 系统硬件结构框图
电机驱动器的控制线均为50芯接口，我们根据所需要功能选取需要用到的针脚，制作控制线。plc端口分配与对应控制针脚如附表所示。
从附表我们可以看出，我们需要采用4输入通道的ad模块，但价格昂贵，由于走合测试的时间往往较长，根据操作习惯，往往在一台走合的时候，可以对另一台进行行程和速度测试并且进行数据监测和存储等工作，在这里，使用2个开关制作了双控电路，大大节约了成本，使原本需用4个ad通道的情况仅仅使用a21就可以解决问题。当需用测量某台电动缸的时候，拨动其对应开关接通，另一路开关断开即可。电路图如图2所示。
图2 双控电路图
系统的软件设计、工作原理、程序
我们使用松下公司提供的bbbbbbs环境下的plc编程工具fpwingr进行plc程序的编写、编译和下载，其具备3种程序编辑模式：符号梯形图编辑模式、布尔梯形图模式和布尔非梯形图模式，支持数据、触点和时序图监控，i/o分配，在线编辑。主程序流程如图3所示
图3 主程序流图
由于出厂前的电动缸一般都为裸机，还没有根据客户方的要求而安装限位开关，且由于在该系统中需要测量大有效行程，在不能使用限位开关的情况下，如何保证电动缸在运行过程不发生撞缸堵转现象，从而保证电动缸的安全运行？我们经过反复思考、实验论证，终使用转矩限制信号来解决该问题。转矩限制信号一般由伺服电机驱动器的i/o接口中某个针脚提供，在电机转矩达到参数设定值时，该针脚输出有效，将plc某输入端子与之相连，检测其变化，作为程序中保护动作的触发条件。程序示例如图4所示，在这段控制某缸的行程测试的部分程序中，r60和r61两个常开触头分别作为电动缸前进和后退的动作开关，而x0接受对应驱动器提供的转矩限制信号，来控制中间继电器r60和r61的通断电。当x0有效（断开）时，plc停止发送脉冲，电机停止运转，从而起到类似限位开关的保护作用。经多次实验验证，在电动缸默认的参数设置下，符合绝大多数工作场合要求，即在电机转矩达到300%额定转矩才输出转矩限制信号，也能正常、安全的起停电机。
操作界面软件的设计主要基于eb8000组态软件。我们通过组态软件，来实现触摸屏上的相应功能，通过对程序模块的集合，快速、直观地生成人机界面，建立完整的解决方案，直观地显示在触摸屏上。该软件内容丰富，支持松下、西门子、三菱、欧姆龙等公司的多种各系列plc设备。该软件与以往工控软件编程复杂相比，降低了开发难度，缩短了触摸屏系统的开发周期。
图4 程序示例
系统的软件主要由运行界面、参数设置、行程测试、走合测试、速度测试、数据存储显示六个部分组成，在每个功能块里面均可以进行缸1和缸2的切换：
运行界面是整个测试系统的起始界面，如图5所示。
图5 运行界面
参数设置：在这个界面设置测试缸的编号，额定转矩和转速及其对应的输出模拟电压比例，减速比，电动缸的导程，每圈脉冲数ppr，希望测试的3种速度具体值等参数。
行程测试：可以自由设定运行速度，提供前进、后退和停止三个按钮进行控制，由于工作现场要求和设备性能限制，暂时只提供人工在近及远端手动测量，以后可以扩展功能，加装外部测量装置进行自动测量以及数据记录。
走合测试：提供时间设定、转速设定、走合起始位置和终点位置四项功能设定，并且进行当前电动缸位置的实时检测及显示，需要注意的是这里的位置信息实际上是有脉冲数换算得来，并没有外部测量装置进行全闭环。
速度测试：同样提供两个缸的功能切换，在不同速度和方向的工作状况下，都有速度和转矩两个数值显示框，提供电机驱动转矩的即时趋势图，采集频率为10hz，可以检视图中任意时刻且在检视数据框中显示，数据的采集和停止有对应的功能按钮来控制。
在速度测试页面点击历史图按钮进入电机启动过程的数据图示，记录时间1s，提供高达100hz的采样频率。点击数据按钮可以进入历史数据表格记录。该触摸屏可以存储7天的数据，每天数据量高可达80000组，已能满足工作需求，如图6所示。当需要保存更多数据时，可以使用usb数据延长线连接一个u盘，选择将数据保存至u盘即可。使用eb8000软件的转换功能可以很方便将数据导出为excel表格类型。
图6 数据表格记录界面示例
如果在测试过程中，运行出现状况，则由触摸屏提供声光报警。事故处理完毕后，需回到运行首界面进行报警信号清除，且恢复使能，才能重新正常工作。
为了使污水能够达标排放，一些企业（如酒厂、化工厂等）都建有自己的污水处理工程。本文以某大型企业污水工程为例，详细介绍了可编程序控制器在污水处理工程中的使用，该工程占地面积约为350m2，污水处理能力为950m3/d，采用的处理工艺为生物膜法，以处理生活污水为主，另有少量的工业废水，水中的COD，BOD含量分别为320 mg/L，240mg/L，经处理后COD为90mg/L，BOD为50mg/L，达到二级排放要求，为了实现污水工程的全自动运行，电气上采用了以PLC为核心的控制系统。
1自动控制系统介绍
本污水处理控制系统采用的可编程控制器为CQM1型，控制系统的特点为自动化程度高、编程灵活、抗干扰能力强、使用维护方便，控制系统设有集中控制室，各设备既可以在集中控制室内控制，也可以通过各自的现场控制箱进行就地控制；现场控制箱主要在调试、维修设备时使用。
2PLO对格栅井单元的控制
格栅井单元的设备包括格栅井tisheng泵、浮球液位控制器、粗格栅、浮球液位变送器，其作用是清除污水中的颗粒与悬浮物；液位变送器用来检测粗格栅前后的液位差，当差值大于10cm时粗格栅开始运行。
3PLC对生化池单元的控制
生化池单元包括的设备主要有鼓风机、溶解氧检测仪、电动蝶阀、生化池tisheng泵、浮球液位控制器，其主要作用是降低污水COD，BOD的含量。
3．1电动蝶阀及溶解氧检测仪简介
本污水站采用的电动蝶阀装置为某电动阀门控制设备公司的产品，控制器安装到控制系统操作面板上，电动蝶阀既可以手动控制，也可以接PLC进行自动控制，溶解氧检测仪选用德国某公司的产品，其功能是检测污水中氧的浓度，其性能可靠、测量精度高，设有4～20mA模拟量输出端子，可以接入PLC的模拟量输入模块。
3．2生化池自动运行的实现
当控制面板上的自动／手动／远控旋钮旋到自动控制位置时，PLC就可以接收到溶解氧检测仪的模拟量信号，信号经过转换后，与设定值相比较，如果污水中氧的浓度小于0.5mg/L,则电动蝶阀打开，鼓风机开动，开始曝气；污水中氧的浓度大于2.5mg/L时，鼓风机停止曝气，电动蝶阀关闭.
4 结语
污水站自建成以来，PLC自动控制系统运行平稳、可靠，保证了污水站的正常运转，由于是全自动运行，节省了人力及运行费用。