西门子6ES7223-1PH22-0XA8详细解读
本文介绍了采用气动元件的物料搬运系统的结构、气动系统及其PLC控制系统。物料的搬运方式具有可抓可吸的多用途功能；气动系统电磁换向阀采用汇流板集装方式，减少了占用空间；PLC控制具有单步、自动等多种工作方式。
由于气压传动具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适于在恶劣环境下工作等特点，在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温环境下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中小零件的输送和自动装配等作业，食品包装及输送，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等过程中被广泛应用。气压传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动系统的应用，引起了产业界的普遍重视，气动行业已成为工业国家发展速度快的行业之一。
作为气动系统的控制装置目前多数采用可编程控制器（PLC）。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其可靠性好，操作简便。在实际应用中，控制系统很容易实现。一般是由受控设备的动作顺序和工艺要求，构成工步状态表，形成梯形图，再编制PLC指令。
一、物料搬运系统结构设计
物料搬运系统原理图如图1所示。该系统由左右移动气缸1、复位进退气缸2、升降气缸3、夹手或真空吸盘4、物料块5、传感器6、圆柱导轨7、支架8、底座9、微动开关10等组成。夹手或真空吸盘4可以夹住或吸住物料块5，抓取物料的部分采用夹持式和吸附式两种形式，选用不同的形式，可分别完成工件的抓取和吸附，以适应不同种类的物料搬运。夹手采用电磁铁吸合与断开方式夹持物料。夹手或吸盘在升降气缸3的作用下可以上下移动；夹手或真空吸盘连同升降气缸在左右移动气缸1的作用下沿着圆柱导轨可以左右移动；在复位进退气缸2的作用下将物料块送回原始位置，为下一个工作周期准备，以实现循环。此系统能够实现物料在一个平面内的搬运。左右移动行程为300mm，上下移动行程为80mm，根据行程选择不同的气缸，气缸1、2行程为300mm，气缸3行程为80mm。气缸选用法兰式安装。为了防止工件偏移，在左右移动气缸1运动路径两边安置导向圆柱导轨7，将圆柱导轨用螺钉固定在支架8上；支架用螺栓固定在底座9上。
图1 物料搬运系统原理图
在左右移动气缸1的缸体上安装了两个磁性开关6用于左右极限位置检测；在底座上安装了一个微动开关10用于物料块下限位置检测。
操作面板安装在电控箱上，与实验装置主体是分离的。PLC可编程序控制器，电磁阀，真空发生器等均放置在电控箱里。
二、气动系统设计
气动原理图如图2所示。
图2 气动原理图
气源出来的气体经过二联件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀可进入气动执行元件，分别驱动气缸1的左右移动、气缸2的推料动作、气缸3的上升下降运动、吸盘4的抓料和松料动作。整个气动系统的3个气缸全部采用出气节流调速；电磁阀采用3个二位五通阀和1个二位二通阀。选用集装式电磁换向阀，将所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减小占用空间。
三、程序流程图及软件设计
实现功能。物料搬运系统具有左右移动、上下移动及对物料的夹紧和放松、推料进退功能，在PLC控制下可实现单步、自动等多种工作方式。物料被夹手搬运完成以后，为满足连续动作需要，还必须将此物料运送回原点位置，以供下次搬运需要。系统可完成的各种工作方式如下。
单步：可实现“上升”，“下降”，“左移”，“右移”，“夹紧”，“放松”，“推料进”，“推料退”等八种点动操作；
连续：按下“启动”按钮后，夹手从原点位置开始连续不断地执行搬运物料的个步。
根据上述任务，先设计主程序框图，如图3所示。
图3 主程序框图
物料搬运系统实现的动作：下降→抓料→上升→右移→再下降→松料→再上升→左移→推料进→推料退。
在这个系统中，我们只实现一个物料的循环动作，故在机械手回原点后，需将物料推回原来位置。
在PLC控制下可实现单动、连续动作工作方式。
系统上电后，通过旋转按扭选择是单动还是连动，如果是单动则执行单动程序，否则执行连动程序。
单动工作方式：利用按钮对夹手每一动作单独进行控制。
连续：按下启动按钮，夹手从原点开始，按工序自动循环工作，直到按下停止按钮，夹手在完成后一个周期的工作后，返回原点，自动停机。如图4所示
图4 连续动作顺序流程图
四、结论
基于PLC控制的物料搬运系统能够实现物料的自动循环搬运。此系统既可以使用夹手夹持物料，又可以使用真空吸盘吸附物料，具有多种用途功能；气动系统的电磁换向阀采用汇流板集装，减少了占用空间；在PLC的控制下可以实现单动和连动两种执行方式，完成物料的搬运。
目前，各dapinpai的PLC都具有通讯功能，如松下PLC的FP2系列，可通过多种方式组成PLC网络，其中较为常用的网路形式是PC-bbbb网络。现有的PLC还局限于逻辑控制与数据采集方面，其本身不具备数据分析能力，不能生产报表或创建数据库。对于一个完整的自动化生产系统，或者一个完整的工控网络来说，上位组态可以说是必不可少的。而要实现上位机PC与PLC的大量数据交换，两者通讯问题是不可回避的。本文主要以松下FP2系列PLC的MEWNET(Multi-wirebbbb Unit)模块组网后再与上位PC实时通讯的问题展开讨论。
松下FP2系列PLC支持多种组网方式，除松下公司内部通讯协议的一些组网方式，如PC-bbbb，C-net，S-bbbb等外，还支持一些开放的通讯方式，如RS232、RS485、Porfubus以及以太网等。实际工作中，在组建PLC的监控网络时，要从网络的功能、通讯速度、成本、编程量以及网络维护等因素加以考虑，可选择单一通讯方式组网，也可采用多种通讯方式一起，组成能满足需求的网络。
要实现一台PC与多台松下FP2系列PLC通讯，以太网是为简单可靠的方式，这种方式构成的网络，通讯速度较高，可以达到2Mbp/S的数据量，实时性较强、数据量较大，是一种较佳的组网方式；这种方式中，每个PLC都需增加上一个ET－LANUnit模块， PC机需求的以太网接口也以相同数量增加。现市场上的ET－LANUnit价格较高，从而整个网络造价较高；对一些数据实时性需求不那么高的场合，这种方式无疑是一种浪费。
FP2系列PLC的另一种组网方式 ――PC-bbbb连接，是先通过MEWNET(Multi-wire bbbbUnit)模块把各个PLC以RS485连接起来，设置不同的站号（站号可在有限范围内，任意不重复地设置），再通过编程软件FPwin－GR给每个站号分配链接数据寄存器和链接继电器，以实现PLC与PLC之间的数据交换，PLC间的数据交换速度可达500Kbs。这种方式的PLC组，如果想实现与上位PC机的通讯，可任选一个PLC做主站（主站站号可在设置范围内任意设置），将主站的PLC的编程口或com1以RS-232与PC串口相连，由主站的PLC将其它站点上的数据集中到主站，并发送给PC，以实现PC与PLC组之间的数据交换，其速度可以达115.2Kbp/s。具体的各PLC间以PC-bbbb连接后再通过RS232与PC连接的网络架构图，即PC-bbbb与RS232组合的方式构成的监控网络，如图1-1
图1-1――PC通过RS232与主站连接，所有PLC通过RS485以PC－bbbb形式连接
以PC-bbbb与RS232组合的方式构成的监控网络，从硬件上降低了网络的成本。但 PC-bbbb组网形式下，各个PLC站点需要共享链接数据寄存器与链接继电器，而链接数据寄存器与链接继电器的数量很有限 ――链接数据寄存器总量只有128个字，链接继电器总量也只有64个字，站点越多，每个站点能分配到的链接数据寄存器与链接继电器数量就越少。在数据传输时可以用索引寄存器分时处理数据，但大量数据会拥挤在主站，占用大量的主站的内存，从而大大降低通讯效率，降低数据实时性。对于需要快速采集、交换和处理大量数据的PLC组态监控系统，这种处理法显然是不能满足要求的。
对于需要快速采集、交换和处理大量数据的PLC组态监控系统来说，要想利用这种低成本的PC－bbbb与RS232组合的方式，实现PLC监控，必须解决数据量的处理问题。
根据松下MEWNET模块的开放通讯协议《松下MEWTOCOL通讯协议》，可以轻松的读取与PC连接的以PC-bbbb 形式连接的各个PLC上的数据，包括直接通过RS232与PC连接的主站PLC和通过RS485连接的其他各站点PLC。通讯格式“％01＃RDD0000000026**”表示读取站点“01”上的数据寄存器“DT0”到“DT26”上的数据，而“01”表示与PC相连接的PLC，也就是主站站号（注意：“”为“carriagereturn”，是“回车”符，即字符串“\r”）。根据《松下MEWTOCOL通讯协议》，把站号代码“01”改为“02”，即可以读写站点“02”上的数据，但实际读取的结果是没有任何信息返回。再尝试其它站点，如“03、04、05……”结果是相同的。也就是说，通过PS232只能读取PC-bbbb中与PC直接连接的PLC的数据（该PLC在此处被设为01站），并不能读取PC-bbbb网络中，通过RS485连接的各站点PLC的数据。
使用松下公司的编程软件FPWIN-GR，可以通过设定通讯站点，轻松地通过RS-232读取PC-bbbb网络各站点PLC的任何数据 ――包括RS484连接的各PLC。站点设置的方法如图1-2.1和1-2.2：
图1-2.1
通过点击“通讯站点指定”后就出现如图1-3：
图1-2.2
以上设置通讯站号的方法，可以轻松地通过RS-232读取PC-bbbb网络各站点PLC的任何数据，可实现程序的上下载，在线监控等。即，编程软件FPWIN-GR通过编程口以RS-232方式实现了对PC-bbbb网络其它站点PLC的通讯。也就是说，存在一种协议，可以使PC成功地读写PC－bbbb网络的各PLC的数据。只要破解此通讯协议，即可在编写组态监控系统时，使用该协议直接读取其它站点的数据，不需要再把其它站点的数据发送给主站，也不需要对站点上的数据作任何处理，从而提高了通讯速率，解决大量数据在主站拥挤，占用了主站大量的内存，数据实时性较差等问题。《松下MEWTOCOL通讯协议》对此并没有作任何说明，要解决该通讯协议问题，需要截取编程软件FPWIN-GR在运行“通讯站号指定”，成功读取其他站点PLC时，与PC串口的通讯数据，进行分析。
为了了解FPWIN-GR在“通讯站号指定”时串口数据流，可以使用串口通讯数据监控软件PORTMON.EXE，通过以下操作截取：步，运行PORTMON.EXE，设置“与PLC通讯的串口进行监控”的各项参数；第二步，运行FPWIN-GR，确定PC与PLC能正常通讯后，指定通讯站点（如图：1-2.1，1-2.2）；第三步，截取。通讯数据监控软件截取的界面如图1-3所示。
图1-3
在串口通讯数据截取界面上发现，在打开串口后，串口数据流有一串“%%EE#0C174.”并返回“%EE$0C72”“%EE#0C174.”在松下公司公开的《松下MEWTOCOL通讯协议》中并没有任何说明，该语句只在“通讯站号指定”设置时才会出现。为了验证“%EE#0C174”在解决PC读取除主站外的其他PLC时，为有效的通讯协议语句，进行以下操作：一，关闭FPWIN-GR，并关闭PC－bbbb的PLC网络的电源；二，重新上电，运行串口调试助手，发送“％01＃RDD0000000026**\r”，结果返回“%01$RC021”（根据《松下MEWTOCOL协议》，“%01$RC021”表示读取指令执行成功）；三，发送“%%EE#0C174”返回“%EE$0C72”（结果与FPWIN-GR指定通讯站点读取其他站点PLC的方法中，串口调试助手所捕捉到的内容相同）；四，利用串口调试助手发送“％02＃WCSY0030**\r”后，2＃的PLC的Y0051状态变亮，即对2站Y0051的写操作成功；五，再读取“02”站点其它数据寄存器的数据，触发内外继电器，结果都能实现，可以正常通讯；六，将“02”改为“03；04；05等”，分别读取其它站点的数据，结果都能一一实现正常通讯。即发送“%%EE#0C174”返回“%EE$0C72”，即可读取PC-bbbb网络上PLC的数据－－不但可读取通过RS232直接与PC连接的PLC，还可读取PC－bbbb中，其他站点PLC的数据。
即，结论1：要通过RS-232直接读取PC-bbbb网络的各个站点的PLC数据，需在读取其它站点前先发送字符串“%%EE#0C174”，并正常返回“%EE$0C72.”，触发开启网络功能。。但要注意，此功能非断电保持，PLC在每次断电重新启动后要发送此字符串，才能读写其它站点数据。
在实现与其它站点通讯后，发送“％01＃RDD0000000026**\r”读取主站上的数据，结果返回错误代码“%01!2403”，证明与PC相连的站点——“01”站（主站），不能再以“％01＃RDD0000000026**\r”的格式读取数据。此时断开PLC电源，再重新启动PLC。发送“％01＃RDD0000000026**\r”结果有正常数据返回。由此可知，发送“%EE$0C72”，成功读写其他站点的PLC，开启了网络功能后，直接按照《松下MEWTOCOL协议》的格式，并不能读写与PC通过RS232相连的站号为01的PLC的站号，站号“01”失效。
为了解决这个问题，运行串口数据监控软件PORTMON.EXE与FPWIN-GR，如图1-2.1、图1-2.2，将“通讯站指定”选择“01站点”也就是与PC连接的PLC站号，FPWIN-GR会出现如图1-4的警告信息：
图1-4
警告信息显示此时与PLC通讯出现错误，与截取的到的错误代码“%01!2403”一致，均表示为传输格式错误。将“通讯站点指定”指回“本站”实现正常通讯，截取到的数据如图1-5
图1-5
通过多次试验发现，使用FPWIN-GR读写本站PLC数据时，出现的通讯语句是以“%EE#……”开头的，并不是《松下MEWTOCOL通讯协议》中陈述的以主站号为代码为开头的。“%01#……”。
为验证“EE”是否为这种网络模式下的有效主站站号，将原的“％01＃RDD0000000026**\r”改成“％EE＃RDD0000000026**\r”尝试读取主站站点数据，结果为正常返回数据，也就说可以读取源站数据，再将“％EE＃RDD0000000026**\r”改为“％02＃RDD0000000026**\r”也可以读取“02”站点数据，将“02”改为“03；04；05等，分别读取其它站点的数据，结果都能一一实现正常通讯。通过的实验验证，无论是01站，还是02、03站直接通过RS232与PC连接，在该网络形式下，需要将源站站号改为“EE”，才可以实现与PC的通讯。由此可得以下结论，
结论2：在发送“%EE#0C174”，启用了网络通讯功能后，不能再用主站站号作读写操作的站号代码，如“%01#……”读写主站数据，要以“%EE#……”代替主站站号，才能实现与其通讯。经过试验还发现，在开启网络功能后，只要将与PC通过RS232连接的PLC的站号设为EE，无论该站是原来的02、03还是04站，PC都可直接读写该PLC。即图1－1所示的PLC网络中，需要输入指令“%EE#0C174”，PC才可以直接读写除本站外的PLC，而本站的PLC在开启网络功能后，需要将本站站号设为EE，才可以继续读写本站。
综合了以上试验结果，以松下FP2系列PLC的MEWNET(Multi-wire bbbbUnit)模块组网的PLC监控网络，需要用“%EE#0C174”语句开启网络通讯功能，以读取主站之外的PLC数据，而主站PLC的站号，在开启网络通讯功能后，需要将主板站号设为EE，才可以对主站PLC读写，以便实现对整个网络的PLC的数据的读写等操作。该网络可以通过VB、VC、Labview 等编程软件通讯程序的支持，实现与PC-bbbb形式的的PLC的通讯。再与其它成熟的组态软件组成二次开发，便可实现功能强大的组态监控系统，该类系统可实现实时监控界面、快速采集、交换和处理大量数据、下载数据到PLC、导出报表等功能，硬件成本较，适合于生产企业建立监控系统，以实现在线半成品、成品的测试数据的统计和分析，提高产品质量稳定性，为企业带来良好的经济效益。