西门子模块6ES7277-0AA22-0XA0诚信交易本文以交通信号灯控制系统为例，介绍FX-0N系列的PLC与上位计算机工控组态软件组态王之间的通讯过程，经过实际运行，基于PLC的交通信号灯控制系统在组态王中得到实现。
引言
可变程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。
本文以交通信号灯控制系统为例，着重讲述可变程序控制器（PLC）与上位计算机工控组态软件组态王之间的通信。
1、FX-0N-60MR PLC及其编程软件MELSEC-F FXApplications
日本三菱公司的FX0N系列是近年来推出的高性能微型可编程序控制器，外观结构小巧美观、功能强大，系统配置灵活，用户除了可以选用多种基本单元外，还可以选择适当的扩展单元和扩展模块，根据控制要求灵活方便地进行系统配置，组成不同I/O点数和不同功能的控制系统，各种不同的配置都可以得到很好的性能价格比。
FX0N系列有较强的通讯功能，可与内置RS-232C通讯接口的设备通讯。三菱公司FX系列的编程软件MELSEC-F FXApplications是适用于PC机的一种编程软件，可用梯形图、指令表两种编程语言编制程序，程序编制完成之后，利用PLC与计算机专用的F2-232CAB型RS232C电缆传送程序至PLC。
2、组态王V6.0
组态王是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，可与可编程控制器（PLC）、智能模块、板卡智能仪表、远程数据采集装置（RTV）等多种外部设备进行通讯。而其软件系统与用户终使用的现场设备无关，对于不同的硬件设施，用户只需要按照安装向导的提示完成I/O设备的配置工作，为组态王配置相应的通讯设备的硬件驱动程序，并由硬件设备驱动程序完成组态王与I/O设备的通讯。在系统运行的过程中，组态王通过内嵌的设备管理程序完成与I/O设备的实时数据交换。
3、交通信号灯控制系统
交通信号灯控制系统即十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制。控制要求如下：按下启动按钮，交通信号灯开始工作，东西方向绿灯亮56S，南北方向红灯亮60S，东西方向绿灯亮56S后，闪烁2S，过渡到东西方向黄灯，黄灯亮2S；之后东西方向红灯亮60S，南北方向绿灯亮56S后闪烁2S后，随之黄灯亮2S后灭．．．．．．
I/O分配如下：
输入 输出
启动 X0 东西绿灯 Y1 南北红灯 Y5
停止 X1 东西黄灯 Y2 南北绿灯 Y6
东西红灯 Y3 南北黄灯 Y7
部分控制程序见图1。
图1 交通信号灯控制系统部分程序
4、PLC与上位计算机组态王软件的通讯
PLC与上位计算机的通讯可以利用语言编程来实现，用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通讯协议，严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯，则相对简单因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序，例如西门子公司的S7系列PLC与工控组态软件WinCC之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。
下面介绍组态王6.0与FX-0N-60MR PLC 之间通讯的实现步骤。FX-0N-60MRPLC采用RS232或RS422进行通讯，占用计算机的一个串行口。在不添加扩展卡的情况下可以使用编程口和计算机进行通讯。
、设备连接
利用PLC与计算机专用的F2-232CAB型RS232C电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口（COM口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用＂组态王计算机＂的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到＂组态王计算机＂的串口。
第二、设备配置
在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击＂设备＂大纲项下PLC与上位计算机所连串口（COM口），进行参数设置。
FX系列PLC编程口的通讯COM口参数设置：
在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设COM口对应的＂新建＂图标，会弹出＂设备配置向导＂对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。
利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址（FX系列PLC在使用编程口进行通讯时，不需要设备地址）
第三、构造数据库
数据库是＂组态王＂软件的核心部分，在工程管理器中，选择＂数据库\数据词典＂，双击＂新建图标＂，弹出＂变量属性＂对话框。定义FX-0N-60MRPLC相应寄存器：
图2 交通信号灯的控制示意图
斜体字dddo、dddd、ddd等表示格式中可变部分，d表示十进制数，o表示八进制数，变化范围列于取值范围中。组态王按照寄存器名称来读取下位机相应的数据。组态王中定义的寄存器与下位机所有的寄存器相对应。如定义非法寄存器，将不被承认。如定义的寄存器在所用的下位机具体型号中不存在，将读不出数据。
第四、设计图形界面并建立动画连接
在组态王“画面”上创建十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制示意图，见图2，建立启动和停止按钮，并将各个控制信号灯及启动和停止按钮与所建立相应变量关联，进行动画连接。
第五、系统运行
启动组态王运行系统TOUCHVIEW，运行交通信号灯的控制。将PLC开关指向“RUN”状态，按下启动按钮，观察交通信号灯系统的控制结果。实验结果表明，系统运行正常，动画效果良好。
5、结束语
PLC及PLC的多机联用与计算机的联网通信应用越来越多，它综合了计算机和PLC的长处，计算机作为上位机提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理，PLC作为下位机执行可靠有效的分散控制，利用工控组态软件实现PLC与上位计算机通信的方法简单易行，它降低了对用户的要求，大大缩短了设计周期，系统继承性较好，尤其对于大规模复杂控制系统来说，这当优点更为突出。
本文介绍了如何利用PLC可编程控制器的自动控制和逻辑运算的优点以及与人机界面的完美结合，使弯管半径及长度等成为可调参数，直接在人机界面上操作和改变PLC的程序及参数，达到灵活控制设备运行的目的。从而使设备操作变得更方便，更富有人性化。它充分体现了工控自动化在实际生产中的重要作用。
1、引言
弯管机是休闲用品及工艺装饰品生产行业中的重要设备之一，由于产品种类丰富，形状千变万化，相应弯管的形状、尺寸及大小半径各不相同，在以前生产中，主要有液压弯管机、手动弯管机、简易电动弯管机等，这对大批量生产以及产品尺寸的千变万化不相适宜。本文介绍的弯管机是根据实际生产需要，自主开发、研制而成，并已投入实际生产中，产生了显著的效益。
2、系统介绍
该弯管机的控制系统原理图如图1所示，主要由PLC、变频器、传感器、人机界面、主副电机等组成。该机的主体部位，由八组滚轮组成，如图2所示，一次可生产八根管子，提高了效率。主电机由变频器控制，通过HMI可调整滚轮的速度；管子弯曲半径由副电机通过涡轮副减速控制滑块下压和上升；弯管长度、半径及滚轮速度、滚压次数为调整参数，在人机界面上可以调整，非常方便，富有人性化，PLC内部程序是控制设备自动运行的关键部份。
3、控制模式
该机有手动运行模式和自动运行模式。
3.1手动运行模式
合上电源，在人机界面中选择手动运行模式，该模式为机器的调试或修理等特殊运行模式，分滚轮正转、反转、滑块上升、下降四种状态，分别相互独立操作。
3.2自动运行模式
合上电源，在人机界面中，选择自动运行模式，该模式为正常生产模式。根据需要调整好可调参数（弯管长度、半径、滚轮速度、滚压次数），按启动按钮，立即进行自动运行，变频器接收到频率参数，控制主电机从OHZ上升至该频率运行，传至滚轮，主副电机根据人机界面的调整参数和PLC内部程序运行，传至滚轮及滑块，通过编码器产生信号传至PLC，控制滚轮正反转，滑块下降、上升，以生产出合格的产品。
4、工作原理
如图2所示，滑块上升，放好管子，滑块下压到一定高度h，主电机带动滚轮转动，根据管子的长度L，由PLC计算出滚轮需转动X圈再反转X圈。根据弯曲半径R的大小，滑块分n次下压，滚轮重复n次循环动作完成产品。
生产时只需调整可调参数：管子长度L、管子弯曲半径R及重复滚压次数n等，由PLC内部程序，通过逻辑运算得出h、X等参数，根据主、副电机相对应的编码器所产生的脉冲信号自动控制设备的运行。
5、结束语
该设备的成功研制，解决了休闲用品及工艺装饰品的大批量生产和品种多样化的问题，显著地提高了生产效率。使操作变得更直观，富有人性化。
15年前，当我用8031单片机控制PPN折弯机时，觉得汇编语言是多么神奇啊！但干了十几年的围绕用户工艺要求定制各类嵌入板的工作后，感觉仿佛陷入了无边的苦海。用户每提出一个新的小要求，我就得改程序，只要用户有新的需求，这种工作就没有尽头。
12年前，我采用数据采集卡，在IPC上用C语言实现了唐山热河82米辊道窑全计算机控制。做了几十条窑炉计算机控制系统后，我发现走入了系统控制的误区。在IPC上运行实时控制算法，风险太大；用C、VC、组态软件编程的辛苦无人认可。硬盘、键盘、接口花去了大量的售后服务费用，用户终还是抛弃了工控机系统。
而PLC以其高可靠性，十几年来市场不断扩大，在解决好了逻辑控制的加强过程控制的功能，并增加了大量的扩展专用模块，其应用范围向上挤占DCS的市场，向下覆盖了部分嵌入式单片机应用的市场。PLC的现场总线功能、支持人机界面及易学易用的梯形图语言，让工厂电工都易于接受。
如果PLC能满足用户的工艺要求，谁还愿用需要昂贵的一次开发费用的嵌入板或不稳定的计算机系统呢？幸好是假设，PLC也有的短处。由于控制对象千差万别，工艺要求五花八门，有大量的扩展模块供选择，也难以满足特定对象的工艺要求。否则谁还会要工控嵌入板？
工厂自动化人员能进行二次开发的软件一是组态，二是梯形图语言。这二者如果能解决的问题还用VB、VC去开发，那一定是在做傻事！借助工具软件开发各类应用系统，既提高了开发速度，降低开发风险，又能节约开发费用。但组态软件只能在PC机（或专用PC）上运行，梯形图语言只在PLC可编程逻辑控制器中运行。制约PLC不能满足用户工艺要求的，不是梯形图语言，而是PLC的硬件不够灵活。
嵌入式PLC软件正是在这种困惑中开始开发的，它以PLC梯形图语言为内核，强化过程控制的运算能力，提供开放式扩展结构，增加网络互连功能。它融合嵌入板的特殊要求，发扬PLC梯形图语言优势，为特定对象控制问题的解决提供了一个通用开发平台。
嵌入式PLC软件是面向单片机嵌入板的软件设计而开发的（当然做标准PLC很容易），解决PLC不好解决的问题（如成本、硬件支持、工艺保密等）。在开发初期，试图在Uclinux、Uxwoek环境下开发，但深入进去发现，要实现片级嵌入（8位单片机），运行Uclinux、COS/D的芯片都大了。终开发选择了汇编（针对51系列单片机）语言，难的是自己，但为保证应用的稳定性、实时性，值得！
嵌入式PLC软件的扩展能力体现在扩展接口及协议的开放性上。世界上各家的PLC生产商都有现场总线接口，如三菱的CC—bbbb，西门子的Profibus等。但我选择了CANbus，一是中国的现场总线标准是DeviceNet（CANbus是其底层协议），二是CANbus在中国工控市场上已形成事实标准。
嵌入式PLC软件的网络互连能力体现在嵌入式Web服务器上，其深度裁剪TCP/IP协议（仅运行TCP/IP、ICMPARP），在远程端加载专用浏览器后，即可实现远程监控。
嵌入式PLC软件提供的硬实时体现在用户定制中断系统干预内核任务调度机制，实现高速实时控制系统要求（如步进驱动，可控硅移相触发等）上。
当我写完EASY-V1.00嵌入式PLC软件时，它已具备以下功能：
1、支持三菱、台达等多家人机界面
2、支持梯形图编程（86条指令）
3、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）
4、支持第三方开发扩展单元的接线
5、提供硬实时，用户嵌入接口
EASY-V1.00嵌入式PLC软件，为单片机嵌入设计提供了一个全新的设计方法，设计人员更多地关注接口及可靠性，而将用户工艺交给梯形图语言，仅需数数I/O口数量，画画PCB板，就可快速推出产品。
EASY-V1.00嵌入式PLC软件，将改变国产PLC设计格局，使PLC生产厂家能快速设计出贴近终端市场的PLC，即嵌入式PLC，也可更形象地称为客制式PLC（为客户定制的PLC）。
一、前言
中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。
随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。
二、问题的提出
1、原系统简介
我酒店的中央空调系统的主要设备和控制方式：100冷吨冷气主机2台，型号为三洋溴化锂蒸汽机组，平时一备一用,高峰时两台并联运行；冷却水泵2台,扬程28米,配用功率45KW,冷水泵有3台，由于经过几次调整，型号较乱,一台为扬程32米，配用功率37KW, 一台为扬程32米，配用功率55KW,一台为扬程50米，配用功率45KW。冷却塔6台，风扇电机5.5KW，并联运行。
2、原系统的运行及存在问题
我酒店是一间三星级酒店。因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间自然通风效果不好，对夏季冷气质量的要求较高。
由于中央空调系统设计时必须按天气热、负荷大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。
为了解决以上问题，我们打算利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵、冷却塔进行改造，以节约电能。
三、节能改造的可行性分析
改造方案是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，根据冷却水温度的高低，自动切投冷却塔散热风机，以达到节能效果。以下是分析过程：
1、 中央空调系统简介
中央空调系统结构图
在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统大负荷再增加10%—20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%—30%，冷却塔的用电占8%—10%。实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。
2、泵的转速调节
根据异步电动机原理
n=60f/p(1-s)
式中：n:转速 f:频率 p:电机磁极对数 s:转差率
由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。改变频率而改变转速的方法方便有效。
3、冷却塔的控制
以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却塔风机依次开启，以28℃为基数，温度每上升2℃，开启两台散热风机，每下降2℃，延时5分钟后停止2台风机，以达到节能效果。
四、节能改造的具体方案
1、主电路的控制设计
根据具体情况，考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用一用一备的方式运行，使用一台变频器控制拖动两台水泵交替运行。将一台扬程较高的冷水泵作为备用。
以下为冷冻水泵与冷却水泵一次接线图：
2、功能控制方式
工作流程：
开机：开启冷水及冷却水泵，由PLC控制冷水及冷却水泵的启停，由冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号，开启制冷机，由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量，PLC控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。
停机：关闭制冷机，冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十分钟后自动关闭。
保护：由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。
五、变频节能技术框图及改造原理分析
下图为变频节能系统示意图
1、对冷冻泵进行变频改造
控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能；
2、对冷却泵进行变频改造
由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。
六、实际调试注意事项
1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。
2、投入试运行时，人为地减少负荷，观察流量是否因频率的降低而减小，并找到制冷机报警时的低变频器频率，以及流量降低后管道末端的循环情况，使变频器工作在一个低的稳定工作点。
3、用温度计及时检测各点温度，以便检验温度传感器的jingque度及校验各工况状态。
七、技术改造后的运行效果比较
1、节能效果及投资回报
进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测，平均节能应在20－30%以上。经济效益十分显著。改造后投入运行一年即可收回成本，以后每年可为酒店节约用电约12万元。
2、对系统的正面影响
由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长；由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。
由于采用了温差闭环变频调速，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。减少了人为因数的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量。
八、结论
一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。这里我们也借鉴了其它一些酒店改造的经验和实际效果，验正了利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造是可行的。可以达到我们当初设计的预期效果。
九、结束语
在科技日新月异的，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义