西门子模块6ES7277-0AA22-0XA0一级代理
在传统的传动系统中，要保证多个执行元件间速度的一定关系，其中包括保证其间的速度同步或具有一定的速比，常采用机械传动刚性联接装置来实现。但有时若多个执行元件间的机械传动装置较大，执行元件间的距离较远时，就只得考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。下面以两个例子分别介绍利用PLC和变频器实现两个电机间速度同步和保持速度间一定速比的控制方法。
1、利用PLC和变频器实现速度同步控制
薄膜吹塑及印刷机组的主要功能是，利用挤出吹塑的方法进行塑料薄膜的加工，经过凹版印刷机实现对薄膜的印刷，印刷工艺根据要求不同可以采用单面单色、单面多色、双面单色或双面多色等方法。在整个机组中，有多个电机的速度需要进行控制，如挤出主驱动电机、薄膜拉伸牵引电机、印刷电机以及成品卷绕电机等。电机间的速度有一定的关系，如：挤出主电机的速度由生产量要求确定，但该速度确定之后，根据薄膜厚度，相应的牵引速度也就确定，挤出速度和牵引速度之间有一确定的关系；多组印刷胶辘必须保证同步，印刷电机和牵引电机速度也必须保持同步，否则，将影响薄膜的质量、印刷效果以及生产的连续性；卷绕电机的速度受印刷速度的限制，作相应变化，以保证经过印刷的薄膜能以恒定的张力进行卷绕。
在上述机组的传动系统中，多组印刷胶辘的同步驱动可利用刚性的机械轴联接，整个印刷胶辘的驱动由一台电机驱动，这样就保证了它们之间的同步。印刷电机的速度必须保证与牵引电机的速度同步，否则，在此两道工艺之间薄膜会出现过紧或过松的现象，影响印刷质量和生产的连续性。印刷生置与牵引装置相距甚远，无法采用机械刚性联接的方法。为实现牵引与印刷间的同步控制，牵引电机和印刷电机各采用变频器进行调速，再用PLC对两台变频器直接控制。
牵引电机和印刷电机采用变频调速，其控制框图如图1所示。在这个闭环控制中，以牵引辘的速度为目标，由印刷电机变频器调节印刷辘速度来跟踪牵引辘的速度。利用旋转编码器1和旋转编码器2分别采集上述两个电机的脉冲信号（编码器位置参见图3），并送到PLC的高速计数口或接在CPU的IR00000～IR00003。以这两个速度信号数据为输入量，进行比例积分（PI）控制算法，运算结果作为输出信号送PLC的模拟量模块，以控制印刷电机的变频器。这样，就可以保证印刷速度跟踪牵引速度的变化而发生变化，使两个速度保持同步。
采用PI控制算法进行速度调节，程序设计框图见图2。图中取自编码器采集的脉冲信号，转换成电机的速度数据，经上下限处理后，存储于某个DM区中，以作为运算中的y值。计算后的p值，送到模拟量输出通道，经过上下限标定后，换算成变频器能接受的电流或电压信号，以控制印刷电机的变频器。
为确保薄膜在牵引和印刷两道工序间保持恒定的张力，在这两个装置之间增加一组浮动辘调节装置，其结构如图3所示。
上面的浮动辘调节装置，也用于减少因电源系统波动等因素引起的外来干扰。但波动引起的速度差别，经过一段时间后，会使两个浮动辘位置升得太高或降得太低。在设计PI控制算法时，考虑了这些干扰因素的影响，利用积分环节I来调节累积误差，使得牵引辘和印刷辘能进行同步控制，并且同步精度较高，从而确保这个控制系统的稳定性。
2、利用PLC和变频器实现稳定速比的控制
在聚丙烯（PP）纺丝设备中，经过预拉伸的纤维需要进行热拉伸。热拉伸在两个经过加热的辘筒与预拉伸辘之间进行，各辘筒由电机分别驱动。原有的电机调速是采用直流电机驱动，由电位器调节的。在生产中经常出现速度波动现象，速比不能稳定，加工过程易出现“缠辘”现象，成品纤维出现“毛丝”和“硬头丝”，影响化纤成品的质量。在纺丝时，预拉伸辘的速度受PP原料、分子线形取向等工艺要求的变化，应能方便地进行调节。确定了拉伸比后，热拉伸辘的速度要快速地进行眼踪和变化。采用可编程控制器（PLC）和变频器进行控制，能较好地稳定两个热拉伸辘与预拉伸辘之间的速比。
图4是PP纺丝机中热拉伸的结构原理图。预拉伸棍和两个热拉伸辘由3台电机分别驱动，热拉伸两辘速度相同，化纤无拉伸，起稳定纤维性能作用；热拉伸辑与预拉伸辗间具有一定的速比，某一个速度发生变化时，另一个也需要根据速比进行相应的变化。由旋转编码器采集的脉冲信号，送PLC的高速计数口或接CPU的IR00000～IR00003，转换成速度数据后，作为比例积分（PI）控制算法的输入参数。运算结果作为输出参数，经PLC的模拟量输出模块标定后，以电流或电压形成控制各电机的调速变频器。控制算法中，预拉伸辘速度数据V1乘上某个速比u后（速比可调），作为目标值，使热拉伸辑的速度数据V2跟踪（V1·u）的变化。
随着科学技术的发展,可编程序控制器PLC在工业控制中的广泛应用,它的可靠性直接关系到工业企业的安全生产和经济运行。而PLC控制系统的抵抗干扰的能力是整个生产系统可靠运行的关键。目前,各种类型的可编程序控制器PLC一般集中安装在集控室或是生产现场,它们大都处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统的可靠性,一是需要PLC生产厂家提高PLC硬件的抗干扰能力,二是需要工程设计人员充分利用PLC组态软件来消除干扰,这样才能有效地增强系统的抗干扰的性能。
关键字:抗干扰的方法 PLC
引言:
PLC控制系统由于具有功能强、程序设计简单、扩展性好、维护方便、可靠性高、能适应比较恶劣的工业环境的特点,在工业企业广泛应用。由于工业环境条件恶劣,以及各种工业电磁,辐射干扰等,影响PLC控制系统的正常工作,必须重视PLC控制系统的抗干扰设计。为防止干扰,可以采用硬件和软件相结合的抗干扰方法。 防止硬件干扰的方法有:1采用性能优良的电源来抑制电网引入的干扰2电缆的选择与铺设来降低电磁干扰3完善接地系统4采用光电隔离来抑制输入输出电路引入的干扰等。而利用PLC软件来减少干扰是PLC控制系统正常、稳定工作的重要环节。下面主要分析在生产实践中应用的利用PLC组态软件来减少干扰的方法:
一、减少数字量输入扰动的方法
1、 计数器法
图1
CON—计数器
NOT—非门
RS—复位优先触发器
IN—输入
OUT—输出
N—脉冲采样个数
注释：当外部有信号输入时，控制系统采集连续的N个脉冲使RS触发器输出为“1”，只有当外部输入信号由“1”变成“0”时，RS触发器的复位端为“1”，将RS触发器的输出复位成“0”。而当有瞬间干扰脉冲时，CON计数器将采集不到连续的N个脉冲，CON计数器无法输出，这就起到了减少干扰的作用。（N一般情况下取2）
优点：响应速度快，对周期性的瞬时干扰起到了一定的抑制作用。
缺点：不能消除超过CON计数器采样时间的干扰。
2、延迟输入法
图2
IN—输入
OUT—输出
TIME（ET）—延时时间
TON—延时输出（其曲线如下图）
图3
注释：当输入IN=1时，启动计数器直到计时时间（PT）=延时时间，OUT=1。当计数器计时时间〈延时时间，OUT=0。延时时间好取1S以内。
优点：消除了短时的周期干扰。
缺点：响应速度慢，不利于信号的快速传输。
二、减少模拟量输入扰动的方法
1、限幅法
图4
MOVE—移动保持指令（使能端EN=1，OUT=IN。EN=0，OUT保持前次值）
GE—大于等于指令（OUT=1，IF IN1≥IN2）
LE—小于等于指令（OUT=1，IF IN1≤IN2）
HL—上限设定值
LL—下限设定值
注释：当模拟量输入信号在HL和LL之间时，OUT=IN。当IN-AI信号超出或等于HL或LL时，GE或LE判断IN-AI信号，使OUT1或OUT2输出“1”去封锁MOVE，从而保持MOVE的输出为HL或LL的设定值。也就起到了限幅的作用。
优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
缺点：平滑度差。
2、延迟滤波限幅法
图5
MOVE—移动保持指令（使能端EN=1，OUT=IN。EN=0，OUT保持前次值）
GE—大于等于指令（OUT=1，IF IN1≥IN2）
LE—小于等于指令（OUT=1，IF IN1≤IN2）
HL—上限设定值
LL—下限设定值
LG—延迟滤波指令（其曲线如下图）
TIME—延迟滤波时间
图6
注释：功能基本和限幅法相同，只是在输入端增加了一个延迟滤波器，对输入信号起到了延迟缓冲的滤波。
优点：有效地抑制了周期性的脉冲干扰。平滑度比限幅法有所改善。
缺点：信号响应速度减缓。
3、延迟滤波比较法
图7
LG—延迟滤波器
SUB—减法指令
ABS—值指令
GE—大于等于指令
HL—大偏差值
TIME—延迟滤波时间
注释：正常情况输入信号IN-AI经过一阶延迟滤波后直接输出，OUT=IN-AI的值；当有突变信号时，输入信号IN-AI经过一阶延迟滤波后与含有突变信号的输入信号IN-AI相减取值（无论出现正偏差还是负偏差），与HL值比较，若大于等于HL的预设值，OUT1=1，将LG—延迟滤波器切换成跟踪状态，此时OUT就保持了输入信号IN-AI突变前的值。直到突变信号减弱，OUT1=0，OUT=IN-AI。
优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用。平滑度高。
缺点：灵敏度取决于TIME—延迟滤波时间的大小。
4、积分消抖滤波法
图8
LG—延迟滤波器
SUB—减法指令
GE—大于等于指令
LE—小于等于指令
OR—或门（自做的DFB功能块）
NOT—非门
TON—延时输出
EOR—异或门
MOV—移动保持指令
PI—比例积分调节器
HL—大正向偏差值
LL—大负向偏差值
TIME—延迟滤波时间
TIME1—延迟输出时间
TIME2—延迟滤波时间
注释：参数设置：LG（TIME=1S），TON（TIME1=10S），LG1（TIME=30S），HL=0。2，LL=-0。2 ，PI（TI=10S，将P放开封锁成为纯积分调节器）
一、 小信号在变化幅度中变化时
1、 终状态：此时为稳态，输入与输出相近。OR输出为“0”，NOT=1，TON时间已超出10S，EOR=0，MOV不保持，PI不积分，SUB=0，信号走PI的跟踪回路，LG1滤波后输出。正常的信号流向：IN→LG→PI的跟踪→LG1（滤波30S）→输出
2、 小信号的暂态变化：（在TON=10S之前）OR=0，NOT=1，TON未到10S，EOR=1，MOV保持，PI积分作用，LG1未起作用，输出跨越LG1（TIME=30S），直接到输出端，此时为线性跟踪滤波状态。
二、 信号大幅度变化时（≥HL，≤LL）
OR=1，NOT=0，TON不起作用，EOR=0，LG1（TIME=30S）不起作用，PI不起作用走跟踪。正常的信号流向：IN→LG→PI的跟踪→LG1的跟踪→输出
三、
1、 小信号在10秒之内，经过LG（TIME=1S），PI的积分作用，跳过LG1（TIME=30S），直接输出，实现输入信号的滤波和跟踪状态。
2、 小信号在10秒之后，经过LG（TIME=1S），PI的跟踪和LG1（TIME=30S）跟踪输入。
3、 大信号变化时，LG（TIME=1S）作用，LG1（TIME=30S）不起作用，此时为输出快速跟踪。
优点： 对于被测参数有较好的滤波效果， 对周期性干扰具有良好的抑制作用，平滑度高。
缺点： 对于变化缓慢的输入信号响应慢。
关键词：RS-232串行通信 可编程控制器 自由端口模式 数据缓冲区 PC/PPI电缆
HG-2003型温升测控装置是笔者与我国北京某科学研究联联合开发的一套专门用于高压晶闸管阀温升检测试验的测控装置。考虑到PLC及其网络已被公认为现代测控装置开发的几大支柱之一，从近几年的统计数字来看，PLC产品在世界范围内的产量、销量高居各测控器件bangshou，笔者决定本测控系统的核心器件采用可编程控制器（PLC），其基本功能可通过软件编程实现。PLC的三大亮点是：（1）集电控、电传、电仪三电于一体；（2）网络的性能价格比高；（3）可靠性高。这些亮点就使得整个测控设备结构简单、可靠性高，也为实现系统控制功能的二次开发奠定了良好的技术基础。本文主要讨论设备中所采用的西门子公司的S7-200型PLC和PC机之间的串行通信问题。
1、温升测控系统整体介绍
1．1 HG-2003测控装置的测控对象及结构
先来介绍一下该温升试验测控装置的基本工作流程。10kV电源进线经过进线框中的高压断路器CB和高压隔离开关柜中的隔离开关G（用于在设备检修或维护时形成一个明显的断点）后，加在10kV转换变压器T1上。该变压器将三相电转化为单相电。这主要是由于做实验时负载电流很大，如果使用三相电源，容易造成负荷电流的不平衡从而造成试验故障。在转换变压器的输出端（二次侧）连接单相温升试验变压器T2。该温升变压器的一次侧应加装用于无功功率补偿的电容柜，二次侧则通过有载分接开关直接连接试验品（即高压晶闸管阀）进行温升试验。
从基本工作流程不难知道测控装置的测控对象，本装置的具体测控对象如表1所示。
表1 测控对象表
测控装置的物理结构分为两部分：操作控制台和试区控制箱。其中，试区控制箱即PLC控制箱被安装在试验区的隔离开关框内。操作控制台即PC机人机办是非曲直操作台则安装在控制室内。由于二者之间相距约40m，采用PC/PPI电缆传输测控信号时需加装中继器。
1．2 HG-2003测控装置的基本功能
本测控系统的基本功能包括：开关分合控制指示功能；设备和试品的过流、过压、过热报警及保护功能；各种操作连锁功能，如电源开关柜内10kV电源断路器和隔离开关柜内的手动隔离开关、控制室门触点、试验大厅门触点间的连锁保护功能等，并设有相关的报警提示画面。这些功能可以避免操作顺序出错。
2、S7-200通信程序的设计与实现
2．1 PC机与S7-200的通信方式
西门子S7-200 PLC的通信功能较强，有多种通信方式可供用户选择，如：单主站方式、多主站方式以及使用调制解调器的远程通信方式等。在本测控装置中，笔者采用单主站方式。在运行bbbbbbs或bbbbbbs NT操作操作的个人计算机（PC机）上安装STEP 7-Micro/WIN32编程软件后，PC机就可作为通信中的主站。它可与一个或多个从站相连，STEP 7-Micro/WIN 32每次和一个S7-200 CPU通信，但可以访问网络上的所有CPU。该通信方式的硬件配置为PLC到PC机通信口的电缆连接器，即带RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用五个DIP开关设置波特率和其它配置项。它支持的波特率为9.6kbps或19,2kbps，支持的协议为PPI协议。这里并没有使用PPI协议，而是使用PC/PPI电缆和自由端口通信功能来实现S7-200 CPU与PC机间的通信。自由端口模式是计算机或其它带有串行通信接口的设备与S7-200 CPU之间通信的一种廉价和灵活的方法。它以用户定义的通信协议为基础，通过使用相关的中断指令和专用的通信指令控制S7-200 CPU通信口的操作模式，实现与多种智能设备的连接。
具体地说，所谓自由通信端口模式是指CPU的串行通信接口可由用户程序控制的一种通信操作模式，其梯形图程序可以使用接收完成中断、字符接收中断、发送完成中断、发送指令（XMT）和接收指令（RCV）等控制通信过程。在该模式下，通信协议完全由用户程序控制。
CPU处于STOP模式时，自由通信端口模式被禁止，CPU重新建立使用其它协议的通信，例如与编程设备的通信。只有当CPU处于RUN模式时，才能使用自由通信端口模式。通过将特殊寄存器字节SM30或SM130的协议选择域（mm）置1可以将通信端口设置为自由端口模式，处于该模式时不能与编程设备通信。
可以用反映CPU模块上的工作方式开关当前位置的特殊存储器位SM0.7来控制自由端口模式的进入。当SM0.7为1时，工作方式开关处于RUN位置，可选择自由端口模式；当SM0.7为0时，工作方式开关处于TEM位置，应选择PC/PPI协议模式，以便用于编程设备监视或控制CPU模块的操作。
2．2 自由端口模式下PLC串行通信程序的编程要点
计算机与可编程控制器通信时，为了避免通信中的各方争用通信线，一般采用主从工作方式，即计算机为主机，可编程控制器为从机；只有主机才有权主动发送请求报文，从机收到后返回响应报文。下面主要谈一谈编程过程中应注意的几个问题。
是电缆切换时间的处理。因为使用了PC/PPI电缆，在S7-200 CPU的用户程序中应考虑电缆的切换时间。S7-200 CPU接收到RS232设备的请求报文到它发送响应报文的延迟时间必须大于等于电缆的切换时间。波特率为9600bps和19200bps，电缆的切换时间分别为2ms和1ms。在梯形图程序中可用定时中断实现切换延时。
就是通信可靠性的处理，校验码的采用是提高通信可靠性常用的措施之一。用得较多的是异或校验，即将每一帧中的个字符（不包括起始字符）到该帧中正文的后一个字符作异或运算，并将异或的结果（展品或校验码）作为报文的一部分发送到接收端。接收方接收到数据后计算出所接收到的数据的展品或校验码，再与发送方传过来的校验码比较，如果不同，可以判断通信有误。
后需注意的是防止起始字符、结束字符与数据字符的混淆。因为报文的起始字符和结束字符只有8位，接收到的报文数据区内出现与起始字符或结束字符相同的数据字符的机率很大，这可能会引起字符混淆。可以在发送前对数据作某种处理，例如选择起始字符和结束字符为某些特殊的值，而将数字字符转化为BCD码或ASCII码后再发送，这样可以避免出现上述的情况，会增加编程的工作量和数据传 送的时间。
2．3 通信程序中关键指令的使用与说明
发送指令XMT（Transmit）用于启动自由端口模式下数据缓冲区（TBL）数据的发送，指令格式如图1所示。通过指定的通信端口（PORT），将存储在数据缓冲区（TBL）中的信息发送。使ENO=0的错误条件：SM4.3（运行时间），0006（间接寻址），009（在端口0XMT/RCV），000B（在端口1XMT/RCV）。
XMT指令可以方便地发送1～255个字符，如果有中断程序连接到发送结束事件上，在发送完缓冲区中的后一个字符时，端口0会产生中断事件9，端口1会产生中断事件26。可以监视发送完成状态位SM4.5和SM4.6的变化，而不是用中断进行发送。数据缓冲区中的起始字符和结束字符是可选项，个字节的“字符数”是要发送的字节数，它本身并不发送出去。
接收指令RCV（Receive）可以方便地接收一个或多个字符，多可接收255个字符。通过指令的通信端口（PORT），将接收信息存储在数据缓冲区（TBL）中。数据缓冲区中的个字节用来累计接收到的字节数，它本身不能接收到，起始字符和结束字符是可选项。如果有中断程序连接到接收结束事件上，在接收完后一个字符时，端口0产生中断事件23，端口1产生中断事件24。
使ENO=0的错误条件：SM86.6和SM186.6（RCV参数错误），SM4.3（运行时间），0006（音接寻址），009（在端口0XMT/RCV），000B（在端口1XMT/RCV）。CPU不是在自由端口模式。
可以监视SM86.6或SM186.6的变化，而不是用中断进行报文接收。SM86.6或SM186.6为非零时，RCV指令未被激活或接收已经结束。正在接收报文时，它们为0。
当超时或校验错误时，要自动中止报文接收功能。必须为报文接收功能定义一个启动条件和一个结束条件。
RCV指令允许通过参数设定选择报文开始条件和报文结束条件，即设定特殊存储器字节SM86～SM94（用于端口0）和SM186～SM194（用于端口1）。
两个比较重要的指令是获取与设置通信口地址指令。获取通信口地址指令（GET ADDR指令）用来读取PORT指定的CPU口的站地址，并将数值放入ADDR指定的地址中。设置通信口地址指令（SET ADDR指令）用来将通信口（PORT）站地址设置为ADDR指定的数值。设置的新地址不能保存，断电后又上电，通信口地址将恢复为上次的地址值（用系统块下载的地址）。图2为使用RCV指令和接收完成中断接收数据的通信程序流程图。
3、计算机通信程序的设计与实现
3．1 bbbbbbs环境下的PC机通信程序
在bbbbbbs环境下，操作系统通过驱动程序控制各硬件资源，不允许用户像在DOS环境下那样直接对串口进行底层的操作。为此，Visual Basic提供了一个串行通信控件：MSComm控件。程序员只需设置和监视MSComm控件的属性和事件，就可以劲易而易举地实现串行通信。
3．2 MSComm控件的属性
MSComm控件主要属性如下：（1）Comm Port:设置并返回通信端口号。（2）Settings:以字符的形式设置并返回波特率、奇偶校验位、数据位和停止位。其中字符n、o、e分别代表无校验、奇校验、偶校验。（3）Port Open：设置并返回通信端口状态。设置为Ture时，打开端口；设置为Flase时，关闭端口。还有bbbbb、Output、bbbbb Mode、In Buffer Count等属性，这里不再一一介绍。
3．2 MSComm控件处理接收信息的方式
MSComm控件提供两种处理方式：（1）事件驱动方式：RTHreshold属性非0时，收到字符或传输线发生变化时就会产生串口事件On Comm。通过查询CommEvent属性可以捕获并处理这些通信事件。（2）查询方式：通过查询Iuput Buffer Count（接收缓冲区的字节数）属性值，处理接收到的信息。本装置中采用事件驱动方式。
用Visual Basic语言设计串行通信程序简单实用，关键是如何形成一个友好的用户界面。编程的细节这里不再详述。
随着工业PC机的推出，个人计算机在工业现场支行的可靠性问题也得到了解决。在各类测控设备中实现PLC和PC机间的串行通信有着重大的意义。这样一方面有助于将个人计算机开发成简易工作站或者工作终端，实现集中显示、集中报警功能；另一方面也可把个人计算机开发成PLC编程终端，通过编程器接口接入PLC