西门子6ES322-1HH01-0AA0

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在过去的数十年中，工程师和科学家们使用可编程的逻辑控制器（PLC），实现了我们身边世界的自动化；在可预见的将来，PLC的应用仍将继续。PLC是专为离散控制应用而设计的，是工业应用中主要的有用工具；然而，随着工业机器和工厂复杂度的增加，仅凭PLC完成这些工作，即便可能，也是非常困难的。今天的自动化系统远超出了PLC的能力拓展，使得工业机器领域的工程师们不得不面对在其现有系统中集成更多高级I/O、处理和控制的需要。新推出的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统，可以方便地与PLC集成，以便在工业机器中添加更多高级功能并提高其效率，这使得PAC成为PLC系统的理想解决方案。 
 
      目录 
1. 提高机器的效率 
2. 在现有PLC系统中添加高级I/O和高级信号处理功能 
3. 将PAC集成至现有PLC系统 
4. 总结 
 
      提高机器的效率 
集成工业系统（I2S），一家数十年来专门生产现有金属轧机设备与控制系统的私营美国OEM公司，为我们提供了一个关于如何改善现有PLC系统的极佳范例。多年来，I2S一直使用PLC实现其所产轧机的自动化和控制。近年来，该公司业已开始尝试升级其轧机控制系统以改善效率与质量。为了升级该系统并改进其机器设备，I2S需要这样一个解决方案，它能提供更高的模拟输入精度以便实现与其伽马测量传感器的接口，以及高级信号处理功能，以来自传感器的模拟信号并将该信号转换为一个极为准确的厚度测量值（PLC将在轧机控制循环中使用这一测量值）。 
为了节约时间与成本，I2S首先尝试在现有PLC系统中实现高级模拟测量与处理功能。当发现PLC无法提供所需的精确模拟I/O与信号处理功能时，I2S转向了NI CompactRIO——一个可重新配置的嵌入式PAC系统。 
 
      在现有PLC系统中添加高级I/O和高级信号处理功能 
NI CompactRIO拥有一个嵌入式FPGA芯片与一个实时处理器，您可以通过内置的NI LabVIEW功能模块对其进行编程控制。CompactRIO还具有超过30个模拟与数字I/O模块，这些模块包含内置的信号调理（包括抗混叠、隔离、ADC和DAC等）、高速定时（模拟I/O高达800 kHz，数字I/O高达30 MHz）和高精度（高达24-位ADC）处理模块，以便与任一工业传感器或执行装置相连接。 
图1. 您可以利用NI LabVIEW工具与CompactRIO中的FPGA，定制每个I/O模块的定时特性。 
I2S将CompactRIO模拟输入模块连接至伽马厚度传感器，以提供执行必要精度测量所需的高速定时与精度。由于每个I/O模块直接与FPGA相连，I2S工程师们可以利用LabVIEW FPGA方便地定制CompactRIO模拟I/O速率。 
从伽玛传感器采集模拟数据之后，CompactRIO实时处理器利用内置的LabVIEW实时浮点功能模块，将来自传感器的数据转化为一个准确的厚度测量值。CompactRIO运行FPGA与实时处理器中的I/O与信号处理的所有功能，并将一个极为准确的厚度测量值发送至所连接的PLC，丝毫没有降低现有PLC控制循环的速率。 
 
       将PAC集成至现有PLC系统 
图2。您可以方便地将PAC与PLC、人机界面（HMI）和企业系统系统相集成。 
将PAC连接至现有PLC架构的三种基本方法： 
1. 基本模拟与数字I/O——可以将模拟和数字数据从PAC输出至PLC。这也是I2S将处理后的数据从CompactRIO PAC输出到运行轧机控制循环的PLC所采用的方法， 
2. 工业网络——大量的PAC产品支持工业协议，如DeviceNet、Profibus和CANopen，以及基于以太网的协议（如TCP/IP、UDP和Modbus TCP/IP）。I2S选用以太网协议实现CompactRIO PAC间的，以及PAC、PLC与联网HMI间的接口。 
3. OPC连接——PAC也可以充当过程控制（OPC）客户或服务器的OLE，与PLC或其它使用OPC标记的PAC收发网络数据。OPC标准提供了一组通用的例程，该例程给出了方便实现来自不同厂商的自动化系统的接口。 
 
       在I2S，每台轧机包含三个联网的CompactRIO系统。其中，连接至基于伽马的传感器的两个CompactRIO系统，执行模拟输入测量和高级信号处理功能，以计算精确的厚度测量值。第三个CompactRIO系统接受来自其它两个系统的厚度测量值，并将一个模拟测量值输出至控制轧机的PLC。
 　　处理后的数据通过以太网，以小于20毫秒的间隔在联网的ComPACtRIO系统间传送。CompactRIO测量值的采集、处理和传送，均以足够快的速度将精确的厚度测量值输入至PLC控制循环，而不会降低控制循环的速度。利用带有10/100 Mbps以太网端口的基于LAN的CompactRIO系统，I2S可以通过一个标准的TCP/IP协议，方便地连接至联网的Allen-Bradley PLC和HMI系统。

       总结 
在未来的数年中，工程师与科学家们将继续使用PLC实现我们所处环境的自动化，但随着机械装置的进步和自动化效率的提高，PLC往往无法单独完成所有任务。PAC技术为PLC提供了很好的互补，它增加了传统PLC无法提供的高性能I/O和处理能力。通过多种可用于连接PAC与现有PLC架构的方法，工程师们现在拥有了一种提高其基于PLC的自动化系统的简便方法。

1 引言 
    可编程逻辑控制器（ProgrammingLogicController,PLC）作为一台工业计算机，集数据的采集、处理、显示于一身，那么作为数据终端，数据的显示是完全必要的。虽然PLC本身有许多指示灯，可以观测到PLC的CPU单元、输入/单元及网络通信单元的运行工作状态，但无法显示PLC内部数据。计算机通过与PLC通信以及触摸屏都可以实现PLC显示，但价格昂贵，对一些小型不需要经常改动的系统来说更是浪费。本文采用拨码开关和数码管来显示PLC内部数据，操作简单、廉，对实验教学和工程人员有参考价值。 
    (1)应用行业：机加工、过程控制等。 
    (2)使用产品：CJ1M(CPU22)，CS1W-ID211，CS1W-OD261 
    (3)应用的主要工艺点及要解决的主要问题：内部数据的动态显示 
    (4)应用方案简介：用高频率晶体管输出单元，结合高速定时器指令TIMH实现内部数据的动态显示。 
    2 动态数据显示 
    2.1硬件系统设计 
    LED数码管有7段显示灯，可以用来显示0～9间的10个数字。CJ1M系列PLC内部通道数据一般都是四位，如果用借用每个输出点来控 
    制一个显示灯，那么一个数码管就需要7个输出点，这显然要占用大量的输出点，是不经济的。这里选用含有内置译码电路的数码管如CD4511，可以把8421码自动译成7段码。8421码或BCD码用4个接口加选通信号，就可以显示一个数据位。将四个8421输入线组合与某个输出通道的最低四位相连，每个选通信号的输入信号与通道中剩下的四位相对应连接，这样一个输出通道就能显示PLC四位（一个字）内部数据。

    注意，这里的PLC输出模块应选用晶体管或者晶闸管输出单元，而不宜采用继电器输出单元。因为继电器输出单元为有触点开关，响应慢、速度低，不适用于高频率的通断，也不适用于动态数据显示[1>。故图1中采用OMRON公司CJ1W-OD261（64点）晶体管作为输出单元，其在本PLC机架上的IO地址分配为6.00～9.15，这里用0006通道作为内部数据的显示通道。6.00～6.03为CD4511的数据输入端A、B、C、D，其中A为最低位，D为最高位，为高电平时锁存数据，四位数据的端由PLC的6.04～6.07分别控制，4个数码管共占用8个输出点。 
    2.2选通信号的生成 
    由于4个数码管的线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，4位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方式轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。使每位分时显示该位应显示字符，根据人眼视觉特性，当LED所加信号频率大于50Hz时,人眼不能感觉其变化，所以每位显示的间隔不能超过20ms，也就是说要在20ms之内分时的点亮所有LED，LED越多所分的时间越短，亮度就会不足；如果增加点亮时间，又会使扫描频率下降，有闪烁感容易造成人眼的彼劳，故常采用动态扫描方式

引言 
    1969年美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器。最初只能用于逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称为PLC（ProgrammableLogicController），随着计算机技术和电子技术的飞速发展，其功能远远超出顺序控制和逻辑控制的范畴，不仅实现了数据运算和处理能力，而且体积小，功能强，可靠性高，编程直观，适应性好，接口方便，性价比高。 
    近年来，随着现代化生产技术的提高，以及计算机技术、信息技术和通讯技术的相互渗透，纱线的不匀直接导致布面的不平整，这就说明在纱线生产环节极为重要。纱线不匀是影响其品质的重要指标之一。传统的纱线检测方式都是在实验室离线进行的，通过对纱线的抽样，要求一定的温湿度前提下，相对于纱线的在线反映出离线的滞后性和随机性。RS-232C串行通讯实现比较容易，常被用于自动控制、数据采集、智能仪表等上位机与外部设备的数据通讯。本文设计了VB与欧姆龙PLC-CJ1M（CPU21）之间的数据通信，在线获得纱线的检测数据，如CV值、纱线瞬时直径、平均直径、粗节最大值、细节最小值等等，及时反映纱线的不匀，使操作人员及时做出相应调整。 
    1.上位机与PLC之间通讯实现 
    欧姆龙PLC—CJ1M（CPU21）有两个串行通讯口，一是通过欧姆龙专用串口通讯线CS1W-CN226，其网络类型设置为Toolbus，同时将DIP4串行通讯设状态置为ON;一是通过欧姆龙九针串口通讯线XM2Z-200S-CV，其网络类型设置为SYSMACWAY，其它为默认设置，包括端口为COM1，波特率为9600。图1所示为上位机通过RS-232C端口连接到PLC的示意图，也可以称作1:1连接。    

图1RS-232C端口的1:1连接
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    图2所示为上位机与PLC之间通讯实现过程。    

图2上位机与PLC之间通讯实现过程
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    2.VB与PLC之间通讯协议和程序实现2.1链接系统的通讯协议 
    在纱线数据通讯中，只需要在上位机系统中编写上位机通讯程序，无需在PLC中编写任何程序，PLCCPU会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回给上位机。命令帧和响应帧之间包含需要通讯的数据，只有保证正确实现命令帧和响应帧之间的应答，才能实现准确的数据交换。命令和应答有两种方式，一种是从上位机发命令到PLC，另一种方式允许PLC发命令给上位机，我们采用浅一种方式。 
    从上位机发送命令时的命令帧和响应帧如图3。    

图3命令帧和响应帧格式
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    命令帧中： 
    @——命令开始标志，所有命令都以“@”开始; 
    节点号——与上位机连接的PLC，在1:1连接中默认值为00; 
    标题码——设置两字节的命令代码，如RD代表读PLC的DM区数据; 
    正文——设置命令参数 
    FCS——设置两字符的帧检查顺序码，用于校验，是用两位ASCII码表示的8位数据，是从“@”开始到正文结束的所有字符的ASCII码按位异或运算的结果; 
    结束符——表示命令的结束，用“＊”和回车符“CHR$（13）”标明。 
    应答帧中： 
    @、节点号、标题码、FCS和结束符同命令帧中的含义。 
    异常号——返回命令的执行状态，，是否有错误发生。 
    2.2通讯端口初始化 
    在上位机与PLC实现通讯之前，必须先在上位机VB中设置通讯控件MSComm1的相应属性，通讯口初始化程序一般放在窗体加载程序中。 
    PrivateSubbbbb_Load（） 
    mPort=1‘设置Com1通讯口 
    MSComm1.Settings=“9600,e,7,2”‘波特率9600，e偶校验，7位数据位，2位停止位 
    MSComm1.PortOpen=True‘打开通讯端口 
    MSComm1.InBufferCount=0‘清空接收缓冲区 
    EndSub 
    其它设置均取通讯控件MSComm1的默认值。 
    2.3帧格式代码 
    采用基于bbbbbbs操作系统功能强大的面向对象的程序设计语言——VisualBasic，编写了上位机程序，建立了上位机与PLC之间良好的通讯协议。以读内存DM区为例： 
    上位机命令帧： 
    "@"+"00"+"FA"+"1"+"00000000"+"0101"+"82"+开始地址+读取个数+FCS+结束符 
    PLC应答帧： 
    "@"+"00"+"FA"+"1"+"00000000"+"0101"+"82"+"0000"+读取数据+FCS+结束符 
    其中： 
    FA——表示FINS命令 
    0101——表示连续读内存区 
    82——表示读内存DM区 
    2.4校验算法实现 
    为了保证通讯数据准确无误的传输，欧姆龙PLC对通讯数据以按位异或算法进行校验。代码如下，仅供参考。 
    OptionExplicit 
    FunctionFCS（ByValtemp1Asbbbbbb）Asbbbbbb 
    Dimslen1,i,xorresult1AsInteger‘定义变量 
    Dimtempfcs1Asbbbbbb 
    xorresult1=0 
    slen1=Len（temp1）‘求输入字符串的长度 
    Fori=1Toslen1 
    xorresult1=xorresult1XorAsc（Mid（temp1,i,1））‘从首字符到尾字符获取ASCII码，按位异或 
    Nexti 
    Tempfcs1=Hex$（xorresult1）‘转换为16进制 
    IfLen（tempfcs1）=1Then 
    FCS="0"&tempfcs1 
    Else 
    FCS=tempfcs1 
    EndIf 
    EndFunction 
    3.结束语 
    本文作者创新点主要通过RS-232C串口通讯，采用面向对象的可视化编程工具——VisualBasic建立上位机与欧姆龙PLC-CJ1M（CPU21）之间的数据通讯，获取纱线在线检测数据，现场实测表明能够快速准确在线测量纱线的CV值、瞬时直径、平均直径、粗节最大值、细节最小值等等，实时反映纱线的不匀率，对提高棉纺企业纱线质量具有重要的意义。 

压机改造后属万能压机类。除压制封头时，主缸总有一个“保压后卸载”的工艺过程。若卸载过程处理不好，则主缸换向必定产生强烈振动和噪声。传统的方法是采用溢流阀卸荷，难以实现卸荷压力从0-32MPa间的任意变化，所以卸荷的效果欠佳。而采用比例溢流阀则能满足卸荷压力在0-32MPa间的任意控制和调节，再加上PLC控制后,其卸荷功能会更好。 
    应用软件采用模块化结构，其中的组织块(OB)和程序块(PB)及其控制功能。 
    3.2三地操作 
    (1)本地操作台即主操作台，对所有电动机进行远程启停操作;加热器加热、停止控制;所有工艺过程进行远程自动操作控制(如主缸、提升缸升降,顶出缸顶出、缩回，大小压边缸升降,压制大小封头的工进等);对设备的运行状态进行集中指示(电动机的运行、停止,各缸的进、退,泵的工作、卸荷等)，使设备整体运行状况一目了然;对系统的故障(横梁超上下限，液压系统超压、超高低液位、超高低温等)进行集中声光报警;对主压力、大小压边力、系统压力进行数字显示;对主压力、大小压边力进行远程手动调定;对数字面板表进行定度等。 
    (2)机旁操作箱，对主缸、提升缸、大小压边缸、顶出缸的升降，对大小封头工进进行集中点动操作控制，方便生产过程的上料和卸料。 
    (3)远地操作台即液压站旁操作箱，对主泵、循环泵、加热器进行本地启停操作控制，本地、远程控制切换，泵的卸荷控制等，方便调试及维修。 
    4、PLC可靠性保护措施 
    系统采用多种措施,以保护PLC及其输出点。如每一模板都设一单极自动开关(2A/3A/5A)进行短路保护;当输出点需驱动交流接触器线圈时，经直流中间继电器转换，且接触器线圈两端并联阻容吸收块。454模板单点最大输出电流为2A(24VDC),可直接驱动阀用电磁铁(DC24V/1A)，考虑到输出点的保护，电磁铁线圈并接吸收二极管，且串联2A熔断管。 
    4.1电动机组保护 
    三台160SCY14-1B型高压变量柱塞泵，加之阀台控制，可以实现对流量的无级调节。三泵两用一备进行冗余，由三台75kW电动机驱动，并采用卸荷启动、卸荷停止方式，启动负载较轻。同时三台电动机采用自动Y-△降压启动方式，一方面提高了泵和电动机的使用寿命，另一方面可减少对电网的冲击。
    4.2机械设备的保护 
    活动横梁上、下各设两极限位,即上极限位、工作上限位、工作下限位、下极限位。每一极限位采用两个行程开关，进行冗余，分别安装在相对的两立柱上。当活动横梁行进到工作上限位或工作下限位时，就有液压阀回中位，声光报警。若因液压阀卡死而造成活动横梁行进到工作上位或工作下位时不能停止，活动横梁继续上行或下行到达上极限位或下极限位时，停泵保护。加之系统中设置了压力继电器的保护措施，

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