西门子6ES7214-2AD23-0XB8现货包邮

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监控系统概述
2.1 硫化机控制对象介绍
　　2.1.1温度控制
　　控温分为高温控制和低温控制，高温分为两组，主要控制上下两块模板的加热，作用于模具中的原料，将其溶解。低温控制为一组，主要控制冷水机的制冷，再由水泵将冷水抽到冷却板上，待原料模具从加热层取出后，放入冷却层冷却定型。
　　2.1.2油压控制
　　油压分为预压和加压，预压就是让原材料在成型前预先受热一定的时间，使其软化，压力较小。加压是在预压的基础上加大压力，使原材料成型。
　　2.1.3机械辅助控制
　　机械部分主要是辅助油压系统的动作，主要是实现对阀门控制，从而达到对油路及油压的辅助控制。
2.2 硫化机控制过程介绍
　　2.2.1 制冷过程
　　闭合制冷电源开关后压缩机延时3分钟启动（保护压缩机不频繁启动），达到指定温度时压缩机停止。同时，水泵开始向冷却板循环抽水。
　　2.2.2 压力控制过程
闭合电源开关后，油泵电机开始运转，机器处于待机状态。如果没有任何上升或者下降的动作，为避免油泵电机在长时间运行，20分钟后油泵电机自动停止运转。任何时候按上升或者下降按钮，油泵电机重新开始运转。
　　2.2.3 计时控制过程
在计时器的电源开关闭合的状态下，计时器分段计时，段默认为预压时间，一段时间到达后，计时器自动转到第二段计时状态，同时将压力调整到加压压力设定值，二段时间到达后，计时器停止计时，同时下降电磁阀导通。当油缸降到底时，触发位置开关，油站恢复待机状态，计时器复位，下次动作是自动计时。
　　2.2.4 测试过程

　　如图1所示，监控界面的左边是对温度和压力设定与显示，右边上半部分是开关点输出的显示，下半部分是控制区域。打开电源开关，机台得电后测试过程如下：
　　（1）设定好温度，打开温控开关按钮，包括上模加热、下模加热以及制冷开始加热或制冷按钮。
　　（2）温度到达后，打开油压控制开关按钮，油泵电机运转，机器处于待机状态。
　　（3）设定好预压的压力及时间，加压的压力及时间。将模具放入加热模板内，按上升键同时打开计时器开关按钮，机台自动完成预压、加压及下降的动作。
　　（4）将模具从加热模板内取出再放到冷却板内，重复以上动作。油缸再次下降后，取出模具。测试结束。
3 监控系统方案设计
3．1  plc介绍
　　3.1．1  plc工作原理 plc工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：
　　（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。
　　（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。
　　（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。
　　（4）执行cpu自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。
　　（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。
中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而进一步提高了plc控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。
　　3.1.2 plc特点
　　（1）plc逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。plc从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。
　　（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。
　　（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，hollias lm系列plc支持6种编程语言，包括：梯形图（ld）、指令表（il）、结构化文本（st）、功能块图（fbd）、顺序功能图（sfc）和连续功能图（sfc）。给编写程序带来很大方便。
3．2  监控系统方案
　　监控系统要实现功能主要是：（1）温度、压力以及控制参数的设置；（2） 状态和数据显示；（3） 对xh-406硫化机的控制。（4）历史曲线及报表输出。本系统采用主、从站方式，通过modbus标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用组态软件来实现。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合plc的特点，该系统控制部分采用plc控制。从站选用lm系列plc（lm3106 cpu），控制示意图如图2所示。从输入/输出点要求考虑，本系统配置为lm3106 cpu 14点输入，10点输出，4通道模拟量输入1通道模拟输出模块lm3330，4通道热电偶输入模块lm3311。

4 程序设计
4.1  主站程序设计
　　mcgs组态软件，负责系统的在线监控、操作、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作员操作三类功能，细分为以下几个方面：
　　（1）参数设定、实时数据的收集处理和显示及命令控制界面，如图1所示。由本地监控站收集和处理来自各现场控制站的实时数据，形成上层人机界面的实时数据库。
　　（2）为保证监控系统的安全性，对于某些特殊的控制参数只能是负责人或工程师才能通过密码确认的情况下进入设定。如图3所示。
　　（3）报表输出。完成数据的采集、处理；并以报表的形式输出采集到的数据。
　　（4）历史数据管理和趋势查看。完成历史数据的收集处理；在趋势画面上显示点值的历史变化曲线或实时变化曲线，可以设置趋势组，每一副趋势画面可显示多条曲线，同时可以查看曲线上每一采样时刻的具体值。

4.2  plc程序设计
　　4.2.1  pid与pwm算法
　　在过程控制中，按偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）进行运算的pid算法是应用为广泛的一种自动控制算法。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；pid调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（pi、pd）。

　　比例p对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；p偏大，振荡次数加多，调节时间加长；p太大时，系统会趋于不稳定；p太小，又会使系统的动作缓慢。
积分i控制对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，i小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
　　微分控制d对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，d偏大时，超调量较大，调节时间较短；d偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有d合适，才能使超调量较小，减短调节时间[2]。
pwm 是以脉冲的方式来控制被控对象，pwm可以通过改变周期和占空比这两个参数来实现对被控对象的控制。
　　如图4 所示，本控制系统中的被控对象是加热器，要控制好温度精度，也就是对加热器的加热时间的控制，结合加热效率和温控精度两方面考虑，采用了pid与pwm相结合的控制方法加热，保证温控精度，基本控制在+/-0.5℃以内。满足了控温精度在+/-1℃内的要求

1、总体方案

本应用是在测试终仪中增加网络接口模块，以互联网为传输平台，在远端接入诊断pc而实现远程控制及诊断功能的，其框图如图1所示。

诊断专家人员可在诊断pc上通过internet向异地测试仪发送指令，测试仪接收并按照指令要求完成对故障设备的自动测试，将测试数据通过网络传回诊断pc，建立数据实时交互的传输平台。

图1 故障诊断系统的远程应用框图

2、基本原理

2.1 互联网的基本结构和特征
设备的远程监测诊断是计算机科学、通讯技术与故障诊断技术相结合的一种新的设备故障诊断模式。tcp／ip是发展至今成功的通信协议。该协议分为4层，由上到下依次为应用层、传输层、网络层和链路层。
本应用使用的是em2000网络模块，底下3层的较复杂的协议已经固化在他的asic中，能够实现透明的数据通信。这样，研究工作主要集中在应用层的设计 和功能实现上。这包括建立在传输层上的数据帧定义、交换数据的定义、应用功能的设计和人机交互界面的设计等。
本应用中使用的是em2000网关，他是用来在嵌入式系统与互联网建立数据连接和协议转换的设备。一方面pc端的网络应用程序将应用层数据打包成为ip包 在网络上传送，em2000将辨识和解析这些数据包，把应用层的原始数据转发至rs 232接口。另一方面em2000也将rs 232接口的数据封装成为ip包，传送至pc端的网络应用程序。支持透明传输和简单协议两种工作方式；em2002网关在网络接口部分具有www接口，用 户可以通过浏览器在网络上实现对em2002及串行设备的配置和管理。在网络中的具体位置如图2所示。

图2 em2000网关在数据传输路由中的位置

2.2 传输帧的定义
下面主要考虑第4层应用层的具体使用，即数据传输的帧格式、具体的定义等。根据本测试设备的状态和显示的功能，其格式可设计成2大类，即测试数据帧和命令 控制帧。格式的设计应能实现系统对端间信息的无障碍交流、易于识别和判断，同时，还应保证传输的可靠性，兼顾信息利用率。对该系统，经过实际信息交互统 计，确定使用一个字节的长度，即256种状态。
（1）帧类型定义
传输帧格式的定义如表1所示。第7位为类型定义位，“1”表示为数据帧；“0”为命令控制帧。

表1 传输帧格式定义

（2）数据帧
数据帧格式的定义如表2所示，主要用来传送检测的数据结果。根据需检测信道数量和检测项目来设置数据帧的字节。本系统设置8个数据信道，8个测试项目和“正常”／“故障”2个参数。

表2 数据帧定义

对于数据帧，考虑到本设备测试信道的数量和测试项目的多少，兼顾处理速度的快慢和复杂程度，后确定信道号范围为0～7，占用数据帧的第6位至第4位，以 二进制表示，高位在前，低位在后；测试项目范围为0～7，占用数据帧的第3位到第1位，表示方式同上（根据需要，以后扩容时，适当增加字节即可）。数据帧 的后一位定义为测试结果，“0”表示正确无误，“1”表示故障。这里没有采用通常的校验位，主要是因 为该通信速率较低，目前网络传输的可靠性非常高，这方面可以忽略，以提高处理效率，简化程序编写难度。
（3）命令控制帧
命令控制帧的格式定义如表3所示。字节的高位固定为“0”，主要用来传输测试终端和远端诊断终端的控制命令和设备状态信息。

表3 命令控制帧定义

命令控制帧按传送方向不同，可分为命令控制字和状态表示字2种。对于命令控制字，第6位到第4位为“101”，是命令识别位；后 4位为命令代码，表示不同种类的测试进程。测试平台将自动返回相应的信息，其帧格式为第6至4位为“001”，这是信息数据的识 别位，其余位为不同类型的定义。对于硬件复位命令，测试端返回1eh；链路检测为1fh。

3、具体实现

3.1 网络接口设计
嵌入式系统和微型计算机系统一样，必须通过tcp／ip协议转换才能接入internet。在这里数据通信的设计主要体现在串口的设计[2]， 将mcu的数据按照预先定义的格式通过与转换芯片连接的串行接口发送或接收即可。设计中只要mcu的串口和em2000网关的交换速率匹配即可，按照字节 方式逐字发送和接收。另外，em2000网关的接口电平与ttl兼容，这就省略了电平变换电路，使得设计实现起来更简便。
3.2 mcu的软件设计
嵌入式mcu系统软件主要由mcs-51汇编程序编写。为了实现本地键盘控制与异地远端控制同步工作，需要对部分软件进行重新编写。主要包括初始化程序、扫描程序、执行程序、串口中断调用程序、协议翻译程序等。
（1）存储单元初始化的特殊要求
众所周知，测试主程序首先对系统所用变量进行初始化，包含堆栈栈底的指针设定、寄存器、状态字的初始值设定、串口模式／状态字的初始设置等，但在这里由于 远程通信的特殊情况，具有特殊要求。虽然部分存储单元在从加电到复位完成时，单元值已经被置位，但是仍需再置位。这主要考虑当在平台运行期间，各个寄存器 和存储单元都会有不断变化的新值存入，这样，当进行远端复位操作时，有些存储单元的值不会自动复位，如果按原程序执行就会发生不确定的问题。为保证存储单 元内容的一致性和可控性，对寄存器空间进行初始化是必不可少的。
（2）子程序间的通信机制
在处理键盘控制和远端控制同步运行时，嵌入式实时操作系统常采用邮箱查询方式。首先扫描及防抖程序[3]负 责对键盘的操作进行扫描，经消除抖动和干扰影响后，将键盘值放入35h，并向邮箱发送“键盘动作事件”的信件；同时，串口通信程 序不间断扫描端口数据，如果判断有命令数据注入，则将命令值放入36h内，同时向邮箱发送。串口命令发生事件”的信件。这样通过对主程序信箱 的查询，如果发现有信件存在，则对信件进行相应翻译，变成机器可以执行的代码，对设备进行动作调度和相关信息处理。

3.3 tcp／ip端口配置
tcp／ip端口相当于挂在internet网上的一块标准网络设备，具有惟一的全球识别mac地址，可以接入任意的网段而不受限制。在配置网络参数时， 只要知道通信双方的网络ip和路由，即可以轻松实现网络连接。该模块设置了1 b的缓冲区，通信速率为2 400 b／s，提高了ip包传输效率。

3.4 远端诊断终端的设计
远程诊断终端主要为软件程序设计，该部分采用visual basic，html等语言进行编写，主要分为2个部分。
（1）通信模块配置网页的设计及上传
在远程测试之前，需要对通信模块相关参数进行网络配置，使远程软件能够对测试终端进行访问和控制操作。本设计采用html语言编写了web网页风格的界 面，上载至模块flash存储器，用户可通过浏览器对硬件访问和网络配置。为加强保密安全，还增添了password入口参数的设置。
（2）远端终端主程序的设计
主程序采用microsoft visual basic语言编写，主要功能包括控制和测试2部分。测试前，先输入分配到的ip地址与要侦听的端口号，然后根据网络状况，利用vb语言中winsock 插件的connect方法在本地计算机与测试平台之间建立一个socket，以便完成控制等数据的传送和接收。各项操作的运行状态和操作结果都将由当前状 态框实时显示。当本地计算机与远程测试平台连接正常之后，便可以开始测试。

4、应用验证
首先测试通信模块，在单台计算机上建立2个超级终端，一个与串口建立连接，另一个与socket建立连接。在超级终端的一窗口内输入数据，另一窗口即时响 应，说明网络接口模块功能正常。其次测试mcu串行通信性能，通过电平转换电路建立与计算机的串口连接，用超级终端进行数据传输验证。完成后，对全系统进 行联调，**行直连试验，即将测试终端与诊断终端通过交叉网线直连，验证功能的正确性；然后将测试平台接入internet网，通过异地连接，验证功能的 正确性。目前，经过多项调试验证，能够建立诊断终端与测试终端的连接，并可进行异地的各项状态显示、控制测试、复位等功能，实现了原设计目标。

图3 诊断终端程序测试界面

5、结 论
本文介绍的方法，能够非常容易地实现将嵌入式系统与互联网相连。研发人员不用精通tcp／ip协议和具体的网络知识，即可以设计出具有网络功能的电子产 品，大大缩短开发周期。该方法在远程监测、网络监控、远程诊断等方面具有很大的应用空间。目前，该项技术正在向单位相关领域推广。