西门子6ES7231-0HF22-0XA0使用说明

西门子6es7231-0hf22-0xa0使用说明

. 引言

　　在现代工业控制系统中，plc以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，被广泛应用。可实现顺序控制、pid回路调节、高速数据采集分析、计算机上位管理，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。但plc无法单独构成完整的控制系统，无法进行复杂的运算和显示各种实时控制图表和曲线，无良好的用户界面，不便于监控。将个人计算机（pc）与plc结合起来使用，可以使二者优势互补，充分利用个人计算机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格优势，组成高性能价格比的控制系统。

1. 系统构成

　　系统设备组成，如图1所示。

图1 系统组成示意图

　　推进系统中，pc机选用工控计算机。它是整个控制系统的核心，是上位机。其主要利用良好的图形用户界面，显示从plc接收的开关量和控制手柄的位置，进行一些较复杂的数据运算，并且向plc发出控制指令。

　　plc是该系统的下位机，负责现场高速数据采集（控制手柄的位置），实现逻辑、定时、计数、pid调节等功能，通过串行通讯口向pc机传送plc工作状态及有关数据，同时从pc机接受指令，向蜂鸣器、指示灯、滑油泵、控制手柄的位置等发出命令，实现pc机对控制系统的管理，tigao了plc的控制能力和控制范围，使整个系统成为集散控制系统。

2. 通讯协议

　　计算机与plc之间的通信是建立在以rs232标准为基础的异步双向通信上的，fx系列plc有其特定的通信格式，整个通信系统采用上位机主动的通信方式，plc内部不需要编写专门的通信程序，只要把数据存放在相应的数据寄存器中即可，每个数据寄存器都有相应的物理通信地址，通信时计算机直接对物理通信地址进行操作。通信过程中，传输字符和命令字以ascⅡ码为准，常用的字符及其ascⅡ码对应关系如表1所示。

表 1

　　计算机与plc进行通讯时，计算机与plc之间是以帧为单位进行信息交换的，其中控制字符enq、ack、nak，可以构成单字符帧发送和接受，其余的信息帧发送和接受时都是由字符stx、命令字、数据、字符etx以及和校验5部分组成，如图2所示。

图2信息帧的组成

　　在图2中,cmd是通信命令字,其意义如表2所示。

表 2

　　校验和在信息帧的尾部用来判断传输的正确与否，和校验码的计算方法是将命令码到etx之间的所有字符的ascⅡ码（十六进制数）相加，取所得和的低2位数，在后面的通信程序设计里面还会提到。进行差错检验的方法很多，常用的有奇偶校验码，水平垂直冗余校验lrc，目前广泛使用的是crc校验码，它能查处99%以上18位或更长的突出错误，而在计算机与plc点对点的短距离通讯时，出错的几率较小，因而采用校验和法，基本能满足要求。

3.多线程技术及在vc++串口通信程序中的实现

　　在bbbbbbs的一个进程内，包含一个或多个线程，每个线程共享所有的进程资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。一个进程内的所有线程使用同一个32位地址空间，而这些线程的执行由系统调度程序控制，调度程序决定哪个线程可执行和什么时候执行线程。线程有优先级别，优先权较低的线程必须等到优先权较高的线程执行完任务后再执行。在多处理器的机器上，调度程序可以把多个线程放到不同的处理器上运行，这样可以使处理器的任务平衡，也tigao系统的运行效率。

　　bbbbbbs内部的抢先调度程序在活动的线程之间分配cpu时间，bbbbbbs区分两种不同类型的线程，一种是用户界面线程（userinterface thread），它包含消息循环或消息泵，用于处理接收到的消息;另一种是工作线程（workthread）它没有消息循环，用于执行后台任务、监视串口事件的线程即为工作线程。

　　本系统采用mfc编程方法，mfc是把串口作为文件设备来处理的，它用createfile（）打开串口，并获得一个串口句柄，用setcommstate（）进行端口配置，包括缓冲区设置，超时设置和数据格式等。然后调用函数readfile（） 和writefile（）进行数据的读写，用waitforsinglebbbbbb（） 监视通信事件。在用readfile（） 和writefile（）读写串口时，一般采用重叠方式。因为同步i/o方式是当程序执行完毕才返回，这样会阻塞其他线程，降低程序执行效率。而重叠方式能使调用的函数立即返回，i/o操作在后台进行，这样线程就可以处理其他事务，同时也实现了线程在同一串口句柄上实现读写操作。

　　使用重叠i/o方式时，线程要创建overlapped结构供读写函数使用，该结构重要的成员是hevent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hevent处于有信号状态，表示可进行读写操作;读写函数未完成时，hevent被置为无信号。

　　利用bbbbbbs的多线程技术，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线程报告;并且，依靠重叠读写操作，让串口读写操作在后台运行。

4.上位计算机通信程序设计

　　以读取plc输出线圈y0为首的2个字节的数据为例，编写一个通信程序。查plc软元件地址表可知，输出线圈y0的首地址为00a0h，2个字节的数据即为y0-y7和y10-y17，根据返回的数据，就可以知道plc此时的状态，以实现对plc的监控。在每一次读操作之前，先要进行握手联络。对plc发请求讯号enq，然后读plc的响应讯号。如果读到的响应讯号为ack，则表示plc已准备就绪，等待接收通讯数据。

　　bool cplccomdlg::readfromplc（char ＊read_char, char ＊read_address,int read_bytes）

　　｛ cserial serial;https://用于串行通讯的类

　　if（serial.open（1））https://初始化串行通讯口com1

　　｛serial.senddata（&en,1）;https://发送联络讯号

　　sleep（20）;https://等待20ms秒

　　serial.readdata（&read_buffer,1）;https://读取plc响应讯号

　　if（read_buffer==ack）｛

　　… …

　　serial.senddata（&stx_start,1）;https://向plc发送“开始”标志代码

　　serial.senddata（&cmd0_read,1）;https://发送“读”命令代码

　　datasum_check+=cmd0_read;

　　for（i=0;i<4;i++）｛

　　serial.senddata（&read_address[i],1）;https://发送起始元件地址的ascⅡ代码

　　… …

　　serial.senddata（&etx_end,1）;https://发送结束标志代码

　　change_to_ascii（senddatasum_check,datasum_check）;https://将“和”转化成ascⅡ代码

　　sleep（40）;https://等待plc的反应

　　… …

　　serial.readdata（&read_char[i],1）;https://读read_bytes个字节

　　if（＊readdatasum_check==＊readdatasum_check）https://“和”效验

　　｛ afxmessagebox（"数据读取成功!"）;

　　return true;｝

　　else｛afxmessagebox（"校验错误!"）;

　　return false;｝｝

　　｝

5. 结束语

　　本文作者创新点：笔者提出了一种基于多线程的pc机与plc的通讯，该通讯程序采用vc比用vb具有更好的实时性;并采用mfc编程方法用重叠结构读写串口，使串口读写在后台进行。该通讯程序可靠、可移植性好。

　　本通讯程序作为该系统的一个重要组成部分，经现场调试证明，既简单又实用，具有很好的实用价值。同时，该系统具有直观的人机界面和方便的操作方式，具有广阔的应用前景。

、引言

　　聚束器nb2是重离子加速器系统中，tigao束流品质的一个高频系统。其工作原理如图1示，

图1：工作原理图

　　速度不同的带电粒子经过耦合有大功率高频信号的真空加速腔时将受到速度调制，终粒子的速度趋于一致。即如粒子1以v1，粒子2以v2的速度在束线中运动，其中v1小于v2，经过相同的时间，粒子2到达高频信号的负半周期，粒子1到达高频信号的正半周期，二者都受到由电场力产生的加速度a的作用，由式1-1可知经过相同的时间，粒子速度趋于一致，以达到改善束流的品质。

　　v2-a.t=v

　　v1+a.t=v 式1-1

　　高频发射机系统如图2所示，主要由高频放大、槽路、冷却系统和供电系统四部分组成。高频放大部分是由固态宽频带放大器、电子管构成的二级放大系统;供电系统主要负责电子管的灯丝、栅极、帘栅极、阳极和宽频带放大器的供电;加之整个发射机是一个以分布参数为主的系统，因而槽路是改善发射机参数和性能的重要组成部分。考虑到发射机工作在一个有高压、低压、交流、直流、脉冲和模拟信号混合的电磁环境中，为保证控制系统的稳定性和可靠性，采用了西门子s7-300系列的plc、触摸屏，并结合ethernet（工业以太网）技术设计了nb2发射机控制系统，实现了发射机的远程控制。

　　ethernet网络是采用商业以太网通信芯片和物理介质，利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接的工业以太网技术。能同时能支持10m和100m的以太网的商业产品。它的一个数据包多可达1500字节，数据传输可达10mbps或100mbps;从而实现数据的高速传输[1]。

图2：发射机框图

2、控制系统组成

　　该控制系统要实现发射机的连锁保护，即发射机的冷却、电源、电子管、槽路中任一个参数出现异常，系统都能实现报警并采取相关的应急措施，确保系统的安全。现场控制的hmi（人机界面）是用西门子tp270组态设计的，可以实现本地操作如报警、记录、打印、参数的读取等。还能在控制室实现对冷却系统、电源、电子管的各极偏置、以及激励的远程操作;并且能在处于控制室的工业pc的hmi中显示系统的运行状态、加速电压（d电压）等相关参数。

　　2.1、控制系统的硬件配置

　　为实现以上要求，该系统采用了如图3所示的结构。现场以西门子s7-300plc和触摸屏tp270作为高频发射机的本地控制器和人机接口，然后经ethernet和交换机接入已有的控制网络，后通过以太网卡连到控制室工控机，完成远程控制。

图3：系统结构和s7-300plc配置图

　　系统中所采用的plc的配置如图3所示的配置。电源模块是ps305，能提供dc24v的电压和dc5a的电流。cpu是313-2dp，此cpu模块自带32点di/do，而且有两路硬件产生高频率为30khz的脉冲，以满足系统中脉冲调制和拖动槽路中步进电机所需的脉冲。采用sm338模块读取通过ssi总线传来的电机位置编码数据。为了便于通信，配置了通讯处理器cp3413-1模块，可以直接用双绞线与交换机switch相连接入已有的控制网络。此外为了产生高精度的模拟量控制信号，采用了16位精度的sm332模块。采样信号都是4-20ma的信号，系统配置了sm331模拟量模块，以完成参数的测量。

　　2.2、槽路微调电容的控制

　　当调节激励以改变发射机输出能量即改变d电压时，需同时改变微调电容，使耦合网络匹配，以减小反射系数[2]。对微调电容的控制采用了如图4所示的闭环控制结构。当plc收到来自本地tp270触摸屏的动作信号（本地控制模式）;或者收到来自wincc的动作信号（远程控制模式）时，就调用相应的功能块fc，产生脉冲和方向信号，经驱动器放大，拖动步进电机，改变电容板间距离，从而实现对电容容值的改变和耦合网络的匹配。其中位置传感器采用的是sick的atm60 ssi位置编码器,电容板的位置编码数据以ssi协议的格式，传送给s7-300的sm338模块，通过ethernet上传给处于控制室的工业pc，在wincc组态的hmi中显示;同时通过profibus把位置编码数据传给本地的触摸屏tp270，在protool组态的本地人机界面中显示。

图4：槽路微调电容拖动控制简图

　　2.3、调理电路

　　为保证发射机各个系统参数的监测，采用了如图5所示的以tp521为核心的光隔离模拟测量调理电路[3]，只要调节图中的可变电阻，并适当的设置sm331模块的系数因子，就能实现参数的准确测量;并在组态的hmi中显示，达到发射机参数远程监控的目的。

图5：参数测量调理电路

3、软件设计

　　系统的软件设计主要包括plc软件设计、工业pc的上位的hmi设计以及本控触摸屏tp270的hmi设计。plc的程序设计，主要实现现场的数据测量、状态监控、控制策略的判断和与上位机的wincc数据通信。

　　在wincc组态软件环境下，分别设计了发射机的操作流程图、状态监控图、参数测量显示图、参数趋势曲线图;并具有报警记录、报表生成、打印等功能。本地控制的触摸屏tp270的hmi设计是在protool环境下组态完成的，其功能和wincc组态的hmi大致相同。如图6所示其人机界面（hmi），分成了操作流程区域，发射机参数测量监控区域，发射机状态监控区域和功能选择区域。

图6：操作界面

　　step7中程序循环组织块是ob1，通过判断来自上位工控机wincc或触摸屏tp270的操作变量状态和plc输入接点的状态，循环调用开关机功能块fc20，脉冲宽度调制生成块sfb49及背景数据块db20，参数测量功能块fc21，激励信号调节功能块fc22，系统连锁保护块fc23，与db通信的功能块fc24,整个程序结构如图7所示。当plc加电初始化完成后，进ob1主循环块，并扫描功能块fc24实现与wincc和tp270的通信，获取操作信息并接合plc的输入接点和辅助节点如m1.0，调用相应的功能块fc，完成相应的控制操作;同时把相关数据和参数状态通过fc24上传给wincc，实现远程监控。在任何时刻系统参数出现异常，plc都会调用连锁保护块fc23，使系统处于保护待机状态，并把故障显示到wincc和tp270操作界面中告知系统运行者[3]。

图7：软件结构图

5、结束语

　　该系统采用了西门子s7-300plc作为本地控制器，具有抗干扰能力强，运行可靠等优点。接合profibus现场总线，以触摸屏tp270作为本地控制的人机接口设计，取代了以按钮、数码管、模拟表头等作为人机接口的方案;减少了系统的布线，简化了接口电路的设计等工作，并且具有设计简单、运行可靠、显示直观等优点。采用wincc组态hmi，使上位机操作界面友好，状态显示直观，降低了操作难度，tigao了自动化水平，节省了人力资源。

　　本文作者创新点：结合profibus总线技术和触摸屏，改变了传统以按钮、数码管、模拟表头等作为人机接口的设计思路，在emc（电磁兼容）恶劣的情况下，可靠的实现了发射机系统的控制。

在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产一线保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气liuliang等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断tigao，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。

　　空气系统自动控制的必要性

　　应用在天纺投资控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70m3/min 4台，53m3/min 4台，48m3/min2台，43m3/min4台离心式空压机和1台42.5m3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的cmc控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有lcd显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有rs422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

图：分级控制网络实施方案图

　　目前，空压站的自控系统通过西门子s7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过rs422/485通讯接口采集进plc控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。

　　空压机设备自带的cmc控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有更重要的意义：

　　■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。
　　■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约更多的能源，节省人力成本。
　　■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。
　　■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。

　　在已有的plc系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的cmc控制器提供了rs422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。

　　除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到rs422/485网络中来，实现空压供气设备的全面自控。

　　空压站其他系统的自动控制

　　除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。

　　自动控制具有以下优点：

　　■ 操作简单，可以实现无人值守；
　　■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；
　　■ 具有高可靠性；
　　■ 减轻工作人员负担；
　　■ 节省人力成本。

　　需要控制的参数和可能的控制方式

　　空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制；⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。

　　空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：

　　⑴采用plc系统进行通讯和控制。

　　⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。

　　种方法可靠性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，plc还可以按照设定的程序进行自动控制。

　　第二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。

　　除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。

　　系统构成

　　对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟plc自控系统可以选用，现以zh公司的plc自控系统为例。

　　该自控系统选用西门子s7-300系列可编程控制器，带有rs422/485网络接口，支持modbus等相关网络通讯协议。该系统可以采用专用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。

　　■ 硬件配置

　　现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），plc和监控计算机。

　　■ 软件功能

　　选用专用的工业组态软件（如wincc或ifix）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息采集，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。

　　在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够tigao系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平tisheng到更高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得更大的效益。

　　结论

　　总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于tisheng天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。