西门子贵阳PLC模块总代理商

1  引言

航天员在载人航天飞行时要遇到多方向的复合旋转运动。要适应这些复杂的运动，航天员在上天前必须进行严格而艰苦的训练。电动转椅是用来对航天员进行前庭器官适应性训练的主要设备之一。为了向大众普及前庭刺激的效果和感受，我们为某科技馆研制了能够同时旋转和摆动的复合电动转椅展品，以S7-200PLC为核心设计了该展品的两自由度控制及与上位机通信功能。

2  功能要求

转椅要求能够在水平面上顺时针和逆时针旋转，旋转角速度可选择在60～180°/s五档，角加减速度限制在5～10°/S2，达到设定转速后保持匀速旋转；垂直面内的摆动幅度±30°、±45°两档，摆动频率0.1Hz、0.2Hz两档。转椅效果如图1所示。

图1 两自由度电动转椅效果图

3  控制系统方案

电动转椅分为水平旋转系统、摆动系统和控制系统三部分。水平旋转系统、摆动系统分别用伺服电机作为运动执行部件，由两台伺服驱动器控制电机的转速和转动方向来实现现转椅的转动和摆动。正常运行情况下由操作人员在控制台上通过人机界面设置转椅运行旋转速度和摆动角度、运行时间等参数，确认后按下控制台启动按钮启动设备，运行时间结束自动停止在初始位置。如受试者感到不适则可按下转椅扶手上的报警按钮，操作人员在控制台接收到报警信号后按下停车按钮，转椅可在5～10秒内停止；如设备出现异常，操作人员按下紧急停车按钮，转椅可在1秒内紧急停止。在转椅水平旋转初始位置设置位置传感器以控制转椅旋转停止在初始位置，分别在转椅垂直角度0°、±30°、±45°共五个位置安装型位置传感器以限制摆动角度。控制系统采用西门子公司的S7-200系列PLC作为核心控制器，型号为CPU224XP CN，本机集成14输入、10输出共24个数字量I/O点，保证了系统需求且有一定冗余，而且该型号PLC集成2个高100KHz的高速脉冲输出（HSC），对应端口Q0.0和Q0.1，可用于控制步进电机或伺服电机。上位监控机采用研华工控机，与PLC通过自由口方式通信，人机界面设计工具为Microsoft VC6.0。控制系统组成如图2所示。

图2 转椅控制系统组成

4  运动控制

S7-200提供三种方式的开环运动控制：脉宽调制（PWM）、脉冲串输出（PTO）、位控模块。本项目采用PTO方式控制座椅的旋转和摆动，即组态PLC的两个数字输出（Q0.0和Q0.1）为占空比50%的脉冲串输出，用于控制旋转和摆动伺服电机的转速。每个脉冲信号可使伺服电机旋转一个固定的角度，脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定旋转速度，即脉冲频率与旋转速度成正比，脉冲周期则与转速成反比。使用PLC的Q0.2和Q0.3作为方向信号控制旋转和摆动伺服电机旋转方向，Q0.4和Q0.5则分别作为两台伺服电机的使能信号输出，以上PLC输出端分别连接至两台伺服控制器输入端。简单的PTO运动控制可通过STEP7-MicroWin组态软件提供的位控向导完成，由于转椅要求旋转速度及摆动速度可调且运行时间可调，因此采用自定义PTO包络参数来设计控制程序。同时本系统为开环控制，对于旋转控制需要确定高恒定转速对应的脉冲输出频率，以及计算加减速过程中的脉冲周期增量值，对于摆动控制需要确定摆角及摆动频率所对应的旋转速度及脉冲输出数。已知伺服控制器单位脉冲位移角度参数，得出的旋转的输出脉冲周期与角速度对应关系，如表1所示。

脉冲周期增量计算如下式：

式中：

p：脉冲周期增量，单位μs；

S1：初始角速度，单位°/s；

S2：高恒速角速度，单位°/s；

α：角加速度，单位/s2；

h1：初始脉冲周期值，单位μs；

h2：恒速脉冲周期值，单位μs；

摆动控制有四种模式，如表2所示。

摆动输出脉冲周期与角速度对应关系，如表3所示。

在PLC组态中首先初始化PTO0（对应Q0.0）和PTO1（对应Q0.1），在其专用寄存器中设置高速脉冲输出控制字，配置其属性为允许PTO输出、单段管线、允许更新输出脉冲数、允许更新脉冲周期值，装入初始脉冲周期值和脉冲计数值，并建立和打开事件联接中断。初始化完成后根据控制台按钮指令和计算机输入的控制参数执行旋转和摆动控制输出。两自由度运动的包络曲线如图3所示。

图3 电动转椅两自由度运动包络曲线

5  通信接口设计

PLC与上位计算机之间采用自由口通信模式，在PLC中调用接收中断、发送中断、发送指令（XMT）、接收指令（RCV）来控制通信操作。本项目中采用自由口通信，通信协议自定为9600波特、8位数据位、无校验，因此将初始化代码16#09写入专用寄存器SMB30。对于数据发送，采用专用发送指令XMT TABLE PORT，其中TABLE为发送缓冲区的首地址，存储要发送的数据长度，其后的地址中保存要发送的数据；对于数据接收，使用接收指令RCV TABLE PORT，通过制定端口（PORT）接收信息并存储于数据缓冲区（TABLE）中。为了PLC能够成功地接收和识别上位机传送的运动控制参数，分配和定义了接收缓冲区，如表4所示，运动控制参数VB102中每一位的含义图4所示。

6  软件程序设计

转椅控制系统上电后，PLC首先进行系统初始化，然后判断转椅在水平和垂直方向上是否处于初始位置，如否则自动低速调整到初始状态。接收到上位机的控制参数并收到启动按钮命令后，转椅首先按照设定角加速度加速旋转至设定转速并保持，转速到达设定转速后开始按照摆动角度和频率设定执行摆动运动，运行时间结束后转椅自动恢复垂直初始位置，同时旋转速度下降并终停止在水平初始位置。程序控制流程如图5所示。

S7 - 400的一个重要特点是它的模块化。S7- 400的高速通讯背板总线和允许直接插入CPU集成的DP接口，允许多条通讯线路的高性能运行。例如，把一根总线用于HMI通讯和编程任务，一根总线用于高性能运动控制，一根总线用于普通I / O现场总线通讯。
此外，也可以实现另外连接到MES-/ERP系统或通过SIMATIC IT连接到互联网的需要。根据任务情况，可对S7 – 400进行集中扩展或分布式配置。附加设备和接口模块也可集中用于此目的。在CPU中集成的PROFIBUS或PROFINET接口上也可实现分布式扩展。如果需要，也可以使用通讯处理器（CP）。

设计

设计一个S7 - 400系统基本上包括机架，电源，和中央处理单元。它可以以一个模块化的方式安装和扩展。所有的模块都可以自由地放置在左侧插入的电源旁边。S7- 400具有无风扇的坚固设计。信号模块可以热插拔。一个多层面的模块范围可用于中央扩展以及具有ET200的分布式拓扑结构的简单配置。
在集中式扩展中，额外安装机架直接连接到中央控制器。

除了标准的安装机架，也提供9槽和18槽铝合金安装机架。这些铝机架可以很高地耐受不利环境条件，紧固耐用，重量轻25％左右。

多值计算

多值计算，也就是在一个S7- 400中央控制器中的几个CPU的同时操作，为用户提供不同的益处：

在多值计算操作中，所有的CPU的运行行为像一个CPU，也就是说，当一个CPU进入STOP状态，其他的也停止。几个CPU的动作可以通过同步指令选择性地协调调用。此外，CPU之间的数据交换通过高速的全局数据通讯机制。

数据/程序存储器

从精细分级的各种CPU中选择合适的CPU取决于集成工作存储区的大小。集成装载存储器（RAM）足以满足中小型企业方案。对于大型程序，通过插入RAM或FEPROM存储卡增大装载内存（64 KB到64 MB）。

特殊功能

S7- 400 CPU有一些非常有用的特殊功能：

数据记录，例如控制级PC可以通过S7 -400控制器与连接在PROFINET或者PROFIBUS接口上的现场设备进行通讯。

说明

SIMATICS7-400 PNH系统可以根据具体应用需求量身定制：性能可扩展、的冗余度可灵活组态，安全功能易于集成。集成PROFINET接口，可冗余连接I/O设备，或者通过PROFIBUS连接I/O设备，实现工厂级通信。无论何种应用，使用SIMATIC S7-400 PNH，均可在熟悉的STEP7 工程环境中，进行便捷而有效的编程和组态。

 工业以太网是一个功能强大的区域和单元网络，符合 IEEE 802.3（以太网）和 802.11 a/b/g/h（无线局域网）标准，可用于工业应用。以太网是用于联网*基本的因特网技术。 
   如今，在办公区中已有众多不同的企业内网、企业外网和互联网可供选择，通过工业以太网，也可以将它们用于工厂和过程自动化。
以太网技术已经与交换机、全双工模式和自动侦测功能成功地结合使用了多年，使网络性能能够满足您的要求。由于兼容性*，可以逐步引进新技术，因此用户可以选择所需的数据传输速率。 
   以太网目前占有 90% 以上的*，是当今局域网领域中的-。 
   以太网具有很大优势： 
      连接方法简捷，可快速调试       由于现有网络容易扩展，具有高度可用性       高数据传输速率及必要时可通过交换技术获得扩展性能，以太网的通讯性能几乎不受限制       可实现不同应用领域的联网，例如办公环境与生产环境       由于采用 WAN（广域网，如 ISDN 或 Internet）进行连接，可在整个公司范围内实现与安全部件的通讯，且可保持数据完整性       通过持续的兼容性开发，实现投资安全       通过工厂范围内的时钟控制，可实现整个工厂范围内基于时间的jingque事件分配      SIMATIC NET 依赖这种可靠的技术。西门子已经在有电磁干扰的恶劣工业环境中提供了几百万个连接。 
   SIMATIC NET 对以太网技术进行了重大改进，以适应工业环境: 
      用于严酷工业环境的网络部件。       通过具有 RJ45 技术的 FastConnect 电缆接线系统进行快速本地组装       通过高速冗余和冗余电源实现故障安全网络       通过简单、有效的信令概念，持续监控网络部件       面向未来的网络部件，配有新型 SCALANCE X 工业以太网交换机系列       控制层上大量数据的千兆通讯，如 WinCC，web 应用程序，多媒体应用程序等      工业以太网提供有以下通讯功能/服务： 
   编程器/OP 通讯  
   包括集成的通讯功能，可通过 SIMATIC、SIMOTION 和 SINUMERIK 自动化系统与每个 HMI 设备和 SIMATIC 编程器（STEP 7）进行数据通讯。PROFINET/工业以太网和 PROFIBUS 支持编程器/OP通讯. 
   S7 通讯  
   S7 通讯是一项用于 S7-400 的集成通讯功能（系统功能块），或用于 S7-300 的可装入功能块，这项功能已经在 SIMOTION、SINUMERIK 和 SIMATIC S7/WinAC 环境下进行了优化。它可用于连接 PC 与工作站。 每个作业的用户数据量*大为 64 KB。
S7 通讯提供简单、功能强大的通讯服务以及与软件接口无关的网络。 
   开放式通讯  
   通过开放式通讯 (SEND/RECEIVE)，SIMATIC S7 控制器可与其他 SIMATIC S7 和 SIMATIC S5 控制器（S5 兼容通讯）、PC 和第三方系统进行通讯。 另外，为了方便地连接 HMI 站，还提供有 FETCH 和 WRITE 功能。