6ES7321-1BP00-0AA0接线方式

  1  引言

　　随着可编程逻辑控制器(plc)应用领域的不断拓广，常规的开关量逻辑控制以外，在许多应用场合需要用plc对模拟量调节装置进行控制。为适应这一需要，plc制造商推出了plc模拟量接口模块，用户可以按要求进行选配。但总体上讲，这些功能模块的价格都比较贵，对一些简约的plc控制系统而言，成本的增加有时侯难以承受。

　　数字电位器(dcp)是一种采用数字信号控制中间抽头阻值变化的电位器，具有可编程、可靠性高、体积小等优点。数字电位器的输入是串行数字量，输出是变化的电阻值，如在电位器的两固定端接上稳定的电压，滑动端的输出将是按一定幅度变化的电压信号，从这个角度上讲，dcp又是一种特殊的串行d/a转换器。本文利用数字电位器x9511，设计了一个用于fx1n小型plc的模拟量输出接口，实现了对变频器运行频率的连续调节。

    2  数字电位器x9511简介

　　2.1 内部结构

　　x9511是一种低功耗、按键式32抽头的数字电位器，内部结构如图1所示，由控制电路、升／降计数器、译码器、eeprom、传输门阵列和电阻阵列等几大部分组成。电阻阵列由31个相同的电阻串联而成，形成32个节点，每个节点接有一个fet电子开关，开关的另一端连在一起构成滑动端(vw)。为加计数输入端，为减计数输入端。计数器对输入串行脉冲进行加减计数器，结果经译码器输出控制传输门阵列进行32选1的操作，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当计数器计数到大值“31”时，输入失效，计数到小值“0”时，输入失效，避免循环计数，保证电位器调到大位置时不会跳到零位或调到零位时跳到大位置。图2为x9511的外形封装与引脚定义。

            图1  x9511内部结构图

            图2  x9511外形封装与引脚定义

　　2.2 两种特殊功能

　　x9511数字电位器还具有以下两种特殊的功能：

　　(1)单次和连续计数。  

    和输入端均有去抖动电路，当输入脉冲宽度小于40ms时，计数器将其视为干扰信号不进行计数，防止误触发。当输入负脉冲宽度小于250ms时为单次计数方式，即一个脉冲计数器就加1(或减1)；当脉冲宽度大于250ms时为连续计数方式：在1秒钟以内以250ms的速率低速连续计数，大于1秒后则以50ms的速率高速递增或递减，直到滑动端滑到高或低抽头位置。

　　(2)自动/手动存储。芯片掉电时，如检测自动贮存使能端为低电平，便自动将计数器的值(滑动端的位置)贮存到eeprom存贮器中，并在下次上电时自动将eeprom中的数据恢复到计数器中，掉电时若  为高电平则不执行自动贮存操作。x9511得电状态下，且  为高电平，执行一次拉低  电平后再恢复到高电平的操作，可完成一次对滑动端位置的手动存储。

    3  串行d／a转换接口设计及应用

　　图3给出了基于x9511的plc串行d／a转换电路，plc选用fx1s-20mr，控制对象为变频器，型号：fr-s520s-0.75k。plc的开关量输出y0、y1接x9511的  

  、，则电位器滑动端(vw)的位置依y0、y1的输出串行脉冲信号而变化，从而实现了plc数字量串行输出的模拟转换。这里，x9511的vh、vw、vl分别接变频器的频率设定电源端(端子10)、频率设定端(端子2)、频率设定公共端(端子5)，调节滑动端的位置即可改变变频器的设定频率。

            图3  基于x9511的plc串行d/a转换接口

　　自动贮存使能端固定接低电平， 因此，x9511在掉电时不执行自动保存，每次上电后vw回零。

    4  设计中的几个问题

　　用数字电位器构建d/a转换接口，简单实用，但也有几个问题在设计过程中需要注意：

　　4.1 分辨率  

　　分辨率是d/a转换单元的重要技术指标。数字电位器用作d/a电压转换器件时，分辨率是施加在电位器两固定端的电压除以其电阻阵列的电阻数。本例中vh与vl间电压为5v，电阻阵列的电阻数为31，则d/a转换的电压分辨率为5/31v。从上面的分析可知，x9511的d/a转换分辨率仅相当于5位d/a转换器，分辨率较低，只适合应用在调节精度要求不高的场合。要提d/a转换分辨率，必须选用抽头数更高的数字电位器。目前已有256、1024抽头的产品。

　　 4.2 自动存储功能的选择  

　　在工业控制系统中，机械式电位器是一个常用的电子器件，常用作模拟量调节。但在实际应用中也一直有个无法解决的难题，即设备开机时若电位器不在零位就会产生一定的冲击，甚至引发事故。数字电位器分易失性和非易失性两种，区别在于芯片是否能在掉电时自动保存滑动端的位置并在下次上电时自动恢复存储数据。采用数字电位器作d/a转换单元时，选用易失性数字电位器或将数字电位器设定为非自动存储状态，可有效避免冲击性启动。

　　4.3 端点电压

　　端点电压就是加在数字电位器两固定端的电压。数字电位器与传统的d/a转换器不同，其输出量不是电流或电压，而是电阻变化值。数字电位器作d/a电压转换器，变化的是滑动端的分压值。因此，端点电压性能的好坏直接影响d/a转换的输出，在设计时应予以考虑，尽量利用已有的基准电压源。本例中的端点电压取变频器的频率设定用电源。

　　4.4 抗干扰能力  

　　数字电位器的输入是串行脉冲数字信号，输出是模拟信号，相对而言输入端的抗干扰能力更强。使用时将d/a转换单元就近连接或直接安装在被控模拟调节装置上，缩短模拟信号的传输距离，可有效提高转换电路的抗干扰能力。

    5  结束语

　　数字电位器是为了克服传统机械式电位器滑动片磨损、数字接口性能差等不足而推出的一种新型电子器件，目前多应用于智能仪器仪表、消费类电子产品等领域。本文利用数字电位器x9511设计的plc模拟量输出接口，实现了plc数字信号的模拟转换。选择非自动存储状态使d/a转换单元具有上电输出自动回零的功能，有效解决了传统机械式电位器设定的启动冲击问题。另外，结合器件特点而采取的抗干扰措施提高了接口电路的可靠性。实际应用表明这种方案不但价廉，而且还简单实用，可靠性高。

 1  引言

　　电动机的应用涵盖了工业生产的各个领域。在自动化生产线中需要一个电动机群的运行来保证各生产环节的连续性,预防某个电机出现故障影响整条生产线的生产任务。

　　本文提出了利用pc上位机和plc构建一个电动机群监控系统的方案，优点在于pc机强大的人机接口功能，高性价比，丰富的软件开发资源，而plc较强的抗干扰性，信号采集和控制的输出功率强，直接与现场信号对接，从而更好地发挥两者的效用。在窄带钢五机架冷轧机电动机群监控中完全按此方案设计。此系统保护电动机群运转的可靠性，保护的实时性和管理的系统性，从而提高生产效率。

    2  系统设计

　　2.1 总体设计

　　为了构建电动机群监控的集散控制系统。先将整条生产线上的电动机根据生产流程的任务特点或电动机类型划分成n组，每台plc分别控制生产线上的几台电动机，并作为一个组，采样模块采用定时中断的方式采集每个电机的状态信息。多台plc合理分配监控任务，共同完成整条生产线上电动机群的综合保护。上位机pc根据通讯协议通过串口与n台plc建立通讯，即1：n的通讯模式。plc将每组电动机的状态信息传输到上位机，由上位机实现信息的综合处理。

            图1  电动机群综合保护系统的构成

　　如图1所示，电动机上安装温度传感器和电流电压采集模块，将检测的信息传到plc实时采集和初步处理。上位机通过rs232与rs485转换接口与plc实现通讯，对各种数据进行判断、分类、处理，从而实现整个电动机群的监控保护和故障处理。

　　2.2 plc与上位机pc的任务分配

　　合理的分配plc与上位机的工作任务，实现实时和优化的数据处理结果。

　　(1)plc实现的功能主要有：接收上位机的指令或人工选择来控制电动机的启停；采集电动机的状态信息，指示每组电动机的运行状态和故障报警；通过模拟量采集模块采集电动机的电流、电压、温度等信息，检测电动机的过流、短路、断相、超温等故障。其实质是正常工况下的状态值与实际状态值的比较过程，并将数据传到上位机。

　　(2)上位机实现的功能主要有：根据生产工艺要求，按规定的顺序通过plc控制各电动机的自起动。合理安排电动机群的起动批次及避开剩余电压的影响防止对电动机的合闸冲击；对整个电动机群实现起动功率、电流、电压的评估，防止功率、电流过大致使熔断器熔断或电压偏低而使电动机群起动困难；根据生产流程对整个电动机群的运行实时优化控制，防止设备的空运行，节能降耗；实现整个电动机群故障的判断、报警、显示和故障历史数据的查找。

    3  上位机与plc的通讯

　　3.1 多元化的通讯协议

　　各厂家的plc通讯协议各不相同。需按照相应通讯协议实现上位机pc与plc的通讯。西门子s7-300plc支持mpi，还可以通过profibus和工业以太网总线系统与计算机进行通讯。施耐德plc型号支持modbus和modbusplus通讯方式。欧姆龙plc支持hoist bbbb和controlbbbb两种通讯协议。另外许多plc支持用户自己的通讯协议，如rockwellab的plc，s7200用自由口模式创建自己的通讯协议。

　　3.2 mscomm串口控件

　　由于受到通讯距离和传输速率及多机通讯的的要求，上位机pc和plc需要安装rs232-485转换器。rs485具有较好的抗噪能力，长的传输距离和多站能力，方便地建立起设备网络。在下文介绍的窄带钢五机架冷轧机电机群综合保护系统中，所用的上位机软件采用可视化、面向对象的结构化语言visual basic开发。其中mscomm串口控件是利用visual basic开发串口通讯程序的主要方法，功能完善，实用性强。利用它能方便的建立与串行端口的连接，并通过串行端口连接到其他通讯设备来传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。而mscomm串口控件中包含了各种属性和事件，根据现场的电动机分布情况需要设置通讯端口号(commport属性)、通讯协议(handshaking属性)、传输速率等通讯参数(settings属性)、打开通讯端口(portopen属性)、及输入输出字符串(bbbbb、output)等属性。通过编程按查询或中断方式实现串行通讯。mscomm控件通讯步骤：

　　(1) 在工程中添加mscomm对象

　　(2) 设置通讯端口号(commport属性)

　　(3) 设置通讯协议(handshaking属性)

　　(4) 指定波特率、奇偶校验、数据位和停止位(settings属性)

　　(5)  根据条件设置其他属性(如rthrehold属性、sthrehold属性)

　　(6) portopen属性设置为true，打开通讯端口

　　(7) 输出/读入字符串(bbbbb/output属性)

　　(8) 关闭通讯端口(portopen属性设为false)

　　遵循以上步骤编写专门的通讯模块实现上位机与plc的通讯。

    4  上位机软件设计

　　监控软件的功能是在每个扫描周期内采集、运算、处理、存储各plc的数据，即电动机运行过程中的各种信息量。以动画、文字、图表、曲线等形式显示出来，方便操作员对电动机群的状态判断、操作、管理。

　　上位机软件采取模块化设计。电动机群综合保护系统的上位机软件由通讯模块、信息的分类处理模块、电动机群状态的显示模块，共3大模块构成。其中信息的分类处理模块较为复杂，它又包含电动机的类别组号判别模块、电动机运行状态检测模块、电动机相电流相电压和温度的曲线绘制模块、故障的存储记录模块4个子模块。整个运行程序流程如图2所示。

            图2  上位机软件运行流程图

            图3  窄带钢五机架冷轧生产线示意图

    5  系统设计案例

　　根据以上方案开发的电机群综合保护系统，应用在了某企业的一条窄带钢五机架冷轧生产线上。

　　5.1 plc的选型

　　1—5#机架上的工作辊采用交流电机拖动。1—5#机架上的电机接收原电控系统的指令完成合闸、运行、变频调速。将电动机群综合保护系统中控制电机启停的继电器串联到原电控系统中，目的是如果保护系统检测到故障可及时给电机断电。除此之外原电控系统与电动机群综合保护系统各自独立。将1—3#机架上的电机作为一组，4#、5#机架及卷取机上的电机作为一组分别有两台s7-200plc负责监控保护。plc为s7-200系列，cpu224xp的i/o模块：一个rs485通信/编程口，数字量为14入/10出，模拟量2入/1出。根据检测的模拟量扩展了一个8*模拟量输入模块。每组电动机所需plc输入输出点的统计如附表所示。

　　附表  每组电动机所需plc输入输出点的统计

　　5.2 系统的优化

　　由于每组电动机群模拟量的检测比较多，共需24个模拟输出，为了减少模拟量的输入点，在图1所示的采集模块中，分时采集每个机架上电机的模拟量，并传送给plc，从而减少了需要扩展的模拟量输入模块的数量。相电流、相电压、温度的数值运算在plc内完成。并将数据传输到上位机，合理分配plc与上位机的任务，提高了运算效率。为了减少开关量的输出点，每台电机的欠压、短路、断相、接地和过负荷指示灯在plc上均没有输出点，而以上故障信息的指示可由上位机显示，从而减少了数字量输出的扩展模块。

　　5.3 电动机群的状态显示

　　如图4所示，在上位机pc上通过主界面可以监视每台电机的状态，反映每台电机的欠电压、短路故障、接地故障、超温故障及超负荷等信息。并如图5将采集到的相电压、相电流及温度数据绘制出曲线。当出现故障时可以控制每台电动机或一组电动机的断电。

            图4  电动机群综合监控保护主界面

            图5  1#机架电动机电流/电压/温度曲线

    6  结束语

　　根据某轧钢生产线的需要，按照电动机群综合保护系统的构建方案设计了窄带钢五机架冷轧生产线的电动机群状态综合保护系统，提高了电动机群保护的自动化程度，方便了电动机群的检测和综合管理。同时也为其相似监控系统的设计提供了参考。