基于S7-300 PLC的多功能測(cè)控車

分類：解決方案日期：2007-04-04 00:00:00

1 引言
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)科研實(shí)驗(yàn)效果的要求也越來越高。在冶金行業(yè)中金屬塑性熱加工過程的研究中，要求能夠精確的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)又能對(duì)即將使用在生產(chǎn)線上的各種傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)控，以便對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，為最終安裝在生產(chǎn)線上能可靠運(yùn)行提供保障。但被測(cè)量的信號(hào)或被控制對(duì)象所處的位置是不同的，如測(cè)量一個(gè)鋼塊在被加熱過程中，不同位置的點(diǎn)的溫度變化時(shí)，要在加熱爐附近進(jìn)行。而測(cè)控一個(gè)伺服閥的性能要在液壓站附近進(jìn)行，為此我們開發(fā)了一套可以對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)某些對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制的測(cè)控車。
具體地說，此測(cè)量車可以測(cè)量壓力、扭矩、流量、速度、位移、電壓、電流以及鋼板溫度等信號(hào)。可以對(duì)伺服閥、液壓馬達(dá)、加熱爐、水幕(或集管)冷卻水的流量等進(jìn)行閉環(huán)控制。
2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
整個(gè)測(cè)控車控制系統(tǒng)包括兩部分，即測(cè)量控制部分和數(shù)據(jù)處理及分析部分。測(cè)量和控制部分采用西門子公司S7-300系列PLC，選擇CPU-315-2DP作為控制器，與ET200組成PROFIBUS-DP網(wǎng)，以便于對(duì)分散的對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)減少接線。選用6ES7 331-7KF02多功能模擬量輸入模塊做信號(hào)采集，因?yàn)榇四K可以采集熱電偶信號(hào)，電壓信號(hào)和電流信號(hào)。模擬量輸出模塊選擇12位精度的6ES7 322-5HD01。
數(shù)據(jù)處理及分析部分采用為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過美國(guó)NI公司提供的PC-1500PFB PROFIBUS通訊卡，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器之間的數(shù)據(jù)交換。軟件采用該公司的圖形化軟件LabVIEW7.0。硬件配置見圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配置
3 系統(tǒng)的功能原理
該測(cè)量車機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)靈活、接線方便。另外ET200M部分為一個(gè)單獨(dú)的控制箱，它與CPU之間只有一條數(shù)據(jù)線，因此可以放在與測(cè)量車有一段距離、靠近被控制點(diǎn)附近。
該測(cè)量車可以對(duì)被測(cè)量進(jìn)行短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)通過PROFIBUS總線保存在上位機(jī)中，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制各種曲線、擬合、回歸等處理，還可以打印報(bào)表等。可以快速地記錄閉環(huán)控制過程中的Setpoint值、Process Variable值、偏差值和PID輸出值，以便對(duì)被控對(duì)象的性能，控制效果等進(jìn)行分析和評(píng)估。
該控制系統(tǒng)的硬件控制器為S7-300系列的CPU315-2DP，具有速度快、可構(gòu)成DP網(wǎng)的特點(diǎn)。模擬量輸入模塊采用331-7KF02，該模塊通過改變其側(cè)面的4個(gè)小方塊的安裝方向，來改變所測(cè)量信號(hào)的種類，即電壓、電流、熱電偶信號(hào)。每一個(gè)小方塊控制兩通道，共8個(gè)通道。另外在STEP7的HardWare Config中，在331-7KF02的屬性里也要選定與小方塊指示相同的信號(hào)類型。在硬件接線方面，要將331-7KF02模塊的前連接器的第10、11腳短接，并連接到每個(gè)通道的負(fù)端。這樣才能正確地測(cè)量到信號(hào)。模擬量輸出信號(hào)選用322-5HD01，其輸出可以選擇電壓或電流量方式。
計(jì)數(shù)器選用FM350-2，具有8個(gè)通道。開關(guān)量輸入模塊為321-1BL00-0AA0，即32點(diǎn)，24VDC。開關(guān)量輸出模塊為兩種:一種是322-1BL00-0AA0，32點(diǎn)，24VDC;另一種是322-1HF01-0AA0，為8點(diǎn)繼電器輸出，可以直接控制電流較大的負(fù)載。

4 系統(tǒng)軟件
測(cè)量和控制部分的軟件為西門子公司的STEP7 5.2，該軟件編程直觀快捷，函數(shù)功能齊全，調(diào)試方便。軟件結(jié)構(gòu)是根據(jù)不同的任務(wù)分為若干個(gè)子程序，通過上位機(jī)傳送的不同參數(shù)，或控制面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)來啟動(dòng)相應(yīng)的程序，如圖2所示。如在溫度測(cè)量的程序中，分為測(cè)量熱電偶的溫度mV信號(hào)和測(cè)量來自紅外線測(cè)溫儀的4～20mA電流信號(hào)，不同類型的信號(hào)，其標(biāo)度變換將調(diào)用不同標(biāo)定子程序。在控制部分中流量控制和位移控制也是不同的子程序。

圖2 系統(tǒng)軟件任務(wù)分配
上位機(jī)的軟件為L(zhǎng)abVIEW7.0，通過PC-1500PFB PROFIBUS通訊卡于PLC交換數(shù)據(jù)。該軟件具有運(yùn)行速度快，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理的函數(shù)齊全，編程速度快，界面友好等特點(diǎn)。在人機(jī)界面中，對(duì)各種類型的測(cè)量和控制的試驗(yàn)進(jìn)行編碼，當(dāng)操作者選擇了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)后，通過通訊將該實(shí)驗(yàn)編碼及相關(guān)的參數(shù)一起發(fā)送到PLC中的特定DB塊中，PLC程序得到實(shí)驗(yàn)編碼后進(jìn)行初始化，然后等待操作者按下啟動(dòng)按鈕，程序才能真正地運(yùn)行。在測(cè)量和控制中采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存放在不同的數(shù)據(jù)塊中。上位機(jī)在傳送完實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，將運(yùn)行數(shù)據(jù)接收子程序，將PLC中DB塊內(nèi)的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)獲得并存儲(chǔ)在上位機(jī)中，同時(shí)在上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)。
該測(cè)控系統(tǒng)中包含了許多子程序，現(xiàn)將其中的2個(gè)為例說明編程思想。
4.1 增加、停止、減少子程序
增加、停止、減少子程序如下:
AN #minus_signal
JC dec
L #reference
L #step
+I
L #max
>I
JC out1
TAK
out1: T #reference
BEU
dec: AN #plus_signal
BEC
L #reference
L #step
-I
L #min
<I
JC out2
TAK
out2: T #reference
BEU
該子程序是利用開關(guān)量，以脈沖計(jì)數(shù)的方式產(chǎn)生數(shù)據(jù)。具體方法是利用2位自返回開關(guān)(左為減少，右為增加)，在每個(gè)調(diào)用周期中增加或減少一個(gè)數(shù)的方法產(chǎn)生數(shù)據(jù)，可以作為一個(gè)控制量的設(shè)定值。在調(diào)用該子程序時(shí)，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)限制在一個(gè)范圍內(nèi)，就能方便的使用了，這樣使用開關(guān)量就能完成模擬量的設(shè)定。
4.2 數(shù)據(jù)采集標(biāo)定公共子程序
在此程序中，只需要輸入測(cè)量值、該信號(hào)的工程量最大值和最小值，即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程量值。編程的公式為:
Y_Real=(Y2-Y1)/(X2-X1)×(X_Real-X1)+Y1 (1)
其中，Y1、Y2分別為工程量的最小值和最大值。
數(shù)據(jù)采集標(biāo)定子程序如下:
L #X_Real
L #X1
<=R
JC Min
L #X_Real
L #X2
>=R
JC Max
L #X2
L #X1
-R
T #T_Real01
L #Y2
L #Y1
-R
L #T_Real01
/R
T #T_Real02 //計(jì)算的斜率值
L #X_Real
L #X1
-R
L #T_Real02
*R
L #Y1
+R
T #Y_Real
SET
SAVE
BEU
Min: L #Y1
T #Y_Real
SAVE
BEU
Max: L #Y2
T #Y_Real
SET
SAVE
BE
4.3 軟件的調(diào)試
在軟件的調(diào)試過程中，要對(duì)有關(guān)組織塊的功能進(jìn)行詳細(xì)的閱讀，以便合理地運(yùn)用到自己的程序中，增強(qiáng)程序的容錯(cuò)能力。如當(dāng)系統(tǒng)中模塊或 I/O出現(xiàn)故障，CPU將會(huì)調(diào)用 OB85，并不會(huì)使整個(gè)程序停止。當(dāng)出現(xiàn)DP網(wǎng)錯(cuò)誤時(shí)，CPU將調(diào)用OB82。在這些組織塊中并不需要編程序，只要將其放在程序中。
另外SIEMENS公司提供的Step7模擬器對(duì)于離線調(diào)試程序具有很大的幫助。
5 結(jié)束語
該實(shí)驗(yàn)車采用了穩(wěn)定可靠、抗干擾性強(qiáng)的PLC系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的軟件LabVIEW，充分利用了二者的優(yōu)點(diǎn)。該測(cè)量車的移動(dòng)靈活，測(cè)控精確，人機(jī)界面友好直觀，數(shù)據(jù)處理方便迅速，可以應(yīng)用到各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域，具有良好的推廣價(jià)值。