西門子S7-200PLC在風洞天平校準系統中應用

引言

　　天平校準的主要目的是獲得被校天平所受載荷與各分量模擬信號輸出的函數關系。所謂天平校準是指模擬天平的實際工作狀態，對在平進行標定，檢查天平的質量，鑒定天平的性能。加載系統是天平校準設備中不可缺少的重要組成部分。能否對被校準天平精確地施加校準載荷對被校天平進行精確校準的前提。

　　據了解，國內外的風洞天校準設備，施加校準載荷的方式不盡相同，其中主要包括：

　　凈重加載、液壓加載、氣動加載和機械加載等。

　　BACS-1500風洞天平校準系統的研制選取了凈重自動加載方案，該加載系統包括加載頭，砝碼串及其拖動裝置和滑輪及其傳力鋼帶等幾個部分。

　　1.工藝和實際自動化要求

　　為了獲得較高的加載精度，并通過定值遞增和遞減的階梯加載檢驗被校天平的線性和重復性等性能，選用砝碼凈重加載方案，通過砝碼串及其拖動裝置和增量式編碼器以及西門子PLC224CPU實現高精度自動加載。

　　本加載系統采用自動加砝碼的凈重加載方案，通過15個獨立的砝碼串及其拖動裝置對被校天平施加校準載荷。加載時，控制系統啟動加載電機正轉，通過蝸桿／蝸輪，螺母／絲桿傳動機構使砝碼托盤向下運動，使位于托
盤上的一串砝碼自上而下逐個懸掛在加載桿上，實現加載的目的。當控制電機反轉時，托盤將懸掛在砝碼桿上的砝碼自下而上的逐個托起，使其與加載桿脫開，實現卸載的目的。

2.加卸載控制系統

　　2.1 加卸載控制系統概述

　　自動加卸載是通過三相交流電動機（AO5624）經蝸輪/蝸桿、減速器使絲桿轉動托盤上（卸載）下（加載）移動來實現的。通過選擇合適的傳動比和電機轉速，獲得合適的加載速度。并接在加載電機軸桿上的增量式編碼器通過高速計數器以脈沖方式傳給PLC224CPU，經比較運算后提供給控制系統作為自動加載的控制信號，實現自動加載的目的。

　　2.2 系統硬件配置

　　加卸載控制電路主要包括：空氣開關、PLC及擴展模塊、繼電器，電機三相滅弧器、保險端子等……　　　本系統應用PLC高速計數器功能，選擇模式9（A/B相正交計數器）并初始定義計數器（HSC0，HSC1，HSC2，HSC4），由于一臺PLC最多只能控制4臺電機，15臺電機可由4臺PLC224控制。以一臺PLC為例，每個PLC224CPU擴展了兩個模塊EM221，具體輸入點如下：

2.3 程序編制

　　2.3.1 上位機程序編寫

　　由于開發環境為具有可視化功能的VB，上位機可以通過PLC控件PLC_COM方便的對PLC寄存器進行讀寫。很方便的做到數據的給定和反饋值的顯示。具體系統方框圖如下：

　　串行通訊口的設置

　　語法： object.Setting Port_Seting As String, Port_No As Integer, PLC0_ID As String, PLC1_ID As String, PLC2_ID As String, PLC3_ID As String, Step_Time As Integer, Wait_Time As Integer

　　Port_Seting --串行通訊口的設置。 若9600 波特，無奇偶校驗，8 位數據，一個停止位則Port_Seting="9600,n,8,1"

　　Port_No--串口號 MSComm1.PortOpen = True

　　PLC0_ID

　　PLC1_ID

　　PLC2_ID 可編程控制器編號："11" "12" "13" "14"

　　PLC3_ID

　　Step_Time --從可編程控制器讀數據時，可編程控制器間的間隔。應不小于70ms

　　Wait_Time--超時等待時間(ms)。

　　● 往可編程控制器寫數據：

　　object. .No0_Write=string 往0#可編程控制器寫數據string

　　object. .No1_Write=string 往1#可編程控制器寫數據string

　　object. .No2_Write=string 往2#可編程控制器寫數據string

　　object. .No3_Write=string 往3#可編程控制器寫數據string

　　string中必須存有偶數個字符

　　● 從可編程控制器讀數據：

　　通過object. .No0_Write="1" 往0#可編程控制器發出"1"后，能產生COMMOK事件。

　　該事件中的 a--存有來自0#可編程控制器的40個字符

　　b--存有來自1#可編程控制器的40個字符

　　c--存有來自2#可編程控制器的40個字符

　　d--存有來自3#可編程控制器的40個字符

　　2.3.2 PLC程序的編寫

　　S7-200系列PLC 具有自由通訊口，可由用戶自主編制通訊協議及相關通訊程序，由于控制程序量較大， 并且通訊程序占有PLC有限的內存，因此通訊程序必須簡潔高效。在本控制器中，PLC始終作為從機，通過編程電纜（RS232轉RS485）與上位機通訊，根據上位機發出的各種指令進行應答。通訊協議中，@表示起始字符，$表示結束字符，變量類型中W表示字型，B表示字節型，采用ASCⅡ碼。在接收后再將ASCⅡ碼轉換為實際數據。

　　高速計數器都設為A/B脈沖正交計數器工作模式，對采用增量式編碼器來進行位置控制有點難度，需要每次計數器采回碼值都要存儲到PLC內部寄存器，在下一次啟動PLC時再把寄存器內的數值儲存回計數器中。這樣增
量式編碼器可以作為絕對式編碼器使用，方便控制，而且運行可靠。

　　增量編碼器的信號與PLC高速計數器連接，檢測托盤位置。程序編制時，將高速計數器(HSC0、HSC1、HSC2和HSC4)初始化為模式9，即為A/B脈沖正交計數器。為提高分辨率，高速計數器都設為4X模式。

　　2.4系統保護

　　在系統保護方面，系統在軟硬件都加了嚴密的保護，軟件方面，不但在輸出觸點設置互鎖保護而且在輸入觸點也進行互鎖和連鎖保護；硬件方面，在托盤的運行軌跡上下兩個端面裝有行程開關，起到限位和保護作用。在控制柜控制電路中，增加了單項電流為2A的保險絲的保險端子，和總電流20A的三相空氣開關，對電機的過流提供了保護，可對電機在缺相的情況下提供保護；除此還在電機輸入端并有電機三相滅弧器防止電機打火；總而言之，該系統在保護方面的工作是非常完善的。

　　3 系統調試結果

　　本套系統在2004年2月底正式投入使用，位置控制量程為350mm,k控制精度為 △e(k)≤0.1mm 。由于砝碼串之間的距離是固定的，只要在每更換一個待校天平時，記下0串砝碼的碼值，就可以實現高精度位置控制。

　　天平校正臺砝碼串加載系統運行兩個月以來，故障率為零。加載一串砝碼的時間大約需要0.3秒，系統可以同時控制15臺電機同時加（卸）載，實現了高度的自動化操作。

　　4 結束語

　　天平校準臺的測控系統是天平校準中的重要組成部分，現在已投入使用在天平校準中，該系統軟件實現了校準的自動化，降低了工作者的勞動強度。系統中通過串口與PLC通訊，通過高精度位移計測量裝置進行信號測量及優化的復位控制算法，使整個系統穩定，精度各方面得到明顯的提高和改善，充分滿足了天平校準的要求，該系統采用了模塊化結構，更便于維護，操作界面簡單、樸素，便于操作者使用。

　　本控制系統充分發揮了S7-200PLC的優異性能（1.程序編寫方便，指令豐富；2. 性能價格比高，各項性能指標均有提高；3. 結構緊湊；4. 可靠性大大提高；），并極大的降低了系統成本，投入運行后，證明具有可靠性高、控制精確、操作簡單等特點。

　　系統證明：用多臺PLC編成分布式控制方式是一種既經濟又可靠的模式。