大庆西门子PLC总代理商
随着工业自动化程度的不断提高，可编程序控制器（PLC）正在走入工矿企业的每一个角落，只要有控制要求的场合，就有PLC的应用。PLC常被称为全能“工业电脑”，用它可以方便地对工业现场进行实时控制。在工业电气控制系统中，经常遇到控制常数设定和修改的问题，例如：某加热控制系统加热时间常数的设定和改变问题。PLC改变控制常数的常用方法有两种，其一，通过上位计算机对原程序中控制数据进行修改;其二，利用外部装置输入数据，控制系统运行。即由外设将数据送入PLC，进行数据处理，然后对PLC内部参数进行修改，实现对工业设备的实时控制。第二钟数据输入方法，具有不修改原程序，数据输入方法简单、操作方便，能实现实时控制等优点，不仅适用于计算机设计人员使用，而且还适用于普通操作人员。在电气控制设备上，有着非常广泛的应用，并且许多厂家PLC产品都具有外部数据输入功能。所以，利用PLC控制技术对外部BCD码数据进行输入，充分发挥工业控制计算机—PLC数值计算和处理能力的编程、控制方法，具有实际应用的推广意义。这里，以SIEMENS公司PLC构成的某加热系统为例，详细、具体地对加热时间常数外部数据输入方法及用户处理程序作以介绍。
1BCD码数据外部输入应用设计举例
1.1 设计思路
首先介绍SIEMENS（西门子）公司PLCS7—200的物理存储区结构，一般情况下，物理存储区是以字节为单位的，所以存储单元为字节单元，操作数长度是字或双字时，标识符后给出的存储单元参数是字或双字内的低字节单元号。图1（a）给出了字节、字、双字的相互关系及表示方法。当使用数据宽度为字或双字时，应保证没有生成任何重叠的存储器字节分配，例如，字地址编码应采用MW10、MW12、MW14······等偶数字地址或MW11、MW13、MW15·······等奇数字地址，由于存储器字MW10占用MB10、MB11两个字节，而MW11则要占用MB11、MB12两字节，存在字节地址重叠单元MB11，所以字地址编码时奇偶不能兼用，以免造成数据读写错误。图1（b）给出数据存储结构，数据的高位用MSB表示，低位用LSB表示。
图1（a） 以字节单元为基准标记存储器单元 图1（b） 存储器中字节、字、双字之间的关系
其次，以德国SIEMENS（西门子）公司的S7—200PLC为例。构成加热控制系统，加热时间采用三位十进制数的BCD码拨盘从PLC外部输入。PLC输入/输出接点分配如下表所示：
附表：PLC输入/输出接点地址分配
加热系统的加热元件用PLC输出点Q0.0控制，系统起动按钮由I1.4输入，复位按钮由I1.5输入。
图2（a） 主程序流程
图2（b） 子程序流程
对于由伺服电机带动的旋转物体进行位置控制，通常采用套轴式的电磁旋转变压器加复杂的处理电路来实现角度的编码，再由角度编码进行位置的闭环控制。上述的位置控制多用于测角精度要求高的场合中，设备构成复杂、成本较高。在某些实际应用中，需要进行较为简单的位置定位。比如在一个由伺服电机带动的机械机构需要在360°的旋转范围内进行4个或多个档位的定位，实际应用中像建筑行业中控制阀门的大小来对给水量、水泥量、沙石量进行控制或jungong工程控制，这样的定位控制精度要求不高，采用上述的方法进行位置控制显然不够经济，成本过高。
PLC(Programmable LogicController)在工业控制中应用广泛。其高可靠性、高稳定性、友好的编程环境以及辅以触摸式人机界面，使得各种工业控制更方便直观、经济可靠。这里主要阐述了基于S7-200PLC实现位置控制方法。
1 系统硬件设计
该系统是以PLC控制器为核心的位置控制系统，包含伺服电机、光电编码器、操作及显示屏、上位计算机、伺服电机控制电路和状态返回电路。其硬件总体结构框图如图1所示。
图1 系统硬件总体结构框图
1．1 S7-200 PLC
该系统设计核心部件采用西门子S7-200系列的PLC，该系列PLC功能丰富，具有多种功能模块，可方便通过人机界面对设备进行操作和监视其状态，高版本的PLC主机拥有2个通讯端口，在使用人机界面对设备进行操作的同时还可通过RS-485接口和计算机实现逻辑运算及状态管理，对设备进行远程控制和监视。该系统使用S7-200PLC的一个重要的功能：高速可逆计数。光电编码器和伺服电机同轴连接，伺服电机旋转带动光电编码器产生连续的脉冲串，PLC通过输入点读取光电编码器产生的脉冲，实现高速可逆计数。例如设置高、中、低3个给水量档位并进行控制。在调试阶段应先驱动伺服电机进行3个给水量的位置标定，也就是说，高、中、低3个档位分别对应唯一的脉冲数。应该注意的是，由于采用的是增量式光电编码器，也就是说，当编码器掉电后并不能将当前的脉冲数保存。所以在旋转机构上还要设置2个限位开关，一来保护机械结构；二来把逆向的限位开关的位置定为零位，这样相对于这个零位的高、中、低3个给水档位从光电编码器读到的脉冲数即为这3个档位的位置。这3个位置可通过PLC编程对其控制。图2给出S7-200PLC高速可逆计数器的时序图。
图2 S7 -200 PLC告诉计数器时序图
1．2 光电编码器
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。图3为在实际项目中采用光电编码器的时序图，从图中可以看出此光电编码器的相位判断角度为90°±45°；另外图中标识的CW(顺时针)和CCW(逆时针)可以根据实际应用在PLC程序中自行定义。图4为在实际项目中采用光电编码器的内部电路和外部引线图。
2 系统软件设计
2．1 设计要点
该系统软件设计的重点为：1)准确配置高速计数器；2)位置控制器的允差设计，允差的选择应尽量小以提高伺服系统的控制精度，在满足系统定位精度的前提下，允差的设计上还需要考虑于机械结构定位的分辨率，以免设置值过小机械结构控制不到位而引起驱动电机反复转动调节，往往需要现场标定；3)初始位置的jingque标定，需要注意的是初次标定各档位位置时应使用手动控制方式，并且要将机械限位开关状态接入PLC。由于采用增量式光电编码器，计数器当前值要存在PLC的掉电可保存寄存器MDl4中。
2．2 程序设计
在程序中首先需要将高速计数器配置为A／B相正交输入，4倍计数速率，增计数，并使能高速计数器，然后将标定好的各档位位置填入相应的地址中，并且设置允差为两个脉冲，也就是说各档位的脉冲数加减2即为相应的到位。伺服系统传动装置的间隙是多样性的，并且对伺服控制的性能有影响，设置允差的目的是为了消除由于伺服传动间隙引起的系统不稳定，从而准确定位。位置定位程序的流程如图5所示。 在程序设计时除顺、逆限位和顺转、逆转的互锁程序外，重点在于如何用PLC实现多点重复定位。主要设计程序如下：
图3 光电编码时序图
图4 光电码盘的内部电路和外部引线
3 工程应用情况
这种设计方法被利用在某军用雷达工程的衰减器控制的4位置定位系统中，系统要求驱动机械部件在0°～360°内的4个位置往返定位，定位精度要求O．1°。在具体的设计中驱动电机选用型号为55TYD02的交流电机，编码机构选用型号为OMRONE6B2的相对式光电码盘。位置的行程范围360°对应于8 400个脉冲，则使用S7-200PLC高速计数器读入的位置分辨率为360°／8400=0．043°；根据机械结构实际标定位置允差值设置为2个脉冲，此定位系统的控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，电机正向或反向运转一次到位，快速准确。
4 结束语
PLC适用于比较恶劣的工业环境，通过其通讯口和上位计算机实现通讯，可以使操作人员在安全的环境下实现远程控制；光电编码器构造原理简单，机械寿命可达几万小时以上，抗干扰能力强。由两者为核心构成的硬件电路实现位置控制方法适用于具有多个设置点重复定位的机械旋转控制设备，完全满足一般的工业控制要求。这种设计原理清晰、硬件需求明确、易于实现、调试维护方便，具有很好实用和适用性。上述的位置控制方法已经应用于某军用雷达工程的衰减器控制中，其控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，设备运行稳定可靠，效果良好。
2．2程序设计
在程序中首先需要将高速计数器配置为A／B相正交输入，4倍计数速率，增计数，并使能高速计数器，然后将标定好的各档位位置填入相应的地址中，并且设置允差为两个脉冲，也就是说各档位的脉冲数加减2即为相应的到位。伺服系统传动装置的间隙是多样性的，并且对伺服控制的性能有影响，设置允差的目的是为了消除由于伺服传动间隙引起的系统不稳定，从而准确定位。位置定位程序的流程如图5所示。
在程序设计时除顺、逆限位和顺转、逆转的互锁程序外，重点在于如何用PLC实现多点重复定位。主要设计程序如下：
图3 光电编码时序图
图4 光电码盘的内部电路和外部引线
3 工程应用情况
这种设计方法被利用在某军用雷达工程的衰减器控制的4位置定位系统中，系统要求驱动机械部件在0°～360°内的4个位置往返定位，定位精度要求O．1°。在具体的设计中驱动电机选用型号为55TYD02的交流电机，编码机构选用型号为OMRONE6B2的相对式光电码盘。位置的行程范围360°对应于8 400个脉冲，则使用S7-200PLC高速计数器读入的位置分辨率为360°／8400=0．043°；根据机械结构实际标定位置允差值设置为2个脉冲，此定位系统的控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，电机正向或反向运转一次到位，快速准确。
4 结束语
PLC适用于比较恶劣的工业环境，通过其通讯口和上位计算机实现通讯，可以使操作人员在安全的环境下实现远程控制；光电编码器构造原理简单，机械寿命可达几万小时以上，抗干扰能力强。由两者为核心构成的硬件电路实现位置控制方法适用于具有多个设置点重复定位的机械旋转控制设备，完全满足一般的工业控制要求。这种设计原理清晰、硬件需求明确、易于实现、调试维护方便，具有很好实用和适用性。上述的位置控制方法已经应用于某军用雷达工程的衰减器控制中，其控制精度可达到0．86°，满足系统定位精度0．1°的要求，设备运行稳定可靠，效果良好。
1 系统硬件设计
图1 系统硬件总体结构框图
1．1 S7-200 PLC
图2 S7 -200 PLC告诉计数器时序图
1．2 光电编码器
2 系统软件设计
2．1 设计要点
、数据同步时间分析
在PLC软冗余系统中，要使主系统发生故障时，备系统接替主系统继续工作，则系统在正常运行时，主控制器必须把需要同步的数据发送给备控制器，从而当故障发生时能够实现无扰切换。
数据同步时间是指系统正常运行时，主站将同步数据发送至备站所需时间。西门子软冗余系统的数据同步是根据数据量的大小通过定时中断方式分多次进行，单次同步的数据量相同。主CPU在同步开始时将所有需要同步的数据保存起来，然后每次发送相同长度的数据块到备CPU。备CPU每接收到一个数据块就将其分配到对应的地址空间中去。这种方式将时间平均分配到了各个执行周期，避免了单次发送所有数据消耗过多时间。但是这也导致了备站得到的数据将滞后手主站。
通过分析可知，数据同步时间为
(11)
其中，LD为同步数据量。它为PLC输出过程映像区、位地址区所有冗余数据块、定时器和计数器的背景数据块和非冗余数据块长度之和。N为1次数据传送量，与数据同步方式有关。如Profibus总线方式可在1．5Mbit／s传输速率下。每60 ms传送240个字节数据。而西门子PLC自带的MPI方式只能在187．5Kbit／s传输速率下，每152 ms传送76个字节数据。行为传送1次数据程序执行周期数，即
(12)
式中td为传送1次数据的时间，与数据同步方式有关；Tob35为定时中断间隔时间。
为减小数据同步时间，应尽量减少同步数据量LD，选择较快的数据同步方式以增加1次数据传送量N和减少传送1次数据时间td。典型的中等规模PLC控制系统，数据同步时间可能超过ls。
4、结论
，PLC软冗余系统出现特定故障时，系统通过软件冗余主备切换机制，使备站在经过主备切换时间后接替主站保持系统继续T作，避免系统停止运行。主备切换完成后，备用系统以后一次完整的同步数据作为基础执行控制任务。PLC软冗余系统主备切换的功能，达到了提高可靠性、降低成本的目的。
但是，由于主备切换时间较长，在主备切换过程中系统暂时失去了控制功能，故不适合实时性要求较高的控制场合。PLC软冗余系统比较适合应用于实时性要求较低的过程控制应用场合。
2.2 Profibus或ET200M主站故障分析
当后2种故障发生时，发生故障的ET200M从站的备IMl53将检测到主IMl53故障，自动将自己切换为主IMl53。主CPU将因为与故障IMl53失去连接而引发OB86(故障诊断)中断，并在中断中调用诊断模块FCl02完成所有从站的切换，并将自己置为备用。然后，主CPU将故障信息发送到备CPU。备CPU收到故障信息后将自己切换成主CPU。这时的切换时间为
(3)
式中tR为OB86中断响应时间，CPU315—2DP为1ms；tE为OB86执行时问；ts为故障状态发送时间；tD为数据接收完毕到备站切换成主站的时间间隔。
因为OB86中只调用FCl02诊断模块，所以tE由FCl02的执行时间决定。为分析OB86中调用FCl02时FCl02的执行顺序，对FCl02进行了适当的修改以便采集数据。这些修改主要包括：在FCl02的开始加入采集状态程序段；在跳转指令处采集跳转条件。在手动触发一些故障之后，对得到的数据进行分析便得到了FCl02的执行顺序。在各个代码段两端插入读系统时间功能块，对FCl02的程序执行时间进行分段测量。结果如表1所示(表中， 为SFC58执行时间；t(2ss)8为2次SFC58执行时间；t’为其余时间；t(PC102)为FCl02总执行时间)。
测量结果中FCl02执行时间并不等于各个时间段之和，这是因为读系统时间功能块的测量精度只能达到lms。但从表中仍不难看出FCl02执行时间主要集中在调用系统功能SFC58向ET200M写数据(控制从站切换)的操作上，SFC58的调用次数等于ET200M从站个数，因此可以近似得出tE=3ms×ET200M从站个数。
式(3)中ts与主CPU的OB86中断产生的时刻有很大关系。
如果主CPU在调用FB101执行发送功能之前产生OB86中断，则在发送数据时主CPU直接把故障状态发送给备站，在这种情况下ts短，为发送一次数据所用时间tt，即
(4)
若主CPU调用FBl01执行完发送功能时产生OB86中断，则主CPU要把先前数据发送完毕才能发送故障状态到备站。在这种情况下，由于先前数据发送完毕的时刻不同，ts也会得到不同的值。
a．若先前数据发送完毕在主CPU调州FB101执行发送功能之前，将立即发送主站的状态，则
(5)
b．若先前数据发送完毕在主CPU执行完发送功能之后，则要等到下个周期调用发送功能时才能发送主站的故障状态。此时，ts是长的。
(6)
式(3)中tD与备站接收完故障状态的时刻有密切关系。
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之前，则备CPU将马上得到主CPU状态，并在调用发送功能时备CPU切换成主CPU。此时tD小，仅为一个FBl01的执行时间，即
(7)
若数据接收完成是在备CPU调用FBl01执行接收功能之后，则备CPU要等到下个周期调用接收功能时才能获得主站的状态，并在调用发送功能时切换成主CPU。此时tD是大的。
(8)
由以上分析可知，在以下2种情况将得到这2类故障主备CPU切换时间的极限值。
a．如果故障发生后主CPU马上发送故障状态，并且备CPU接收完数据是在备CPU调用接收功能之前，主备切换时间是短的。
(9)
b．如果故障发生时主CPU已经开始发送数据。并且此数据发送完毕是在主CPU调用完发送数据功能之后，而备CPU接收完数据是在备CPU调用完接收功能时，主备切换时问是长的。
(10)
以上所涉及的时间中，tE、t．和k所占比重大，其余时问经测量均约为1ms。如果要减小主备切换时间，必须减小tE、t，和k。要减小tE就要减少ET200M从站数量，即在满足要求的情况下减少I／0数量。减少t。好的方法是选择主站与备站之间较快的数据同步通信方式。如Profibus总线方式比西门子PLC自带的MPI方式能在较短的时间内发送更多个字节数据。但前一种方式需要另外配置通信模块。k为PLC循环扫描周期，与用户程序长度有关。典型的中等规模的PLC控制系统，经计算主备切换时间的极限值范围约为150---500ms。