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PLC软件功能

冷带连续加工机组的PLC软件主要是焊缝跟踪任务，包括自动刹车、慢速定位和紧急刹车;焊缝跟踪任务是靠现场远程I/O站信号通过ProfiBUS-DP与S7-400主CPU通讯，依据编制好的过程控制软件完成，它的任务主要包括:

(1)根据带钢焊缝在机组的位置实现机组的自动刹车

a)开卷机的自动甩尾刹车。

b)入口活套/出口活套的自动刹车。

c)卷取机的自动刹车。

d)拉矫机的辊道自动开/闭。

(2)根据焊缝位置实现机组的慢速定位

a)入口上/下通道带头在焊机处的慢速定位。

b)入口上/下通道在助卷器和夹送辊两种方式下的穿带。

c)入口/出口侧剪刀处的带钢定位。

d)焊缝的自动打孔。

e)根据焊缝位置计算带长。

(3)机组的紧急刹车

a)传动设备故障的机组紧急刹车。

b)断带故障的紧急刹车。

(4)4个程序模块

上述所有工艺要求的控制功能其软件核心为4个程序模块，根据需要分别在自动刹车、慢速定位和紧急刹车过程中调用，它们是:

a)状态控制模块MDCT01。

b)张力调节模块TEAD01。

c)定位模块POSI01。

d)自动刹车模块AUBK01。

定位模块POSI01、自动刹车模块AUBK01的功能主要是接受来自现场状态控制点的状态，并且根据状态控制点状态去触发或者调用状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01的不同设定值程序,它们附属于张力调节模块和状态控制模块，主要是开关顺序连锁和通／断关系;状态控制模块MDCT01和张力调节模TEAD01的主要功能是速度-张力的设定，其具体内容见表4。

状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01按照机组工作状态的不同可以分为目标速度非“0”状态的生产请求和目标速度为“0”生产请求两种基本情况;

(5)目标速度非“0”状态的生产请求，可以分为两种情况:

a)初始速度为“0”，既生产线为停止状态，这种情况下，首先要进入张力准备阶段，根据工艺要求进行张力预选，接通张力，建立静态张力，其次是张力调节阶段，建立该运行区所有设备的工作张力，并且对张力的建立和调节进行确认和检查，在确认和检查无误的情况下，进入速度调节阶段，经过一定时间Δt(如出口段为4秒、工艺段为3秒、出口段为6秒)检查速度不为“0”，说明请求实现，具体张力-速度请求-确认曲线模型如图3所示。

b)初始速度不为“0”，既生产线为正常生产状态，这种情况下，所有张力均已存在，各段张力均为正常生产值，此时，可以直接进行速度调节，具体张力-速度曲线模型如图4所示。

目标速度为“0”，这种请求是实现目标速度为“0”的状态，具体张力-速度曲线模型如图5所示。

由图4可以知道，当速度为“0”后大约0.7秒，取消工作张力，建立静态张力，若没有外部中断请求，那么在大约900s之后，系统自动取消静态张力，张力值“0”。

图6表示镀锌机组入口段软件功能框图，整个框图基本包括状态控制模块MDCT01、张力调节模块TEAD01、定位模块POSI01和自动刹车模块AUBK01。

冷带连续加工机组的PLC控制程序编制，应该注意以下情况:

a)现场执行元件的可靠性直接关系到自动化系统的稳定运行，传动电机、抱闸和限位开关、光电检测在自动化系统中具有同样的重要性，机组的连续性生产和限位开关这样小的元件密切相关。

b)冷带连续加工线自动化系统控制的主要设备是辊系设备，主要参数是张力-加速度-速度-位置这样四个力学参数，其控制过程属于刚性物料输送过程，其前后联系非常紧密，单体设备之间相关性极大，在控制精度上有一定要求，否则会出现断带、拉带、堆带或者机组振荡故障现象。

c)冷带连续加工线自动化系统的硬件结构应合理采用远程I/O和总线通讯方式，软件结构上应该按照程序模块把所有开关量信号与张力-加速度-速度-位置参数有机地整合在一起，否则，机组静态张力、穿带张力、工作张力、入口/出口活套充/放套等工作状态很可能会出现意想不到的故障。

5、结束语

目前，由我院承担的我国国内所有冷带连续加工机组的自动化系统运行均非常稳定、可靠，这和我们多年吸收、借鉴我国花巨资从国外引进的同类机组自动化技术、不断跟踪自动化技术发展趋势是分不开的，我们的工作为我院和广大用户创造了良好的经济效益和社会效益。

步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移的数字电磁执行装置。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。由于步进电机的转角、转速和转向均可采用数字量（脉冲）控制，故步进电机广泛应用于数字伺服领域。图1表示了步进电机的典型应用。

图1　步进电机的典型应用
图中，输入信号是由伺服系统中的传感器产生的。指令脉冲控制器决定于具体的伺服控制过程。可采用专用逻辑电路，目前多用单片微型计算机及接口电路组成。环形分配器是将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。环形脉冲分配器多采用专用集成电路如CH250等构成。由此形成的各相的微弱信号经各相的功率放大器放大，产生足够的电磁转矩使电动机旋转。图中各部分的设计、选型、连接往往要求控制系统的设计者花费大量的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。

一种用PLC直接控制步进电机的方法
本文提出一种用可编程序控制器（PLC）直接控制步进电机的方法，如图2所示。这条技术路线的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。作为一种工业控制计算机PLC的功能越来越强。不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环过程控制，并可与其它计算机组成多级控制系统。有了PLC的强大功能的支持，各种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均可用PLC的不同控制程序来完成。对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC**是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，即使软件环形脉冲分配能达到高速要求，但由于输出端口器件难以高速导通和关断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。对于满足一、二两个要求的PLC，如美国IPM公司的IP1612DC-220可编程序控制器，可以对步进电机进行直接控制。

图2　步进电机的PLC直接控制
笔者已成功地将这种方法用于ZXJ1000-C型预应力复合制袋自动生产线的切袋误差自动补偿系统中。系统将传感器测得的袋长误差信号由PLC的输入端口送入，如图3所示。根据误差与补偿的算法，由PLC的程序自动算出步进电机应补偿的转向与转角步数，并由环形分配程序通过输出端口Y9、Y10、Y11进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动再经机械差速器叠加到主传动链中，使袋长误差得以补偿。由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏PLC端口，即Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管。当Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机正转。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机反转。即步进电机按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次测量误差的输入。

图3　具体应用图
采用PLC直接控制步进电机的误差补偿系统功能完善、灵活性大、可靠性高。该生产线已获得国家科技进步奖。特别强调的是采用PLC直接控制步进电机的方法，减少了系统设计的工作量、能大大缩短开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值

本文首先基于CANopen高层协议，分析CANopen设备模型和CANopen应用系统，并描述基于HMI的CANopen系统，*后，通过组态软件CAN驱动，实现CANopen设备的人机界面接入。文章以人机界面为核心，描述HMI系统现场总线设备数据采集模型，分析HMI系统关注的CANopen协议的内容，阐述了符合CANopen通信协议的设备在现场总线上的应用，并给出了具体的应用模型。

关键词：

HMI（人机界面）；HMIBuilder；组态软件；CANopen。

1. 系统概述

组态软件建立工业自动化领域的各种标准之上的，详细架构请见图1.1。

HMI（Human Machine Interface）系统已经成为工业现场的一类应用核心。软硬一体，符合工业标准。

通过组态软件驱动接口，组态软件采集现场总线设备的数据，将现场数据转给组态软件实时数据库，并通过标准控件显示数据信息，通过标准存盘接口完成历史存储，以及其他功能，比如报警、逻辑、用户管理等，*后，通过实时数据库和组态驱动接口，还可以实现总线系统中PLC、智能仪表和其他总线设备的控制。

在系统中，现场总线设备是信息的源头，连接采集传感器信号，并参与控制执行单元，比如通过输入部分，采集温湿度、高度信号等模拟量采集（AI）和开关量输入（DI）信号；通过计算和控制部分，实现数据转换、报警判断等计算和逻辑控制；*后，经由输出部分，通过电压和电流的模拟量输出（AO）和开关量输出（DO）执行控制结果。

图1.2形象的描述了现场总线设备内部构造。工业自动化领域设备内部结构有规律可循，并可以标准化，为现场总线高层协议设备模型的标准化提供了事实依据和保障。

2. CANopen设备

2.1. CANopen协议

图2.1^[1] CAN、CANopen标准在OSI网络模型中的关系框图

CANopen协议是CiA(CAN-in-Automation)组织定义的标准之一。CANopen协议已得到广泛的认可，并成为CAN总线在工业自动化领域的主导标准。

基于OSI通讯模型，CAN总线协议仅仅定义了物理层和数据链路层标准，而CANopen协议是在CAN2.0A协议基础上的应用层协议。

通过图2.1，我们可以清楚地看到CANopen协议和CAN协议的关系。也可以说，CAN协议是固化在CAN控制器芯片中的，比如我们选用飞利浦SJA1000CAN控制器，则CAN标准协议已经在控制器中实例化或固化；CANopen协议是应用层协议，也就是需要我们在软件编程实现。

所以，CANopen协议也体现了总线设备在应用软件中的映射关系或设备轮廓描述（Device Profile）。

2.2. CANopen设备模型

现场总线的作用就是将接近执行层面总线设备的信息发送给总线系统的管理层面主站系统。CAN协议决定了CAN总线支持多主的通讯方式，使上层系统可以更多种的方式获取总线设备的信息。基于CAN2.0A协议，CANopen协议定义了工业自动化领域的总线设备模型，明确了总线网络的管理，定义了总线设备内的各种信息对象，而且规定了设备设置的具体方法。

根据自动化现场的要求，CANopen设备下面接入信号I/O，采集现场数据，上部连接CAN总线，向高层传送设备信息。CANopen协议为总线设备定义了应用程序软件、对象字典和CAN-bus通讯，如图2.2说明了三者间的关系。

图2.2 ^[1]CANopen设备模型中应用软件、对象字典和通讯部分的关系图

Communication Interface（通信接口）：
提供CAN总线上收发数据报文的服务。规定了四类CANopen数据报文：管理报文（Administrative message：包括LMT、NMT和DBT服务报文）、SDO（Service Data bbbbbb：设备配置相关，优先级较低的报文）、PDO（Process Data bbbbbb：8字节数据快速传送报文）和特殊报文（Predefined messages or Special Function bbbbbbs：包括SYNC、Time Stamp等报文）。设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。

CANopen bbbbbb Directory（对象字典）：
对象字典描述设备的各项参数和其网络性能，以特定的方式描述总线设备包含的报文对象（过程数据对象PDO或配置服务数据对象SDO），从而实现了设备的功能性描述。这些对象通过一个16位的索引和一个附加的8位子索引来访问。对象字典位于CAN总线设备通信部分和应用部分之间，向应用程序提供接口，应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。

Application（应用程序）：
应用程序部分由用户编写或者配置，包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分由用户根据应用要求实现。比如CAN控制器，应用程序部分则为过程控制或数据处理逻辑，需要用户编写。

各个厂家提供的CANopen设备都必须遵循协议的标准，我们查找设备厂家提供的资料或技术手册的时候，都可以找到类似Beckhoff公司的总线设备描述（参见图2.3）。