西门子模块6ES7517-3FP00-0AB0安装调试

磨头压下控制系统中，采用可编程控制器(PLC)为核心，组成一个闭环控制系统，主要通过控制电磁换向阀的通断和三通比例减压阀的开度，来控制液压压下系统的**和压力，完成磨头的动作和控制修磨压力。磨头压下控制系统作为一个独立的控制单元通过现场总线与上层计算机进行通信，和钢坯修磨机其他系统协调工作。
1 控制系统硬件配置
钢坯修磨机控制系统PLC 硬件结构如图1所示。为便于控制控制工程网版权所有，整个系统采用基于PROFIBUS 总线的网络结构。S7-400 作为1 类DP 主站是整个系统的中央控制器，在预定的周期内与分布式的站循环地交换信息，并对总线通信进行控制和管理。PC 机为2 类DP 主站，和STEP7 编程软件做编程设备，和WinCC 组态软件做监控操作站。2 类DP 主站OP用于操作人员对系统参数的设置与修改、设备的启动和停止，以及在线监视设备的运行状态。用于直接控制磨头压下系统的S7-300 作为DP从站通过通信模块CP342-5 连接到PROFIBUS网络上。其他设备用于控制钢坯修磨机的其他系统。这种分散性的网络结构可以灵活组态，易于系统的扩建和维护，各个控制单元安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以**该设备的控制速度，还可以实现闭环控制。

图 1 系统硬件配置框图

    磨头压下系统从站 S7-300 由电源模块PS307、CPU314、通信处理器CP342-5、数字量输入/输出模块SM323、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332 组成，这些模块都安装在导轨上。电源模块安装在机架的左边，CPU 模块紧靠电源模块，向右依次是CP342-5、SM323、SM331、SM332。除电源模块之外各个模块通过背板总线连接起来。
    2 控制系统软件设计
    本系统使用 STEP7 编程软件，采用模块化编程与结构化编程相结合，使各部分互不干扰，便于调试，也**了CPU 的利用率。其控制流程图如图2 所示。
    系统通电后，PLC 采用循环扫描方式，首先是模块初始化，主要包括模拟量输入模块和模拟量输出模块的初始化。接着启动液压泵，然后是故障报警判断，包括油箱油温过高，油箱液位过低，主油路压力过低。系统按照程序进行逻辑检查和时序控制后，通过实时调节三通比例减压阀和电磁换向阀来控制液压缸的位置和输出力，达到调整磨头姿态的目的。根据实际工况，磨头压下系统有2 种控制方式：位置控制和位置压力复合控制。磨头下压时，为**工作效率，保证磨头先以快的速度平稳运行到指定位置，再平稳地转换为压力控制，采用位置压力复合控制。磨头抬起和微抬时，只需采用位置控制，保证磨头快速抬起。

图 2 控制系统流程图

3 控制算法的实现
压力控制为前馈加闭环控制，前馈控制可以使压力快速到达设定值，**了系统的响应速度。而闭环控制可以调节由位置干扰引起的压力波动，压力闭环控制采用了带积分分离的增量式PID 控制器，实现压力**控制，保证修磨压力恒定。增量式PID 算法，在计算时仅需近几次误差的采样值，节省了内存和运算时间。但是，积分作用易导致系统超调量过大，特别是在系统启停或大幅改变给定值时，积分作用会引起系统振荡，响应延迟。在这种情况下，采用积分分离的PID 算法，即当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用；只有当误差小于规定门限值时才引入积分作用，**稳态精度，减少静态误差。

PLC是近四十年发展起来的现代工业控制技术，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点和继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，并且其本身具有体积小、功耗低、性能稳定等特点，因而在工业生产过程控制中的得到了广泛应用，被称为现代工业自动化的三大支柱(plc、数控技术、工业机器人)之一。
对于输入输出点数比较少的系统可以不需要接口扩展；当点数较多时，需要进行输入输出扩展。不同公司的plc产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，就不得不使用网络结构，这既增加了系统的复杂度，也**了系统成本。
针对大量开关量信号输入的问题，以日本三菱公司的fx系列plc为例，本文设计了一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，借助于输入接口板，可以实现多个开关输入信号接入plc单个输入点，使用这种方法，对输入点数较多的控制系统，可以节省plc的输入点数，**plc的信息采集效率效率，对降低控制系统成本具有重要意义。

硬件设计
对于工业现场中经常会用到的开关、按钮等开关量信号，通常按照图1的配线方法接入plc的输入点，该方法以com端作为所有开关量输入信号的公共端，每一个开关或按钮接入一个plc的输入点。

图1 常用开关量信号接入方法

    为解决大量开关量信号输入问题，利用信号扫描原理控制工程网版权所有，设计了一种基于组扫描输入的plc开关量输入采集方法，硬件结构如图2所示。图中以16个开关量输入信号为例，这16个开关量输入信号被分为4组，分别接入四块接口板(每块接口板可接入4路信号，通过二极管输出)。通过接口板后，k1、k5、k9、k13均接入plc的x1输入端，依此类推，k2、k6、k10、k14均接入plc的x2输入端，k3、k7、k11、k15均接入plc的x3输入端，k4、k8、k12、k16均接入plc的x4输入端，16个开关量输入信号只占用了plc的4个输入端。
    4块接口板分别由plc的4个输出y1～y4选通(用虚线画出)，如当y1有效而y2～y4均无效时，接口板i被选通，此时k1～k4的信号被送入x1～x4，当y2有效而y1、y3、y4无效时，k5～k8的信号被送入x1～x4，另外两组信号的送入方法相同。在这种结构中，输出端y代替com作为公共端。
    这样每个周期扫描4次，可分4次将16个信号送到plc的输入端，每次扫描过后在程序中将x1～x4的状态转移到其他位置。16个输入信号仅占用了4个输入端和4个输出端，节省了一半的plc输入输出点数，在实际使用中还可以根据需要进行灵活扩展，获得更高的使用效率。如若每块接口板上接8个开关量输入信号，4块板共接入32个输入信号www.cechina.cn，共占用plc的8个输入端，输出端仍然是4个。
    设计时要注意接口板中二极管的选择，一定要选择质量高、稳定性好的二极管，如果出现二极管损坏或击穿的情况，将会出现输入信号不能被正确送入plc输入端或出现输入紊乱。另外输入信号的组数不宜过多，图2中是4组，若每次扫描时间间隔为100ms，则4次扫描的扫描周期是400ms，输入信号的延迟大可能达到400ms，若组数过多(如超过10组)，会出现信号延迟导致系统的灵敏度下降。

图2 基于组扫描的plc开关量输入采集硬件结构

图3 软件流程图

软件设计
在软件设计中要考虑两个主要的问题。一是要定时输出单个扫描选通信号，用来选通相应的接口板控制工程网版权所有，二是要及时将扫描进来的数据转移到其他位置。在这种PLC输入设计方法中，在每个扫描周期，每组开关量信号中的一个依次送入一个plc输入端，这样就必须在下次扫描数据来临前将上一次扫描进来的开关量信号状态转移到其他位置保存。
图3为软件流程图，基于上述考虑设计的软件程序(梯形图)如图4所示。每次扫描时间间隔100ms，16个开关量信息采集到plc后分别送入m100～m115保存，指令ol和ref的含义分别是循环左移和输出刷新。

图4 支持多点扫描输入的plc输入软件实现

本文设计的一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，利用信号扫描原理，能有效解决工业现场中存在的大量开关量信号输入问题，该方法可以大大减少plc的输入点数，降低控制系统设计成本，系统结构稳定，扩展性、灵活性好，具有一定的使用价值和推广意义。

PLC的数据显示功能一直是困扰PLC使用的难题。在PLC的应用中，经常要监测一些重要数据，但PLC的数据显示通常是使用外部显示设备，如显示屏或触摸屏，而这些显示设备的价格一般比较昂贵，对一些小型系统来说更浪费。因此，如何显示PLC的数据，并尽可能做到高效率、高稳定性、抗干扰能力强、硬件投资少，是许多设计中需要考虑的问题。笔者使用的西门子S7-200 PLC中有专门的指令控制LED数码管显示，SEG IN，OUT指令就是将IN端输入字节的低4位确定的16进制数自动转换为相对应的7段LED数码管各段的代码，并送到输出字节OUT端显示。若采用静态LED数码显示，PLC显示一位十进制数据需要7个输出点予以控制，如果要显示n位数据，则需要7n个输出点。所以，使用这种方式对于显示数据的位数较多时，需要大量的输出点，而PLC的价格是以输入输出点数来计算的，这直接导致硬件成本的上升，鉴于此种原因，寻找一种廉价的显示技术就显得尤为必要。提出借鉴单片机的LED数码管动态扫捕显示原理，结合PLC周期性扫捕的特点，采用PLC直接输出数字量驱动数码管，将PLC开关量输出分为两部分，一部分用作数据输出，另一部分用作控制数码管公共端信号的输出。利用人眼的余辉效应，循环点亮每个数码管，本方法操作简单、成本低廉。

1 设计实现

所谓动态扫描就是利用PLC周期性扫描的特点，在编程时要做到每个周期只有一个数码管能够形成通电回路，从而得电点亮，因为一个扫描周期的时间过短，只有几十ms，所以人眼感觉每个数码管都是均匀通电亮着的，同时没有拖尾现象。

1．1 硬件设计

设计方法的硬件电路实现是一个起动按钮SB1和一个停止按钮SB2，两个数码管的a、b、c、d、e、f、g段分别连在一起，再与PLC的输出端Q0.0～Q0.7通过限流电阻连接，两个数码管的公共端com1和com2分别通过三极管由PLC的输出端Q1.0和Q1.1控制，其接线原理如图1所示。

由PLC输出端Q1.0和Q1.1的高低电平控制处于开关工作状态的三极管，使数码管com1和com2端循环与PLC公共端M导通输出，分时选中不同的数码管，由PLC输出端Q0.0～Q0.7输出相应的数据再根据公共端信号使相应的数码管a、b、c、d、e、f、g段显示。通过软件编程可实现用一组起停按钮控制两组数码管显示相应的数据。

1．2 软件设计

通过两个软件设计实现同一硬件电路不同功能的实例来阐述设汁的软件实现。

1．2．1 软件设计实例1

此程序实现0～99 s反复计数功能，按动SB1起动计数，按动SB2使计数停在计数所停位置，再按动启动按钮重新从0开始计数，计数到99后重新从0开始计数。该程序梯形图如图2所示。

以上软件对特殊存储器位SM0．5产生的1 s的时钟脉冲计数，使用PLC数据运算、传送、转换的功能指令传送、处理变化的计数数据，然后用段译码SEG指令驱动7段数码管，由两个定时器分别产生周期为200 ms、相互反相的时钟脉冲控制显示变化的计数数据。

1．2．2 软件设计实例2

此程序实现50 s功能，按动SB1起动计时，按动SB2停止计时，同时数码管熄灭，再按动启动按钮重新50 s，计时到0s时，数码管自动熄灭。

设计主要是将一个两位数分成两组数据分别在十位和个位数码管上显示，程序采用循环控制方式，则一个扫描周期显示一组数据，即两组数据循环显示。假设程序扫描周期为100 ms，定时器定时100 ms，那么每组数据的更新周期为100×2=200 ms，这样的显示频率足可以达到一般的工业控制要求，完全可以用作实时显示。同样，若显示多组数据，其数据线接法是一样的，只需增加控制数码管公共端信号的PLC输出点，PLC输出点数为7+n，n为数码管个数；软件稍加改动即可。笔者介绍的方法软、硬件设计均在实验室调试成功，完全满足设计要求，并且降低了硬件成本，取得了较好的效果