西门子模块6ES214-1HF40-0XB0型号介绍
随着工厂智能化和网络化的不断发展，具有实现生产制造IT化的高速高精度的数控系统越来越受到行业界的重视。新一代数控系统，作为实现纳米级(10 m)的高速高精度的机械加工控制，被称为纳米级数控系统 。以通常的Ixm为单位输入数控指令，以纳米为单位进行精密的位置计算，输出控制各伺服轴运动的位置指令的“纳米级插补器” 和执行该指令的高速高响应的伺服控制器。该控制器使用了高速CPU和新的伺服电机及精密的位置测量与反馈元件，实现纳米级进给。纳米级数控系统是实现机床极为平滑和高速高精度进给及实现高性能、高品质加工所必需的关键技术。然而随着工艺水平和控制要求的不断**，这些控制系统的性能不仅取决于PLC的CPU，还取决于PLC所处的扩展环境，即网络环境的影响。
采用现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降低成本。西门子SIMATIC s7—300集成了PROFIBUS分布式系统的组态功能。这就为智能化纳米级数控系统在网络化方面提供了技术上的保证。
基于PROFIBUS的分布式I／O是实现全集成自动化(TIA)的技术关键。通过组态可以方便地由主站PLC中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。 PLC
1 PROFIBUS—DP简介
PROFIBUS是一种具有国际化、开放化以及不依赖生产商的现场总线标准，它广泛应用于全集成自动化的工业，是目前世界上成功的现场总线之一。
按照RS485／光纤和IEC61 158-2的定义，PROFIBUS协议分为三类，分别是PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA。其中PROFIBUS-DP主要用于生产自动化，满足自动化工厂中分布式I／O与现场设备之间所需要的高速数据通讯，可满足系统快速响应的要求:PROFIBUS—FMS是用于一般自动化，主要解决车间级通讯问题，完成中等速度传输的循环或非循环的数据交换任务；PROFIBUS—PA主要用于过程自动化，提供本质安全特性，适用于安全性要求比较高及总线供电的场合。
基于PROFIBUS—DP的分布式I／O系统包括3种不同类型的设备:
(1)DP-1类主设备
它是PROFIBUS—DP应用的核心部件，在一个信息周期内，PC机与分布式从站(DP从站)交换信息。主站中的中断确认保证由DP从站来的中断传输
的可靠性。
(2)DP-2类主设备
这种类型的设备，如PLC可编程序控制器、组态设备或操作设备，主要用于DP系统的启动、组态或正常运行过程(如诊断)中的系统操作。这种主
站可以读取由设备来的输入、输出、诊断和组态数据。
(3)DP-从设备
一个DP从站是一个I／O设备，它读取输入信息并向I／O提供输出信息，输入和输出信息取决于设备类型。
SIMATIC S7-300系列PLC可通过PROFIBUS—DP通讯接口接入PROFIBUS现场总线网络。通过总线的通讯能力，大大扩展了PLC的控制能力和范围，网络结构如图1所示。
2 拓扑结构
PROFIBUS网络上的站点，按照地址顺序组成一个逻辑拓扑环。令牌只在主站(Masters)之间顺序传递。获得令牌的主站可以在拥有令牌期间对属于它的从站(Slavers)进行发送或读取数据的操作。PROFIBUS．DP网络就是基于这种存取机制。在一个PROFIBUS网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站，则构成了单主站的主、从系统。其拓扑结构 如图2所示。
3 网络连接
可利用PLC站的集成DP口或通讯处理CP的DP口，上位机插卡CP5411／CP5511／CP5611／CP5613进行数据交换。PROFIBUS接口为RS485接口。连接电缆为PROFIBUS电缆(屏蔽双绞线)，接头为PROFIBUS接头并带有终端电阻，其网络扩展有PROFIBUS电气网络、光电混合网络、无线网络等。
4 通讯方式
PROFIBUS的通讯有多种方式，如现场总线报文规范FMS、数据链路层FDL、分布式主从系统DP等。PROFIBUS—DP是为满足自动化工厂中分布式I／O与现场设备之间所需要的高速数据通讯的需求而设计。DP通讯可以通过连接集成在CPU上的DP口、CP342-5或CP443-5 Extend模块来完成。其通讯分为集成DP口之间的主从通讯、集成DP口与CP分别做主站／从站的通讯、CP之间的主从通讯。
5 案例
在SIMATIC STEP 7中组态2个$7-300站，其中以集成DP口作为主站、CP342-5作为从站。如图3所示，进行硬件组态。硬件组态完成后，主站调用SIMATIC STEP 7-300系统功能SFC14 “DPRD—DAT”来读取数据，调用SFC15 “DPW R— DAT”发送数据。从站调用系统功能FC1 “DP_ SEND”来发送数据，FC2“DP—RECV” 接受数据。
后将整个项目分别下载到主站和从站的CPU中，系统正常启动后，可以进行DP主／从站的通讯。
一、引言
随着城市发展以及人民生活水平的不断**，城市污水排放量也在逐年增加，这给城市环境造成了严重污染，基于此需求，各地都在积极建设污水处理厂，以实现城市可支持性发展、美化和治理城市环境。本文以一个污水处理厂为例，结合工艺流程，介绍污水处理厂实施自动化控制的解决方案。该污水处理厂采用水解－SBR（UNITANK）好氧处理工艺，一期工程进口预处理段**泵站配水井、变配电系统、集泥池浓缩池按二期12万立方米／日的处理能力装备。水解池、SBR池按6万立方米／日的处理能力先上一组。鼓风机、脱水机各先上两台。二期工程再上6万立方米／日处理能力的一组水解池、SBR池及各两台鼓风机、脱水机。
二、工艺及系统要求
整个系统分进口预处理段**泵站配水井、水解池和污泥处理、SBR反应池和鼓风机房、变配电系统及脱水机房、井房等四大部分组成。
需要自动化控制的共有5个站，包括泵房、水解池、变电所、SBR池、鼓风机房。泵房负责控制进泥阀、出泥阀、潜污泵进水闸、除砂机、格栅井和行走式吸砂、砂水分离装置。北水解池负责控制14个排泥阀。变电所负责监测高、低压系统的相关电压、电流、有功和无功等模拟量信号，进行效益核算。SBR池负责控制整个好氧工艺的流程。鼓风机房负责控制鼓风机导叶开度并监测鼓风机的各个重要参数。同时在中控室，上位机软件要实时反映各个工段的具体情况，包括设备的各种状态、各种仪表的数据和工艺的设定参数等等，计算和查询各种参量，例如温度，液位，PH值，泥位值，多普勒**计等，可以让操作员进行分析并能在上位控制现场的各个设备。
拓扑图如下：
介绍一种简便实用的PIC编程器实现方案。设计思想是：以单片机作为主控机，欲写入的PIC程序代码存放在主控机中，由主控机提供PIC芯片编程所需信号，并监测整个编程流程。在时钟脉冲信号作用下，把代码写入PIC的Flash中以达到对芯片编程的目的。该方案可以在脱离PC的环境下运行，适用于对批量的PIC芯片进行编程。
关键词 PIClOF202 串行编程 89C51
随着工业生产的扩大，存在着对同一型号芯片进行相同代码编程的需要。目前采用的编程方式是通过专用的编程器来执行，其编程过程离不开PC机。在对一定批量的芯片编程时，操作比较烦琐，保密性能差，且难以在工业现场进行。
本编程器设计简单，操作方便，保密性好，易携带，需要的外部设备少。编程器以PIClOF202为例进行设计。PIClOF2xx系列是Microchip公司生产的低功耗，高性能Flash单片机。其封装小，易于使用，成本低。性能稳定，在通用电子设计中被广泛使用。本设计的基本思想适用于其他类型的单片机。
1 PICl0F2xx的存储结构及编程方法
1．1 存储空间映射
以PICl0F202为例，其内部程序存储空间映射如下：
0000H～0lFFH是用户可以使用的代码存储空间，0200H～03FFH是系统的配置空间。其中01FFH单元是复位向量，系统复位后程序指针PC将指向此地址单元。0200H～0203H是用户ID信息存储区间。0204H地址单元存放的是备份的OSCCAL值，被预留用来测试内部晶振，因此该值在任何情况下都不应该被更改。一旦被擦除，必须恢复该值，否则芯片不能正常工作。03FF地址单元存放系统的配置字，其他地址单元系统保留。
1.2 芯片编程方法
采用串行在线编程的方式，串行时钟信号由主控单元的I／O口发出，从PIC的时钟引脚ISCLK输入。在串行时钟信号作用下，串行数据从数据引脚ISDAT输入／输出，完成对芯片的Flash的代码写入。
只有在进入编程模式后，PIClOF202才能允许对其存储空间的操作，如图l所示。当保持ISDAT(串行数据输入端)和ISCLK(串行时钟输入端)为低电平时，VCC(芯片电源)上升到高电平。经tl延时，MCLR(编程模式选择端)上升到高电平，再经t2延时，开始时钟脉冲和数据的输入／输出。此时PIClOF202进入编程模式。
2 系统硬件结构
系统逻辑框图如图2所示，由主控机、控制模块、监控显示模块和目标芯片组成。主控机选用89C51单片机，用单片机的2个I／O口分别提供ISDAT和ISCLK信号；目标芯片即PIC。PIC的MCLR端为编程模式选择端。为了让PIC10F202能够进入编程状态，需要由控制模块实现对MCLR端的电平控制。监控显示模块用于指示目前系统的工作状态和监控系统运行。
2．1 控制模块的实现
为了实现控制模块对MCLR端的电平控制，使用2个晶体管T1、T2，如图3所示。当单片机I／O口为高电位时，T1导通，其发射级为低电位，T2导通，于是电源VPP与PIC的MCLR端接通；当I／O口为低电位时，T1截止，其发射级为高电位，T2截止，VPP和MCLR端之间断开。
2.2 监控显示模块
采用一组发光二极管来显示系统状态和编程结果。系统的工作状态包括：目标芯片检测、就绪等待、编程进行中、代码校验等。系统在就绪等待状态下，就绪状态灯亮，主控机监控按键指令；接到指令后即进入编程状态，同时编程灯亮，编程后执行校验，校验完成后结束灯亮，说明完成整个缩程工作。整个编程过程中，若遇到故障，相应故障灯显示。
3 系统软件设计
3．1 数据(命令)输入方法
无论是指令还是需要写入的代码数据，都在相应的时钟节拍下由串行数据端输入。串行时钟始终与串行数据的要求一致。对于不同的命令，时钟脉冲间的时间参数t1~t6的要求是不同的。在相应时钟脉冲下降沿，PIC对数据端采样，命令代码在前，一段时间延时后，输入代码数据。数据低位在前，高位在后，如图4所示。时间参数的具体要求见参考文献。
下面以数据导入为例简要说明。
代码举例如下：
由命令字表中可知，若导人数据的命令字是xx0010B，低位在前由ISDAT输入，每次ISCLK的下降沿对ISDAT采样。以上代码实现了“0”、“1”的输入，其他命令的输入类似。数据输入和命令输入都是下降沿有效。每次导入1字节的数据为12位，但是必须在16个时钟脉冲中完成。前6个时钟脉冲的下降沿输入命令字，且前4位有效。一段时间参数的延迟后，数据开始输入，第1个时钟下降沿输入起始位，后第2～13个时钟的下降沿输入1字节的数据，共12位。第14、15个时钟下降沿输入数据无效，后一个下降沿输入停止位(起始位和停止位固定为O)。
3．2 PC指针的处理及寻址方法
在对其编程的过程中，需要知道当前PIC的PC指针指向的Flash存储区单元地址，也就是当前的操作单元。由于无法直接读取其PC指针的值，故采用在89C5l的RAM区定义一个变量用来记录PIC的PC指针(12位，占用2字节)。该变量的值始终和PIC的PC指针一致，读取该值便可取得当前所操作的PIC的Flash存储单元地址。
变量的操作应该遵循如下运算规则：
①只有“加1”这一种运算；
②03FF+1=0000(03FF为PIC10F202的存储器末地址)}
③当变量的值不等于03FF时，其“加l”运算与指针值“加1”同步；
④初始情况下，指针的值指向03FF。
PICl0F202的Flash单元地址为0000H～03FFH。在以上运算规则下，记录PC指针的变量值也只能是0000H～03FFH，通过“加1”运算即可寻址到每一个Flash存储单元。
3．3 数据的读取
从Flash存储单元中读取数据位的方法：先是6个时钟下降沿输入6位命令字，在接收到这个命令字后，PIC将当前PC指针所对应ROM存储单元的值按位由ISDAT输出。在第6个下降沿结束后，经延时，在时钟脉冲每个上升沿对ISDAT采样，一共16个上升沿，输出16位的数据。第2～13位是12位的数据；14、15位无效；首位和末位分别是起始位和结束位，如图5所示。
读取数据时有两点值得注意：
①命令字的输入和其他操作相同，但数据输出时是上升沿有效；
②由于01FFH和0204H是系统预定值单元，当寻址到这两个单元时，执行读取指令后必须保留其内容，以便编程时恢复。
3．4 写入Flash方法
数据写入Flash的过程如下：
每次导入一个字节的数据(12位)，输入开始写入的指令码，经过一段时间参数的延时，再输人结束写入指令码，就完成一个字节的写入过程。但需要注意的是，无论是数据读取还是写入，都是对当前PC指针所指向的F1ash单元进行的；而且数据写入只有在当前存储单元已经被擦除的情况下才可以正确地实现。
指令输入形式(如芯片擦除、开始写入、结束写入和地址加1等)可以查得其命令宇，其输入方法与图4和图5类似，每个指令都需要时钟脉冲的6个下降沿输入。仅有“导入数据”和“读取数据”2条命令需要后跟数据字节，其他的指令在输入完成后，经延时，便可以进行下一条指令的输入。字节写入流程如图6所示。
3．5 配置字编程及代码保护的处理
配置字是关于PIC的设置，包括是否使能看门狗，是否采用I／O弱上拉，以及MCLR引脚的配置等。配置字在03FFH单元，PIC进入编程模式时，配置字单元就是Pc指针所指向的单元。配置字的写入方法与一般的代码写入方法一致。一旦设置了代码保护，用户代码空间的0040H以上的字节读出为“0”，其他的配置空间依旧可以正确读出，包括配置字单元和用户ID区。配置字可以被多次写入，但是在任何情况下擦除配置字单元，用户储存区的代码也同时被擦除。可以通过图7的方法解除代码保护，但是这样的处理会将整个Flastl存储空间全部清除，所以在代码保护使能的情况下，是不可能正确读取代码值的。即使可以重写配置字，但是重写过程中代码已经被清除。
3．6 预定值的处理
每个PIC芯片都没有厂家设定的预定值。这些值是不应该被更改的，否则PIC芯片就无法正常工作。ROM区的01FFH单元保存复位向量，系统复位后，PC指针将指向该单元。0204H单元保存着OSSCAL的值。这两个单元的值应该先读出并且保存在一个临时单元(因为在芯片擦除的过程中会丢失)，待到需要编程的代码执行完毕，再从临时单元读出并写入相应的位置。其实际过程就是一个“读取保存恢复”的过程。
要读取预定值，首先必须寻址到预定值所在的单元。其寻址的过程如图8所示：进入编程模式后，此时指向的存储单元是03FFH，89C51中记录PC指针的变量的值也应该设置成03FF。按照该变量的运算规则，执行地址加1指令，变量值也加1，并查询当前变量的值，直到所需的存储单元为止。恢复的过程是先寻址到01FF和0204单元，然后把保留的值写入，具体流程与图8类似。
3．7 软件流程
系统在初始化中，如果检测到目标芯片已经安装就绪，监控显示模块便会显示系统处于就绪状态，然后监控按键。一旦按键按下。编程开始，如图9所示。先读取系统预定值并保存在主控机的RAM中，然后PIC芯片擦除，包括用户使用的代码区和PIC系统配置区。擦除完成后，将PC指向首地址0000H，开始代码写入，每次写入l个字节的代码，写完后校验。所有代码写完后，恢复已保存的预定值，恢复的过程与代码写入一致。
寻址到配置字单元后进行配置字写入，在先前的擦除工作中，配置字单元已经擦除。写入的过程也与代码写入一致。
整个编程过程中，监控显示模块会显示目前的系统状态。写入过程中(包括代码、预定值和配置字等)出现的任何错误，编程会报错停止，并回到就绪等待状态，等待下次编程的开始。
若无任何错误的状况发生，系统显示编程成功，整个芯片编程过程结束。