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西门子模块6ES223-1BL22-0XA8原装代理
1 主要技术性能及技术要求
(1)西门子S7—400控制系统要求设备工作环境温度20-25℃，防震、防尘、防电磁干扰，相对湿度20%-70%无冷凝;一个基架上模板的安排原则是：能够插入的模板数，受它们从超级背板总线取得的电流值的限制(具体参见各模板的技术要求)。
(2)多个机架配置的S7—400模板安排原则。接口模板总是位于3号槽，第1个信号模板的左边。每个机架上不应超过8个槽板，模板总是位于接口模板的左边。能插入的模板数受S7—400背板总线允许提供电流的限制，每1排或每1机架
总是电流耗量不能超过1.2 A。
(3)CPU工作时可选的电源：200—240 VAC、24 VDC。
(4)选用电源模板总电量不能低于或等于输入、输出单元的电流总耗量。
(5)CPU模板有后备电池，起防电程序丢失的功能。
(6)系统应单独接地，接地电阻R≤4 n。
2 影响PLC控制系统可靠性的主要因素
PLC控制系统的可靠性直接关系到整个生产效率和安全，不论是硬件、还是软件或者外围设备，只要其中某一环节出问题都将导致停产。因而它是讨论技术要求的首要因素。图1为分析PLC控制系统故障图。
只有5%的故障发生在可编程控制器中，这说明可编程控制器本身的可靠性远高于外部设备的可靠性，的故障发生在I/O模板中，只有10%的故障发生在控制器中。说明发生在可编程控制器CPU、存储器、系统总线和电源中的故障只占系统总故障的0.5%，而发生在I/O模板中的故障也只占系统全部故障的4.5%。分析可见，通常，在实际应用中往往从以下几方面来考虑。
(2)数据和程序的保护。大部分PLC控制系统都采用锂电池支持的RAM来存储用户的应用程序，一般一支电池的寿命为5年左右，用完后应用程序将全部丢失。因此一些重要的地方常采用存储卡来存储用户的应用程序。将程序及技术资料作为存档保存起来。以防后备使用。
(3)安装与布线要采取一定的抗干扰措施。一般PLC电源都采用带屏蔽层1：1隔离变压器供电，在有较强干扰源的环境中使用时，应将屏蔽层和PLC浮地端子接地，接地线面积不能小于2mm2。接地线要采取独立的方式，不能用与其它设备串联方式接地。PLC电源线，I/O电源线，输入、输出信号线，交、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应该分开布线，后者应用屏蔽线，并且将屏蔽层可靠接地等等。
提高PLC控制系统可靠性的方法#e#3 提高PLC控制系统可靠性的方法
3.1 重视安装
提高PLC控制系统可靠性是一项长期、持久的工作。首先，施工和安装是非常重要的环节，必须严格把关，这样可减少投产故障率。其次，要保证检修质量，特别是技改线路改动和系统改造，是目前的当务之急。否则，几年的系统改造后，大量线路的更换，线号丢失及程序变更，该记录备份的没有做记录等。致使维护工作量加大，可靠性得不到保。这一项是人们极易疏忽的，必需引起高度重视。
3.2 老化筛选法
通常我们用“老化筛选”的方法，就是结束“早期”，延长“偶然期”，“损耗期”及时更换来提高PLC系统的可靠性。该方法主要用于不可修复元件。PLC控制系统的失效率是与时间有关。我们将设备元件的故障率y(t)随时间变化划分为三个时期进行分析，
(1)早期故障较高(O～t0期间)。主要是由于系统内在设计错误、元器件质量、安装和工艺缺陷等不合理原因引起，但随时间的增加故障率迅速降低。这一时期的主要任务是尽早找出不可靠的因素使系统尽快稳定下来。
(2)偶然期故障期(t0～t1期间)比较稳定，也可称为随机故障期。此时期故障是随机发生的，系统的故障率最低而且稳定，可视为常数。这一时期是系统的最佳状态期，在运行中应以加强维护延长这段时期的时间，应做好定期检修和维护工作。
(3)损耗期(t1之后)故障率上升，这是因为常时间以来构成系统的某些零件已经老化耗损，寿命衰竭机械和电气磨损以及绝缘的老化所引起。在这段时期中大部分元件要开始失效。如能事先知道损耗开始的时间，事先更换元器件，延长系统的有效寿命。推迟耗损故障期的到来。
4 PLC控制系统的安全设计方法
尽管PLC的运行是安全、可靠的，作为一个系统来说，稳定可靠仍然是不可忽视的问题.系统安全设计要充分利用PLC的特点，使PLC的运行能真正达到安全、可靠。
(1)硬件保护。主要包括：联锁保护、限位保护和急停保护等。
(2)软件保护。主要包括：联锁保护、限位保护、限时保护和自检保护等。PLC是利用存储程序进行控制，用存储的程序进行安装保护，也可以使其只执行正确的操作，而拒绝错误的命令。软件保护主要利用自检信息及时发现隐患，故障;也可针对工程的特点，自编诊断程序而排除故障，以确保PLC可靠、稳定、安全运行。
5 PLC控制系统可靠性的管理
5.1 人的管理
随着科技的发展，自动化的科学含量不断的提高。这将对工作人员的素质提出更高的要求。工作人员不但要熟悉设备情况、检修、规划和设计等;而且还要懂得计算机以及具有一定技术水平。因此，必须从人员的培训力度、培训方式和培训内容等着手。不断提高工作人员的业务素质和思想素质，才能胜任其工作岗位。
5.2维护管理
PLC控制系统的可靠性，其主要因素还是要做好后期的维护管理工作，维护设备主要部位：供电电源，外部环境、安装状态、电源(Ps)、中央处理单元(CPU)、信号模板(SM)及寿命元件输人、输出中间继电器等外围设备等。
把PLC与PLC或者PLC与计算机以及其他智能装置通过传输介连接起来，就可实现通信或组建网络，从而构成功能更强，性能更好的PLC网络控制系统。这样可以极大的提高PLC的控制范围、和控制规模，实现多个设备之间的数据共享和协调控制，提高控制系统的可靠性和灵活性，增加系统的监控和科学管理水平，便于用户的程序开发和应用[1，2]。同时，以PC机为上位机实现对各PLC的监控管理及对控制数据的处理，还提供了人机界面友好的操控平台。
1 通信系统联网结构
可编程控制器的联网结构主要指从物理上把各个节点连接起来形成网络，实现通信，构成更强大的控制系统，常用的连接结构主要有链接结构和网络结构。在通信网络中，各网络节点、各用户主机进行通信，必须遵守一套事先制定的规则协议，1979年国际标准化组织提出了一套开放式系统互联参考模型，定义了各种设备连在一起进行通信的结构框架。
组网控制系统的控制器为三菱FX2N-48MR型可编程控制器，选用RS-232C/485转换接口以及FX-485ADP通信模块组成1：8的联网控制系统，实现控制和监控数据的发送与接收，上位计算机监视PLC间的数据通信，开发程序的修改由上位机PCc机编写与下载。
2 通信协议及通信格式
1) 系统的通信协议
三菱FX2N-48MR PLc的传输参数和传输控制协议设置在内部寄存器D8120，寄存器参数设置可由b0设置数据长度;b1b2设置奇偶校验;b3位停止位设置;b4-b7位控制波特率的设置位;b13位为和校验位;b14位为协议位;b15位为传输控制协议设置。在该组网控制系统中通信方式采用半双工，同步方法采用起始停止位方式同步，传输速率为9600bps，起始位为1位，数据长度为7位，奇偶校验为偶校验，停止位1位，使用校验和，采用三菱公司专用协议，D8120设置为H6082。
2) 站号的设置
网络控制系统中明确各个PLC控制器的站号，用可编程控制器提供的数字来确定计算机在访问的哪个可编程控制器。在三菱FX2N-48MR型PLC中，站号由D8121寄存器来确定，可以应用指令MOVE KX D812l，其中x可从00H到0FH。在该系统中站号设定为0—7。系统采用面向字符的通信协议，以帧为单位，上位机与下位机每次只传送一帧信息，主站发出命令帧发起通信，被访问的从站PLC相应含有自己从站号的命令，从站发出一个响应帧，该从站就通知主站与哪台从站进行通信。
ENQ计算机发出请求，ASCII码为05H：ACK PLc对计算机的提问做出确认回答，ASCII码为06H;NAK PLC对计算机的提问做出否认回答，ASCII码为15H;STX信息帧开始标志，ASCII码为02H;ETX信息帧结束标志，ASCII码03H。PC机向PLC发出的命令PLC不理解时用NAK回答。
3) PC机向PLC发送报文格式
其中STX为开始标志02H;ETx为结束标志03H;CMD为命令的ASCII码;SUMH，SUML为CMD到ETX按字节求累加和，溢出不计。由于每字节十六进制数变为两字节ASCII代码，故校验和SUMH与SUML。
对读命令的应答报文数据段为要读取的数据，一个数据占两个字节，分上位下位。对写命令的应答报文无数据段，而用ACK及NAK作为应答内容。
4) 传输过程
PC机与FX2N-48MR之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。PLC根据PC机的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，无需用户在PLC一方编写程序。
3.通信的实现
根据PC机与FX2N-48MR PLC的传输应答过程编制出通信程序流程图。按照流程图可以编写出通信程序实现PC机与PLC之间的串行通信以完成数据的读取。
4 结论
：为了在一定场合取代高成本的定位控制，实现准确定位控制系统最优的性价比，采用SIEMENS公司S7-200系列PLC作为控制器，控制三相交流异步电动机和步进电机运行以实现准确定位。通过对货物仓储系统中传输带的定位控制，及对直线送料导轨的定位控制的实验，得出了准确定位控制系统设计与实施时的关键技术，并给出了两种实现准确定位的控制方案及PLC程序。这种使用PLC实现的定位方法具有快速、准确、、易于实现的特点，在工业生产中十分实用。
0 引言
在自动化生产、加工和控制过程中，经常要对加工工件的尺寸或机械设备移动的距离进行准确定位控制。这种定位控制仅仅要求控制对象按指令进入指定的位置，对运动的速度无特殊要求，例如生产过程中的点位控制(比较典型的如卧式镗床、坐标镗床、数控机床等在切削加工前的定位)，仓储系统中对传送带的定位控制，机械手的轴定位控制等等。在定位控制系统中常使用交流异步电机或步进电机等伺服电机作为驱动或控制元件。实现定位控制的关键则是对伺服电机的控制。由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。本文旨在阐述利用PLC控制伺服电机
实现准确定位的方法，介绍控制系统在设计与实施中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统参考方案及软硬件结构的设计思路，对于工业生产中定位控制的实现具有较高的实用与参考价值。
1 利用PLC的高速计数器指令和旋转编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位
1．1 系统工作原理
PLC的高速计数器指令和编码器的配合使用，在现代工业生产自动控制中可实现精确定位和测量长度。目前，大多数PLC都具有高速计数器功能，例如西门子S7-200系列CPU226型PLC有6个高速计数器。高速计数器可以对脉宽小于PLC主机扫描周期的高速脉冲准确计数，不需要增加特殊功能单元就可以处理频达几十或上百kHz的脉冲信号。旋转编码器则可以将电动机轴上的角位移转换成脉冲值。
利用PLC的高速计数器指令和编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位控制系统，其原理是通过与电动机同轴相连的光电旋转编码器将电机角位移转换成脉冲值，经由PLC的高速计数器来统计编码器发出的脉冲个数，从而实现定位控制。
1．2 设计与实施
以对传输带的定位控制设计为例加以说明。现需要用传输带运送货物，从货物运送起点到指定位置(终点)的距离为10 cm。现要求当传输带上的货物运行10 cm后，传输带电机停止运行。该系统硬件设置主要包括西门子S7-200CPU226型PLC、传输带电机(三相交流异步电机)、OMRON的E6A2-CW5W光电旋转编码器、松下VFO系列BFV00042GK变频器等。该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和传动辊(由三相交流异步电机拖动)同轴相连，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信号，利用PLC的高速计数器指令对编码器产生的脉冲(采用A相脉冲)个数进行计数，当高速计数器的当前值等于预置值时产生中断，经变频器控制电动机停止运行，从而实现传输带运行距离的准确定位控制。很显然，该控制系统中实现准确定位控制的关键是对PLC的高速计数器的预置值进行设置，高速计数器的预置值即为传输带运行10 cm时光电编码器产生的脉冲数。该脉冲数值与传输带运行距离、光电编码器的每转脉冲数以及传动辊直径等参数有关。该脉冲数可以通过实验测量也可通过计算得出。计算得出传输带运行10 cm对应的脉冲数为：
脉冲数=[(传动辊直径(mm)×π÷(脉冲数／转)]×传送带运行距离(mm)
该系统通过计算得出脉冲数为100，则高速计数器的预置值即为100。
在子程序中，将高速计数器HSC0设置为模式1，即单路脉冲输入内部方向控制的增／减计数器。无启动输入，使用复位输入。系统开始运行时，调用子程序HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，将其控制字节SMB37数据设置为16#F8，对高速计数器写入当前值和预置值，同时通过中断连接指令ATCH将中断事件12(即高速计数器的当前值等于预置值中断)和中断服务程序COUNT_EQ连接起来，并执行ENI指令，全局开中断。当高速计数器的当前值等于预置值时，执行中断服务程序，将SMD42的值清零，再次执行HSC指令重新对高速计数器写入当前值和预置值，同时使M0．0置位，电动机停止运行。
2 利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位
2．1 系统工作原理
步进电机因其具有结构简单、控制方便、转动惯量低、定位精度高、无累积误差和廉等优点而成为工业控制的主要执行元件，尤其是在精确定位场合中得到广泛应用。在工业生产中，步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋动转变成工作台面的直线运动。当需要对工作台面移动距离进行定位控制时，只需要控制步进电机的转速和角位移大小即可。在非超载的情况下，步进电机的转速和角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的相序，则可以实现步进电机反转。
目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的高速脉冲输出指令，可以很方便地和步进电机构成运动定位控制系统。由PLC高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位的实质是PLC通过高速脉冲输出指令PTO／PWM输出高速脉冲信号，经步进电机脉冲细分驱动器控制步进电机的运行，从而推动工作台移动到达指定的位置，实现准确定位。
式中：N为PLC发出的控制脉冲的个数；n为步进电机驱动器的脉冲细分数(如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动)；θ为步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度；d为丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离；δ为脉冲当量(定位精度)；i为传动速比；L为工作台移动的距离。
显然，利用PLC控制步进电机实现准确定位的关键是对PLC产生的脉冲数的设定。而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器的细分数以及脉冲频率等都有关。
2．2 设计与实施
以货物仓储系统中的对直线导轨的定位控制设计为例加以说明。在仓储系统中，要求由步进电机拖动直线导轨将料块送到指定的仓库门口。设从起点到终点的运送距离为100 mm，即要求由步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为100 mm。为实现准确定位，系统采用西门子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步进电机和森创SH-20403步进电机驱动器等设备。其中CPU226型PLC的CPU有两个脉冲发生器，分别是Q0．0端子和Q0．1端子。这两个端子均可输出PTO／PWM高速脉冲信，脉冲频率可达20 kHz。根据控制要求，系统拟采用高速脉冲串输出PTO功能，PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50％的方波信号。输出脉冲的周期以μs或ms为增量单位。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。
为了电机的低频振荡，提高分辨率，采用了步进电机细分驱动器，驱动步距角为0．9°／1．8°，脉冲细分数设定为4。为保速度和定位精度要求，步进电机运行一般要经历三个过程，即启动加速、恒速运行和接近定位点时的减速运行。为了维护步进电机以及驱动设备，要求驱动脉冲频率也线性增大，所以，本定位控制系统采用多管线操作，控制电机的运行过程。设直线导轨起始位置在A点，现欲从A点移至D点，其中AD=100 mm。定位精度只与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为0．11 mm／脉冲，则需要900个脉冲完成定位。步进电机运行过程中，要从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点完成定位过程用200个脉冲完成升频加速，500个脉冲恒速运行，200个脉冲完成降频减速。
因此确定PTO为3段脉冲管线(AB，BC，CD)。设最大脉冲频率为1 kHz，将16#A0写入控制字节SMB67，允许多段PTO脉冲输出，时基为μs级，建立3段脉冲的包络表并对各段参数分别设置，给定段的周期增量按下式计算：
给定段的周期增量=(该段结束时的周期值-该段初始的周期值)／该段脉冲数
这种控制方式属于对步进电机的一种开环控制，其优点是结构简单、、定位准确、易于实现等。
2．3 控制系统在设计与实施过程中的注意事项
(1)PLC类型的选择。首先，PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式。其次，PLC输出最高脉冲频率大小必须满足控制要求。
(2)步进电机脉冲细分驱动器的选择及参数设置。
(3)步进电动机的选择。首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Ti、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
(4)脉冲当量的计算。
3 利用PLC的其他方式实现的准确定位
3．1 利用PLC的PID指令及软、硬件配合实现准确定位
例如在气缸精确定位控制系统中，由PLC、电磁阀、光栅尺、气缸组成一个闭环控制系统。其中PLC作为控制运算中心，光栅尺作为检测装置检测气缸活塞移动量，并将检测结果通过PLC的模拟量输入端子反馈到PLC内部，与设定值比较，并进行PID调节，PID运算结果通过PLC的继电器输出接口驱动交流或直流电磁阀，由电磁阀的开关改变气缸活塞移动的流量，使气缸准确运动到目标位置，达到准确定位的目的。
3．2 利用PLC的EM253模块实现的准确定位
EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，它能够产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机的速度和位置开环控制。它与S7-200系列PLC通过扩展的I／O总线通讯。它带有八个数字输出，在I／O的组态中作为智能模块，可提供单轴、开环移动控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200 000脉冲／s。STEP7-Micro／WIN为位置控制模块的组态和编程提供了位置控制向导，可以生成组态／包络表和位置控制指令，配置EM253的运动参数、运动轨迹包络等。
