西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0详解说明

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西门子模块6ES7231-7PF22-0XA0详解说明传统的ＭＫ９５ 卷烟机烟支重量控制系统采用的主要是模拟线路板控制，为此我们设计了卷烟重量ＰＩＤ 控制系统。通过ＰＬＣ 运用ＰＩＤ 算法实现的烟支重量控制系统，具有响应速度快、调节平稳、性能可靠、维修方便等优点，完全可以替代传统重量控制系统。 １系统硬件结构 卷烟机PID重量控制系统硬件结构如图１ 所示，主要包括烟支重量检测、烟支重量信号处理及电控系统、执行机构三大部分组成。其中烟支重量检测由核扫描器、信的原理，当核扫描器射线穿过烟条时射线衰减，从而射线衰减量与烟支重量就存在一定的对应关系，通过射线衰减量就能够测得烟支重量。射线衰减量通过核扫器内电离室转变为电信号，根据检测器的输出电压信号可获得相应的烟支重量信号。其转换公式为： F ＝Kｌｇ（V／V０ ） F：电压V 对应烟支重量；K：比例系数；V：有烟支时检测器的输出电压；V０ ：无烟支时检测器的输出电压。 ２．２控制过程 放射源检测器输出的电压信号由Ａ６８ＡＤ 模块转换成数字量，控制程序将测量值与烟支重量的目标值进行比较，经过PID控制算法运算再去控制烟支重量。 ２．３削减盘电机速度控制 由于卷烟吸味及卷烟质量的要求，每支卷烟的烟支重量分布并不均匀，通常两端烟丝密度大，中间烟丝密度小，因此控制烟支密度分布的削减盘电机需要不停的加号处理及电控系统由ＰＬＣ减速转动，以控制削减盘的上下移动。此外，在卷烟机的工作过程中，烟支重量（烟条密度） 的变化取决于卷烟机风室供丝量和削减盘的位置等，当烟支重量偏重或偏轻时，削减盘电机控制削减盘向下或向上移位，以增加或削减供丝量；当烟支重量在设定的正常区间时，削减盘基本上在平稳的上下移动，以实现烟支重量控制及密度分布控制的目的。此外，由于在测控系统中，无论开环还是闭环控制，都要考虑伺服机构的启动、停止或者运动方向的加减速处理，以获得平稳的运动和较高的位置控制精度，而梯形速度曲线具有计算比较简单、响应速度快、控制较为平稳的优点，所以本控制系统采用了梯形速度曲线控制。 控制系统硬件结构梯形速度曲线在时间上可以分为３ 个阶段：阶段为加速运动阶段，电动机以规定的加速度a 加速到大速度V；第二阶段为匀速运动阶段，电动机以大速度V 匀速运动；第三阶段为减速运动阶段，电动机以减速度－a减速到停止状态。 图２ 表示了梯形速度时间曲线。电机从时间t０ （坐标原点） 开始运行，直至运行到时间t３ ，电机的运动速度在运动前后都为零。 梯形速度时间曲线（１） 加速区域 当核扫描器测得烟支密度偏重时（此时削减盘电机对应位置θ１ ），为了加快响度速度，电机以加速度a 运转时间t１ ，削减盘相应运行到位置θ２ （如图２）。此时， Δt１ ＝t１ ＝v／a，θ２ ＝v２ ／２a。 （２） 恒速区域 此后，削减盘电机以大速度v（t） 平稳运行时间（t２－t１ ），削减盘对应位置θ３ ，此时（t２ ） 核扫描器测得烟支重量已达到设定值下限。此时，Δt２ ＝t２ －t１ ＝（θ３ －θ２ ） ／v －v／a，θ３ ＝θ２ －v２ ／a。 （３） 减速区域 当核扫描器测得烟支重量已达到设定值下限时，电机由大速度减速运行，直至削减盘达到目标位置θ４ ，电机停转。此时，Δt３ ＝t３ －t２ ＝Δt１ ，θ４ ＝－v２ ／２a。 （４） 速度控制 由此，可以根据上述几组公式计算出相应位置时刻的速度值并加以控制，当实际检测的位置值与位置指令不相等时，运动控制器首先计算出偏差（指令值减实际值），然后根据位置偏差值进行判断，计算出速度指令值，后进行速度控制。 削减盘位置２．４ＰＩＤ 控制算法 在本烟支重量控制系统中，将原来在模拟烟支重量控制系统中的硬件ＰＩＤ控制器实现的功能用软件来代替，称作数字ＰＩＤ 控制器，所形成的一套算法则称作数字ＰＩＤ算法。数字ＰＩＤ 控制器与模拟ＰＩＤ 控制器相比，数据显示直观，参数修改方便，可以根据试验和经验在线调整参数，可以得到更好的控制性能。 在模拟调节系统中，ＰＩＤ 控制算法的模拟表达式为 u（t） ＝Kp e（t） ＋１Ti ∫e（t） ＋Td ｄe（t） ｄt （１） 式中，Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；e（t） 为偏差信号，等于给定量r（t） 与反馈量c（s） 之差；u（t） 为调节器的输出信号。 其控制的简化框图如图４ 所示。由于在ＰＬＣ 控制系统中，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，为了使ＰＬＣ 控制系统实现在模拟控制系统中式（１） 所表示的控制量，必须将其离散化。利用积分累加求和及一阶后相差分近似可得离散后的数字 ＰＩＤ 表达式如下： u（k） ＝Kp e（k） ＋KiΣk i ＝０ e（i） ＋ kd （e（k） －e（k －１）） （２） 上式中，T 为采样周期；e（k） 为系统的k 次采样时刻的偏差值；e（k －１） 为系统的（k －１） 次采样时刻的偏差值。如果采样周期T 取得足够小，该算式可以很好的逼近模拟ＰＩＤ 算式，因此，使被控过程与连续控制过程十分接近。上式就为离散化的位置式ＰＩＤ 控制算法的表达式。 同理，可得到第k －１ 个采样时刻的控制器输出值： u（k －１） ＝Kp e（k －１） ＋KiΣk －１ i ＝０ e（i） ＋ kd （e（k －１） －e（k －２）） （３） ２．５ＰＩＤ 参数选择 ＰＩＤ 调节器参数的选择有２ 种可用方法：理论设计法和试凑法。理论设计法要有被控对象的准确的数学模型，这在实际中往往很难做到。本控制系统采用试凑法来确定控制参数。这种方法比较直观，易于操作。调节时，根据ＰＩＤ 控制器各校正环节的作用来进行，各校正环节的作用简述如下： １） 比例环节。增大比例系数Kp 将加快系统响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统产生较大的超调，并产生振荡，破坏系统的稳定性，本系统Kp 取值０．５。 ２） 积分环节。增大积分常数Ti ，会有利于减小超调，减小振荡，但系统的静态误差的消除将随之减慢，本系统Ti 采用１．２。 ３） 微分环节。增大微分常数Td ，也可以加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统的抗干忧能力降低，本控制系统Td 取值为０．８。 ３系统定标及校正 由于放射源探测器的响应非线性及射线量与系统输出信号的非线性关系等原因，烟支密度检测系统存在非线性问题。系统非线性可通过理论预算和实验预测得到，并通过系统定标和曲线校正来消除或减小其对系统控制性能的终影响。为使系统提供需代表烟条重量大小的脉冲信号同控制系统所需格式一致，使脉宽大小对应烟条重量数据，根据重量中心值和上下限值对脉冲宽度进行定标和数据调整。根据烟支重量检测信号的中心值和上下限值来确定削减盘电机的运转中心点和上下限值，从而实现对烟支重量准确控制。 ４系统应用效果 本控制系统已完全应用于济南卷烟厂６ 台ＭＫ９５ 卷烟机组，通过近２ 年来的使用看，效果很好，完全达到了原有控制系统的要求。我们在生产现场采集了大量的数据，所有采集样品均为８４ ｍｍ 长度的卷烟。所取烟支样品１００支为一组，设定单支烟重为wi （i ＝１，２，⋯，n），则烟支平均重量为w０ ＝ １n Σni ＝１wi （４） 烟支重量偏差 Δwi ＝wi －w０ 标准方差 δn －１ ＝ １ n －１Σni ＝１ （wi －w０ ）２ （５） 变异系数 Cp ＝δn －１w０ ×１００％ （６） 通过采集数据可以看出，采集数据标准偏差值较小，基本呈现正态分布，变异系数较小，烟支平均重量控制稳定性较好。 ５系统的应用前景 该系统由于采用ＰＬＣ 控制器的ＰＩＤ 控制算法，系统硬件设计简单，便于实现和维护；根据不同的设备及车速可以试调ＰＩＤ 各参数，十分方便快捷；同时，由于该系统响应速度快，控制准确可靠，完全可以实现对传统模拟重理控制系统的替代随着微电子及控制技术的不断发展，PLC已逐渐成为一种智能型、综合型控制器，由PLC构成的集散控制是现代工业控制的一个重要组成部分。PLC具有使用简单方便，故障率低，抗干扰能力强等优点；但同时，数据的计算处理与管理能力较弱，且无法提供良好的人机界面。将计算机与PLC结合起来，可使两者优势互补，充分利用计算机友好的人机界面，实现人机对话和监控功能，并可进行一定的辅助决策，组成高性能价格比的控制系统。实现计算机与PLC结合的控制系统的关键之一是二者之间的通信。    本设计选用三菱FX2N系列的PLC，以Visual c++6．0作为开发工具对PLC通讯主程序进行设计，串口通讯采用ActiveX控制Microsoft Communication Control 6.0，后用PLC编程电缆将PLC编程口与计算机串口连接进行调试。1 三菱PLC与计算机之间通信协议    串行通信是指外设和计算机间使用一根数据信号线一位一位地传输数据，每一位数据都占据一个固定的时间长度。“串行”是指外设与接口电路之间的信息传送方式，CPU与接口之间仍按并行方式工作。串行通信的四个重要参数：波特率(衡量通信速度的参数)、奇偶校验位(一种简单的检错方式)、数据位(衡量通信中实际数据位的参数)和停止位(表示单个数据包的后一位)。    (1)三菱FX2N系列通信数据帧格式    FX2N系列的PLC与计算机之间的通信采用RS-232C标准，其传输速率一般设为9 600 bps，实际传输过程还可设其它，比如115 200 bps等。奇偶校验位采用偶校验。数据以帧为单位发送和接收。一个多字符帧由起始字元、命令号码、元件首地址、结束字元、和校验五部分组成，其中和校验值是将命令码STX—ETX之间的字符的ASCII码(十六进制数)相加，取得所得和的低二位数。STX和ETX分别表示该字符帧的起始标志和结束标志。    起始字元(STX)：ASCII码的起始字元STX对应的16进制数位0x02。无论命令信息还是回应信息，它们的起始字元均为STX，接收方以此来判知传输资料的开始；    命令号码：为两位16进制数。所谓命令号码是指上位机要求下位机所执行的动作类别，例如要求读取或写入单点状态、写入或读取暂存器资料、强制设定、运行、停止等。在回应信息中，下位机会将上位机接收到的命令号码随同其它信息一同发送给上位机；    元件首地址：对应要操作的元件的相应的地址。如从D123单元中读取数据时，要把它对应的地址：0x10F6发送给PLC；    元件个数：一次读取位元件或字元件的数量；    结束字元(ETX)：ASCII码的结束字元ETX对应的16进制数为0x03。无论命令信息还是回应信息，它们的结束字元均为ETX，接收方以此来判知此次通讯已结束；    校验码(Checksum)：校验码是将STX—ETX之间的ASCII字元的16进制数值以"LRC(Longitudinal Redundancy Check)"法计算出1个Byte长度(两个16进制数值00-FFH)的校验码。当下位机接收到信息后，用同样的方法计算出接收信息的校验码，如果两个校验码相同，则说明传送正确。    (2)三菱FX2N系列通信命令    FX2N系列PLC有4个通信命令，它们是读命令(30H)、写命令(31 H)、强制通命令(37H)、强制断命令(38H)。    (3)三菱FX2N系列通信控制字符    ENQ(ASCII代码05H)：计算机向PLC发送请求；    ACK(ASCII代码06H)：PLC对ENQ的确定回答；NAK(ASCII代码15H)：PLC对ENQ的否认回答；    STX(ASCII代码02H)：报文开始；    ETX(ASCII代码02H)：报文结束。    (4)FX2N系列设备地址    ①读写时的软设备地址    S0-S7：0000H；X0-X7：0080H；Y0-Y7：00AOH；TO-T7：00COH；M0-M7：0100H；CO-C7：01COH；DO-D7：1000H    ②置位／复位时的软设备地址    S0-S7：0000H；X0-X7：0400H；Y0-Y7：0500H；TO-T7：0600H：MO-M7： 0800H；CO-C7：0E00H；DO-D7：0100H    ③传输过程    PC机与FX系列PLC之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。其传输过程如图1所示。图1传输过程    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。2 系统功能设计    系统主要实现PLC与计算机的通讯，具体主要完成PC机指令下传、监测PLC状态、接收PLC信息等功 能。系统组成：小型PLC一台、RS232串口、编程电缆、通讯界面。主操作界面在完成系统功能的前提下，力求明了直观，操作简单灵活方便。系统以VC++6.0为平台，设计的界面如图2所示。图2 系统界面本程序设计了四个串口可供选择，只有在选择串口之后才可进行“打开串口，关闭串口”的操作，当打开串口以后，就可以对PLC进行相应的操作了，为了使界面整洁干净，特别设计了“清空发送区”和“清空接收区”选项，当发送数据和接收数据放满编辑框时只需点击这两个按钮，数据就会清空。且实现代码相当简单，m_sSend．Empty()、m_sReceive．Empty()就可轻松实现这一任务。     PC机与PLC的通讯程序流程图如图3所示。图3 PC机与PLC的通讯流程图    系统通信控制程序采用了MSComm控件。此控件提供了两种通信方法：①文件驱动，即用MSComm控件的OnComm文件捕获并处理通信事件和错误，它是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法；②查询方式，通过查询串口属性来获得事件和错误，实质上还是属于事件驱动，但在有些情况下显得更为便捷。MSComm6.0控件的属性：①CommPort，设置或返回通信端口号；②Settings，以字符串的形式设置或返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位；③PortOpen，设置或返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口；④bbbbb，返回和删除接收缓冲区中的字符；⑤bbbbbMode，设置或返回bbbbb属性取回的数据的类型，数据取回的形式为字符串或二进制数据的数组；⑥CommEvent返回近的通信事件或错误的数字代码，通信程序设计时可以根据该属性值执行不同的操作，在运行时为只写；⑦Output，将字符串写入发送缓冲区。    MSComm6.0控件只有一个事件，即Oncomm事件。在通信时如果发生错误或者事件，将会引发Oneomm事件并且改变其属性值，通过GetCommEvent()可获得Oncomm产生事件或错误的代码。在与PLC进行通信的过程中，使用MSComm6.0控件可以自动完成PLC对计算机发送信息的接收，终实现PC机对PLC的状态检测。    软件实现过程：FX2N系列的PLC与计算机之间的通信采用RS-232C标准，其传输速率固定为9 600bps，奇偶校验位采用偶校验。数据以帧为单位发送和接收。PC机向PLC中写数据时首先需对串口进行初始化，并对波特率、校验位等进行设置，然后根据通信协议对PLC进行相应的读写、复位、置位等操作，PLC根据PC机送来的控制字进行相应的操作。数据发送，采用专用发送指令XMT TABLE，CommPort，其中TABLE为发送缓冲区的首地址，首地址中保存要发送的字节数，即数据长度，大为255，其后的地址中保存要发送的数据，CommPort指定用于发送的端口。对于数据接收，使用接收指令RCV TABLE，CommPort，接收指令激活初始化或结束接收信息，通过制定端口接收信息并存储于数据缓冲区中，数据缓冲区的个数据指明了接收的字节数。3 系统功能验证    将计算机用通讯电缆与PLC相连后，首先发送请求05H以后，验证计算机与PLC是否可以正常通信，接收区显示06，表示PLC对ENQ的确定回答，即PLC已准备好，可以进行下面的操作，具体如图4和图5。    这里主要对PLC读值功能进行验证。读操作命令格式如下：    STX—CMD0一数据段一ETX—SUMH—SUML    在按上述命令格式发送相应的代码后，就可直接读取PLC响应的信息了。响应信息格式如下：    STX—DATA—ETX—SUMH—SUML    图6和图7分别是对PLC进行读值验证时发送数据和接收数据的显示。图6 发送数据显示图7 接收数据显示    其中接收数据显示中的023030033633，是对x软地址值(0080H)读取后接收到的数据。具体算法如下：    nSUMLx=(0X30+0X30+0X03)％16=3