西门子6ES7223-1HF22-0XA8安装方法

浔之漫智控技术(上海)有限公司

西门子6ES7223-1HF22-0XA8安装方法

数控系统广泛应用于现代制造加工业、机器人、电子机械、办公设备等，是21世纪有发展前景的技术之一。本文使用2个Cortex-M3内核单片机STM32进行G代码解释和电机运动控制，研发了的运动控制模块,并通过PLC现场总线对多块运动控制模块进行全局管理控制，形成的机床控制网络。
1 运动控制模块的研制
本设计中,运动控制模块负责电机的驱动、多轴联动、G代码解释等工作，是数控系统的“大脑”。因此运动控制器的性能直接关系到整个机床的性能。
1.1 总体结构
为实现数控计算，系统采用双MCU结构，主控MCU负责G代码读写与解释、人机界面、网络通信等任务；NC运动控制MCU（即运动控制芯片）作为一个数字芯片，负责三轴电机的速度控制、定位、多轴直线和圆弧插补等任务，以保证运动控制模块在完成复杂的工作时仍能提供良好的性能。

模块采用SD卡作为G代码文件的存储器。SD卡具有大容量、小体积、支持热插拔等特点，尤其是其兼容SPI总线读写，省去了主控制器作为USB盘读写的硬件，降低了成本。
运动控制模块具有现场总线通信功能，支持RS-485和CAN总线2种现场总线物理层规范。以性为设计原则，总线接口与主控制器进行了电气隔离，并加入保护元件提高其抗瞬态干扰能力。其中使用了TI公司的高速数字隔离器ISO7221进行数字信号的电气隔离，同时在接口端设置了瞬态抑制二管（TVS管）进行保护，确保了硬件在各种环境下的性。

1.2 Cortex-M3与STM32简介
ARM Cortex-M3是一种基于ARM7架构的新ARM嵌入式内核，它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线(冯诺伊曼结构下,数据和指令共用1条总线）,在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相当好的性能。
基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,运行于72 MHz的总线频率,可以获得1.25 DMIPS/MHz的运算性能、单周期乘法指令、硬件除法器，带有容量至少为32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2个12位A/D、7通道DMA、6路16位定时器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等模块，并具有18 MHz输出频率的高速GPIO。在电机和运动控制的应用中，可以充分发挥其内核的性能和丰富的模块资源特性。
1.3 工作流程

1.3.1 G代码解码
运动控制模块接收到工作指令后，开始进行G代码的解释执行。G代码存放在SD卡中，主控制器集成FAT文件系统，支持SD卡的文件读写。G代码读入后，逐行进行遍扫描(即指令预处理),期间将注释、空格、非法字符去除，小写字符转换成大写，以方便解码程序进行识别。
经过预处理的G代码指令逐行送入G代码解码程序，解释程序再逐字检查其是否为G代码的指令字符，若是，则提取关键字的后续数值，作为该指令的操作数，将其提取出来。其中用到了ANSI C的标准库函数sscanf( )(位于stdio.h中)，可以方便地提取字符串中的信息，支持类正则表达式的格式字符串，非常灵活。同时因为使用了ANSI C的标准库函数，程序移植简单。
以下是G代码解码程序的部分代码：
/*遍历整个s字符串，找到字符后，提取后续数字，并存入中间代码中*/

提取到每行G代码的关键信息后进行相关处理，计算出每行代码的运动起止坐标,将其通过SPI总线发送至NC控制芯片，控制电机运动。
1.3.2 插补进给
电机的插补运算、加减速和进给控制，由一个立STM32微控制器完成,并称为NC运动控制芯片。
目前市场上的运动控制芯片主要是日本和欧美公司的ASIC和各数控厂家自行开发的FPGA芯片，虽然性能优越,但价格不低。相对于使用ASIC芯片或FPGA芯片，完成同样的任务使用MCU方案，硬件生产成本和开发成本均具有明显优势，当STM32微控制器运行在其频率为72 MHz下时,性能可以满足中低端数控系统应用的要求。
在三轴数控铣系统中，NC运动控制芯片需要实现三轴快速定位、二轴直线插补、二轴圆弧插补、三轴直线插补的功能。
插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点，从而为轨迹控制的每一步提供逼近目标。在本控制器中，选用逐点比较法作为基本的插补算法，具有算法简单、进给速度均匀的特点，同时支持三轴的直线插补[1]，满足本控制器对插补算法的要求。
逐点比较直线插补，就是执行机构每走一步都要和给定运动轨迹上相应的坐标值相比较，比较的结果称为偏差函数F，根据偏差的正、负决定下一步的进给方向。实质上这是一种用阶梯折线来逼近直线的一种算法，它与规定运动轨迹之间的大误差为1个脉冲当量(每走1步移动的距离)。因此，只要把脉冲当量设计得足够小，就可以达到运动精度的要求[2]。
1.4 Modbus-RTU协议的实现
Modbus-RTU是Modicon公司开发的一种通信协议。它采用主从应答方式工作,其规范已公布在互联网上，是一种在工业领域被广为应用的真正开放的标准网络通信协议。由于它具有免收费用，易于集成不同的设备、简单易用、开发、有着广泛的知识资源支持等特点，已经成为一种公认的通用工业标准。有了这个标准，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。Modbus PTU协议有2种传输模式：RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息帧中的8 bit数据包括2个4 bit十六进制字符，相对于ASCII模式，RTU模式表达相同的信息需要较少的位数，且在相同通信速率下具有大的数据流量。因此通常情况下，一般工业智能仪器仪表都是采用RTU模式的Modbus规约。
Modbus-RTU协议以帧为通信的基本单位,帧格式为：地址码1 B;功能码1 B;数据区N B;错误校验2 B CRC码。
本运动控制器在其RS-485接口上实现了Modbus-RTU协议，使用了当今流行的开源协议栈FreeModbus-RTU，从而保证了的通信、节约了开发成本。
FreeModbus是针对通用的Modbus协议栈在嵌入式系统中应用的实现，其遵循BSD开放源代码协议，并可以用于商业用途，成熟。移植FreeModbus到STM32处理器只需要少量资源，除了1个双工USART外，只需要配置1个定时器判断即可。

2 基于C200HE型PLC的运动控制网络实验平台设计
2.1网络结构
欧姆龙(OMRON)公司的C200HE-CPU42型PLC带有RS-232口和通信板。通信板支持各种通信协议，如上位链接、RS-232通信、1:1链接、NT链接(1:1、1:N)以及协议宏功能等,并能根据需要进行切换。通过协议宏功能，用PMCR指令，通过按标准设置的顺序，就能设置成Modbus协议。

(1) 管理层:是层，负责系统的管理与决策。其中PLC是整个控制网络的，它作为Modbus网络的主设备，通过Modbus网络与各运动控制器之间传输生产管理信息、质量管理信息及CNC的运行情况等数据。上位计算机运行组态软件,通过RS-232串行通信口与PLC通信，实时监控系统的运行。
(2) 控制层:是整个网络系统的中间层,各运动控制模块挂接在Modbus网络上成为其从节点,负责下面CNC运行过程的监控、协调和优化。
(3) 器件层:雕刻机是整个网络的层，是现场总线网络中直接面对现场的器件和设备，为网络的终端执行机构。
2.2 用协议宏功能实现Modbus协议
在协议宏软件CX-Protocol上创建工程，选择正确的设备名称、型号及网络类型。然后创建通信序列和接收序列，并下载到PLC通信板中。在PLC中编写程序，用PMCR指令调用的通信序列，实现与运动控制模块的通信。通信协议宏主要由发送/接收数据程序构成,每个通信协议多包含0~999个发送/接收数据程序，每个发送/接收程序多由16步构成。

2.2.1创建通信序列
将通信序列号设为“000”,在通信序列中要设置PLC与通信板链接字、传输控制参数、响应接收方式、数据接收监控时间、数据接收完成监控时间、数据发送完成监控时间等内容。
(1) 创建通信步(Step)
在通信序列“000”中创建Step00和Step01 2个通信步。Step00用于控制运动控制模块的运行，Step01用于查询运行状态。在每一个通信步中包括步号(Step)、重复计数器(Repeat)、命令(Command)、重试次数(Retry)、发送信息(Send Message)、接收信息(Recv Message)、是否响应(Response)、出错处理方式(Error)等内容。
(2)创建发送和接收信息
发送信息与接收信息严格按照Modbus协议格式编写，需要设置校验码（Check Code）、数据长度（Length）、地址（Address）和数据（Data）等信息。
(3)创建接收阵列
PLC向运动控制模块发送指令时，模块可能返回运行正常或错误响应信息，在接收数据时，使用阵列的形式加以区分。系统创建了2种可能接收的信息“Run Normal”和“Error”，并针对每一种情况设定不同的处理方法(Next Process)，用于可能出现的各种响应信息的处理。
2.2.2  通信实现
(1) 通信设置
PLC的通信参数设定与运动控制模块的参数一致。对通信板上的开关做调整时，设SW1置于ON侧，使用RS-485方式；SW2设定为ON，接入120 Ω的终端电阻；设定通信板端口A为通信协议宏方式。
(2) 编写通信程序
289.08为通信板端口A操作标志,当289.08为OFF时，表示可以使用端口A进行通信。通信过程中289.08置为ON，通信结束后，289.08置为OFF状态;当2.00由OFF变为ON、且289.08为OFF时，调用通信板上的通信序列，通过端口A发送和接收数据。通信序列号、发送和接收数据的存放区由PMCR指令的3个操作数,

使用2片32位单片机组成双核系统实现运动控制模块的功能，兼顾了性能和价格。同时因为使用了ANSI C的标准库函数，程序移植性好，数控解释程序中的关键技术G代码解释器的开发难度大大降低。在运动控制模块中移植Modbus协议，从而使其能简单地与PLC系统组成运动控制网络。采用欧姆龙通信协议宏实现控制多台运动控制模块，简化了现

一、WWT微机调速器的数学模型

1.1控制规律的选择

水轮机调节设备是通过调节导水机构的开度来调节水轮机的流量及其流态的，这种调节需很大的推力，所以调速器的执行机构采用一级放大或二级放大的油压装置，从而利用其推力推动接力器来实现。

从自动控制原理的角度上讲，控制水轮机流量存在着水轮惯性，对调节系统的动态稳定和响应特性带来不利影响，水轮调速系统是一个复杂的、多变的、非线性的控制系统。

1.2 WWT型PLC微机调速器的控制过程

水轮机调速器由测量元件、放大校正元件、给定元件、执行机构、反馈元件等组成，发电机组作为构成闭环控制系统。它的控制过程是测量元件把机组转速n(频率)或其他被调参数测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件去控制水轮机组，同时反馈元件又把导叶开度变化的信号返回给加法器。

1.3 PID调节的控制算法

上面说到水轮调节系统是一个复杂的控制系统，因此选择合适的控制规律是一个号的控制系统的关键因素之一。在设计WWT型微机调速器时我们选择了PID调节规律，它的结构简单，并且提高控制系统的稳定性和性。

PID控制规律在实际中是由PLC的 软件程序来实现的，PID的输入为测量的频差，其运算结果YPID为对应的导叶开度Y的数字量，YPID送入交流伺服电机驱动器，以控制电机的运转位置，电机的转动位置通过电液转换器对应导叶接力器的开到对应的开度Y。

为实现有差调节，调差的反馈信号可取自位置环控制式PID运算结果，并与 功率给定信号的数字调节量相减，然后经Bp后与频差信号综合，改综号送入PID调节通道。

用PLC程序来实现则进行PID调节计算，而采样周期t式离散计算过程中为重要的量。WWT型微机调速器是以种借助程序实现调节和控制功能的数字电子装置，它是以巡回扫描的或定时处理的原理工作的。PLC完整的执行一次可编程器系统、用户程序所占用的 时间为采样周期。

二、WWT微机调速器的数学控制方案的设计

2.1 WWT型PLC微机调速器系统原理

由交流伺服电机(位置环)及滚珠螺旋自动复中装置构成电液转换器，由定位环控制PLC微机调节器的定位模块，根据PID调节器输出YPID与主接力器反馈(通道3-1)yf的差值，向交流伺服电机驱动器送出与此差值成比例的有方向的定位信号N，交流伺服电机同轴的旋转编码器将实际转角(位移)y1以脉冲数的形式Nf送回驱动器，从而形成了以Ty1(交流伺服机构反应时间常数)为特征参数的小闭环。在调速器稳定状态(静态)，y1使主配压阀处于中间平衡位置。

在调速器电气部分的控制的PLC系统包括CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，定位模块、触摸屏等。PLC系统采集现场数据，进行PID运算及状态控制，输出控制信号。

PLC调节器现场信息，对信息进行分析、运算得出控制信号，再以一定的方式实现对执行机构的控制。PLC调节器的主要功能如下：

(1)现场数据采集功能

以足够的精度及满足要求的采样时间采集现场模拟量信号，如：机组频率值、电网频率值、导叶开度反馈、桨叶角度反馈、实际功率反馈、机组水头信号等，为保控制精度及调速器的速动性，模拟量采集的精度及采样周期达到一定要求，我们研制的PLC调节器频率信号测量精度为<0.002Hz，其它模拟量的测量精度为12位，足以满足中转速死区<0.02%的要求;采样周期为80µs，足以满足中不动时间<0.2s的要求;

以足够的刷新时间及性采集现场开关量信号，如：开机令、停机令、油开关信号、调相信号、控制室操作指令、现地操作指令等。由于PLC是专为工业现场控制而设计的CPU，在开关量采集方面其方便、，具有光电隔离，自动防抖功能，刷新时间约为30 μs。

(2)自动调节与控制功能

频率调节与频率跟踪：在频率调节模式下运行时，实现机组频率的调整。在空载工况下，可实现对电网频率的跟踪和相位的控制，能实现快速并网;

开度调节与水位控制：在开度调节模式下运行时，可实现按水位控制机组出力，即根据上游水位控制机组出力并保持在某恒定值下运行;

功率调节与功率模式：在功率调节模式下运行时，将接入机组输出功率反馈信号，机组将根据负荷给定值调整出力;

三、 PLC微机调速器控制设备的选型

3.1可编程控制器

3.1.1 PLC主模块FX2N-64MT(32点输入，32点输出)

FX2N-64MT是由电源、CPU、存储器和数字量输入/输出器件组成的单元型可编程控制器;由交流220V电源供电，模块还提供内装DC24V电源作为输入传感器的辅助电源。它带有通讯模块FX2N-485-BD，传送规格为RS485/RS422，能与上位机通讯。

3.1.2模拟量输入模块FX2N-4AD

FX2N-4AD是由四通道的模拟量输入模块，用于导叶开度、浆叶开度、水头位置和功率四个模拟量的输入。此次毕业设计PLC调速器用到导叶开度和水头位置两个模拟量输入通道。且本次设计采用电压输入，输入范围为-10V～+10V(输入电阻为200VKΩ)。数字输出为带符号的12位二进制,范围为-2048～+2047,+2047以上固定为+2047,-2048以下固定为-2048。分辨率为5mV(即10Vx1/2000)。综合精度±1%(相对于大值)。转换速度15mSx(1-2)通道。隔离方式采用光电隔离和采用DC/DC转换器使输入和PLC电源间隔离(各输入端子间不隔离)。模拟量用DC24V±10%，55mA，输入输出占有点数程序上为8点(计输入或输出点均可)由PLC供电的消耗功率为5V30mA。

3.1.3定位模块FX2N-1PG

本次设计采用FX2N-1PG为脉冲输出模块，用作对交流伺服电机的控制，通过FX2N的FROM/TO指令设定定位目标，运转速度和各种参数。

本次设计FX2N-1PG电源由稳压电源提供DC5V，电源正端接止VIN端子;电源负端接止COM0端子，此端子亦为脉冲输出公共端。此设计FX2N-1PG的FP端子为正转脉冲输出端，RP端子为反转脉冲输出端，其脉冲信号输出止电机驱动器，从而控制电机工作。

3.2触摸式图形显示操作终端

设计采用日本三菱电机公司触摸式图形显示操作终端F970GOT—SWD—C加简捷、准确、方便地实现对PLC微机调速器监视和操作，进一步提高PLC微机调速器人机交互界面水平。

F970GOT—SWD—C真彩触摸屏安装在电气部分操作面板上，其含有预置的系统画面。其操作画面可自由切换，除显示英文、汉字外，还能显示直线、圆、四边形等简单图形。

F970GOT—SWD—C真彩触摸屏有三个通讯端口，本次设计采用其两个RS422和RS232C。RS232C与上位计算机连接选用FX-232CAB-1型电缆，它的两端均为D形9孔插座;RS422与可编程控制器连接其选用FX-50DU-CABO型电缆，它的一头为D形9针插头(与图形显示操作终端连接)，一头为MINI-DIN型8针插头(与FX2N基本单元编程连接器连接)。

3.3交流伺服电机及驱动器

本次设计调速器交流伺服电机采用日本松下MINAS A系列的MSMD082P1 750W全数字交流伺服电机。其驱动器采用型号为MC3520的C型单相/三相200V的驱动器。

本次设计驱动器与交流伺服电机采用串行通讯。交流伺服电机轴上旋转编码器的转角反馈信号由两根信号线送至驱动器。其主回路控制回路交流伺服电机的1、2、3和4号端子分别接至驱动器的U、V、W和外壳接地端。这样，驱动器将从FX2N-1PG输入的正/反转脉冲信号经内部模块处理为控制信号通过U、V、W三相来控制电机正/反转到位置。驱动器内部采用四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.36°。

四、 PLC微机调速器的运行状态和调节模式

4.1 PLC微机调速器的运行状态

1、调速器的运行状态如下:

(1) 停机等待 (2) 开机 (3) 空载 (4) 负载 (5) 甩负荷 (6) 调相

(1)PLC微机调速器处于非负载状态(包括：空载、甩负荷、停机过程、开机过程等)下，均工作与频率调节模式(FM)。

(2)PLC微机调速器次进入负载状态(例如，机组油开关投入，并入电网运行)时，调速器强制切换至功率调节模式(PM)一次。

4.2 PLC微机调速器的调节模式

1、节模式可工作于“模式自动”和“模式手动”(从面板上的开关选择)两种方式。在“模式自动”方式下，调节模式主要由调速器的工作状态及模式约束条件来决定;在“模式手动”方式下，对于负载工作状态，可操作面板上的“回车”键，使其在3种模式间循环切换，它们也受调节模式约束条件的控制。

2、调节模式约束条件为：

(1)、功率调节模式(PM)的功率偏差约束条件。当PLC微机调速器的功率给定值PC与机组实际功率PG之差的大于某一事先给定的功率偏差△P0(一般取为额定功率的5%)时，即认为“功率差”。当连续差次数大于事先给定值(取800次，若采样周期τ=0.02S，即持续时间为16S)时，调速器就认为出现机组传感器故障，并自动切换至开度调节模式(YM)运行。

(2)、功率调节模式(PM)或开度调节模式(YM)的频率偏差约束条件。当PLC微机调速器的机组频率fg差(一般取fg≤49.5HZ及fg≥50.5HZ)时，频率差计数Cf加1。当连续差次数大于给定值时，调速器将自动切换到频率调节模式(FM)运行。

3、编制程序中，按各种模式下的参数跟踪程序，以保PLC微机调速器在3种调节模式之间切换时，实现平滑无扰动的转换过程。

五、 调试和在线实验

WWT型微机调速器设计完成并接好电气柜后，在通电前要进行对开度表、平衡表、电气接线的检查和绝缘实验、交直流回路检查、柜内电源检查。

通电后，要对开关电源的输出电压、交直流切换板等进行测量;然后在触摸屏对内部参数、运行参数进行设置。还要对字调理板上对反馈信号进行调节。

接着进行模拟实验，包括模拟开机、模拟并网、模拟甩负荷、模拟停机、模拟频率信号消失、模拟导叶反馈断线、导叶手/自动切换、导叶电手动开机实验、电源切换实验。

六、结束语

微机控制的水轮调速器已普遍用于水力发电站，其性和调节品质已经达到了电厂实现无人值班、少人职守的要求。为以后的自动发电控制打下了基础。