基于S7-300 PLC的多功能测控车

分类：解决方案日期：2007-04-04 00:00:00

1 引言
近年来，随着计算机技术的迅速发展，对科研实验效果的要求也越来越高。在冶金行业中金属塑性热加工过程的研究中，要求能够精确的测量实验数据，同时又能对即将使用在生产线上的各种传感器、执行器进行测控，以便对其性能进行评估，为最终安装在生产线上能可靠运行提供保障。但被测量的信号或被控制对象所处的位置是不同的，如测量一个钢块在被加热过程中，不同位置的点的温度变化时，要在加热炉附近进行。而测控一个伺服阀的性能要在液压站附近进行，为此我们开发了一套可以对多种信号进行测量，也可以对某些对象进行闭环控制的测控车。
具体地说，此测量车可以测量压力、扭矩、流量、速度、位移、电压、电流以及钢板温度等信号。可以对伺服阀、液压马达、加热炉、水幕(或集管)冷却水的流量等进行闭环控制。
2 系统的硬件构成
整个测控车控制系统包括两部分，即测量控制部分和数据处理及分析部分。测量和控制部分采用西门子公司S7-300系列PLC，选择CPU-315-2DP作为控制器，与ET200组成PROFIBUS-DP网，以便于对分散的对象进行控制时减少接线。选用6ES7 331-7KF02多功能模拟量输入模块做信号采集，因为此模块可以采集热电偶信号，电压信号和电流信号。模拟量输出模块选择12位精度的6ES7 322-5HD01。
数据处理及分析部分采用为工业控制计算机，通过美国NI公司提供的PC-1500PFB PROFIBUS通讯卡，实现上位机与控制器之间的数据交换。软件采用该公司的图形化软件LabVIEW7.0。硬件配置见图1所示。

图1 控制系统硬件配置
3 系统的功能原理
该测量车机械结构紧凑、移动灵活、接线方便。另外ET200M部分为一个单独的控制箱，它与CPU之间只有一条数据线，因此可以放在与测量车有一段距离、靠近被控制点附近。
该测量车可以对被测量进行短时或长时间的测量，并将数据通过PROFIBUS总线保存在上位机中，之后对数据进行绘制各种曲线、拟合、回归等处理，还可以打印报表等。可以快速地记录闭环控制过程中的Setpoint值、Process Variable值、偏差值和PID输出值，以便对被控对象的性能，控制效果等进行分析和评估。
该控制系统的硬件控制器为S7-300系列的CPU315-2DP，具有速度快、可构成DP网的特点。模拟量输入模块采用331-7KF02，该模块通过改变其侧面的4个小方块的安装方向，来改变所测量信号的种类，即电压、电流、热电偶信号。每一个小方块控制两通道，共8个通道。另外在STEP7的HardWare Config中，在331-7KF02的属性里也要选定与小方块指示相同的信号类型。在硬件接线方面，要将331-7KF02模块的前连接器的第10、11脚短接，并连接到每个通道的负端。这样才能正确地测量到信号。模拟量输出信号选用322-5HD01，其输出可以选择电压或电流量方式。
计数器选用FM350-2，具有8个通道。开关量输入模块为321-1BL00-0AA0，即32点，24VDC。开关量输出模块为两种:一种是322-1BL00-0AA0，32点，24VDC;另一种是322-1HF01-0AA0，为8点继电器输出，可以直接控制电流较大的负载。

4 系统软件
测量和控制部分的软件为西门子公司的STEP7 5.2，该软件编程直观快捷，函数功能齐全，调试方便。软件结构是根据不同的任务分为若干个子程序，通过上位机传送的不同参数，或控制面板上的转换开关来启动相应的程序，如图2所示。如在温度测量的程序中，分为测量热电偶的温度mV信号和测量来自红外线测温仪的4～20mA电流信号，不同类型的信号，其标度变换将调用不同标定子程序。在控制部分中流量控制和位移控制也是不同的子程序。

图2 系统软件任务分配
上位机的软件为LabVIEW7.0，通过PC-1500PFB PROFIBUS通讯卡于PLC交换数据。该软件具有运行速度快，数据分析和数据处理的函数齐全，编程速度快，界面友好等特点。在人机界面中，对各种类型的测量和控制的试验进行编码，当操作者选择了相应的实验后，通过通讯将该实验编码及相关的参数一起发送到PLC中的特定DB块中，PLC程序得到实验编码后进行初始化，然后等待操作者按下启动按钮，程序才能真正地运行。在测量和控制中采集到的数据以数组的形式存放在不同的数据块中。上位机在传送完实验参数后，将运行数据接收子程序，将PLC中DB块内的实验过程数据获得并存储在上位机中，同时在上位机可以实时显示这些数据。
该测控系统中包含了许多子程序，现将其中的2个为例说明编程思想。
4.1 增加、停止、减少子程序
增加、停止、减少子程序如下:
AN #minus_signal
JC dec
L #reference
L #step
+I
L #max
>I
JC out1
TAK
out1: T #reference
BEU
dec: AN #plus_signal
BEC
L #reference
L #step
-I
L #min
<I
JC out2
TAK
out2: T #reference
BEU
该子程序是利用开关量，以脉冲计数的方式产生数据。具体方法是利用2位自返回开关(左为减少，右为增加)，在每个调用周期中增加或减少一个数的方法产生数据，可以作为一个控制量的设定值。在调用该子程序时，将产生的数据限制在一个范围内，就能方便的使用了，这样使用开关量就能完成模拟量的设定。
4.2 数据采集标定公共子程序
在此程序中，只需要输入测量值、该信号的工程量最大值和最小值，即可将数据转换为相应的工程量值。编程的公式为:
Y_Real=(Y2-Y1)/(X2-X1)×(X_Real-X1)+Y1 (1)
其中，Y1、Y2分别为工程量的最小值和最大值。
数据采集标定子程序如下:
L #X_Real
L #X1
<=R
JC Min
L #X_Real
L #X2
>=R
JC Max
L #X2
L #X1
-R
T #T_Real01
L #Y2
L #Y1
-R
L #T_Real01
/R
T #T_Real02 //计算的斜率值
L #X_Real
L #X1
-R
L #T_Real02
*R
L #Y1
+R
T #Y_Real
SET
SAVE
BEU
Min: L #Y1
T #Y_Real
SAVE
BEU
Max: L #Y2
T #Y_Real
SET
SAVE
BE
4.3 软件的调试
在软件的调试过程中，要对有关组织块的功能进行详细的阅读，以便合理地运用到自己的程序中，增强程序的容错能力。如当系统中模块或 I/O出现故障，CPU将会调用 OB85，并不会使整个程序停止。当出现DP网错误时，CPU将调用OB82。在这些组织块中并不需要编程序，只要将其放在程序中。
另外SIEMENS公司提供的Step7模拟器对于离线调试程序具有很大的帮助。
5 结束语
该实验车采用了稳定可靠、抗干扰性强的PLC系统和数据采集及数据处理具有绝对优势的软件LabVIEW，充分利用了二者的优点。该测量车的移动灵活，测控精确，人机界面友好直观，数据处理方便迅速，可以应用到各个测控领域，具有良好的推广价值。