安徽西門子S7-1200PLC模塊代理商（核心）

西門子 S7-1200 PLC 在汽車內(nèi)飾產(chǎn)品檢驗平臺上的應(yīng)用

這是一個技改項目，原項目是采用單片機加上數(shù)據(jù)采集卡控制一個帶步進電機的測試臺，其主要應(yīng)用目的是用于模擬汽車遮陽板上的鏡蓋反復(fù)開合，并將在開合過程中不同位置時得到的力矩值通過數(shù)據(jù)采集卡采集并發(fā)送給上位計算機，從而獲取整個開合過程的曲線，再根據(jù)試驗的次數(shù)等數(shù)據(jù)來判定測試樣本是否合格。然而，在實際應(yīng)用中，用戶發(fā)現(xiàn)原方案在使用中存在步進電機發(fā)生失步的現(xiàn)象，從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。用戶決定將控制系統(tǒng)改成PLC，在與用戶經(jīng)過反復(fù)論證之后，終采用了西門子SIMATIC S7-1200系列PLC。

工藝流程介紹

主要的工藝流程如圖1所示，S7-1200通過高速脈沖輸出控制步進電機運動，步進電機驅(qū)動絲桿上所安裝的開合測試裝置，實現(xiàn)往復(fù)運動。步進電機所帶的旋轉(zhuǎn)編碼器將當(dāng)前的運動位置反饋給PLC，同時開合測試裝置上的力矩傳感器則將當(dāng)前位置的力矩以模擬量形式傳送給PLC，PLC則將這2組采集到的實時數(shù)據(jù)按照一定順序存儲在內(nèi)部的數(shù)據(jù)塊中，當(dāng)完成一次開合運動之后，就將這個運動過程中的所采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并在上位機的界面上描繪出本次運動相關(guān)采集數(shù)據(jù)的曲線。如此周而復(fù)始，當(dāng)完成一定次數(shù)的規(guī)定動作后，即完成了樣本的測試工作，根據(jù)樣本試驗次數(shù)的不同，上位機還需要將特定次數(shù)的采集數(shù)據(jù)保存成Excel文件以便日后查看，同時用戶也能以手動方式保存任意一次的采集數(shù)據(jù)。

方案確立

本項目從機械結(jié)構(gòu)上看相對簡單，因此S7-200CPU224-XP和S7-1200 CPU1214都能很好地完成步進電機控制，高速數(shù)據(jù)采集等控制任務(wù)。但是，由于單個測試動作的周期很短，大周期只有6秒鐘左右，而整個測試過程較長，需要幾百上千次的重復(fù)周期性動作，數(shù)據(jù)的采集周期僅為5ms，那么一個動作周期下來，采集到的數(shù)據(jù)約為1200個，4800字節(jié)，因此高頻率周期性實時的高速的數(shù)據(jù)傳送是本項目的一個大的技術(shù)難點之一。

S7-200在不增加CP模塊的情況下只能利用本機的RS485接口來完成通訊任務(wù)，RS485接口是半雙工的，高串行通訊波特率為115.2K，每次通訊傳送的字節(jié)數(shù)上限255個字節(jié)，那么這些數(shù)據(jù)需要近20次的通訊才能傳送完畢，因此數(shù)據(jù)傳送過程復(fù)雜，傳送效率低下，數(shù)據(jù)傳送的可靠性不能保證。

而S7-1200則可以直接利用本機集成的PN接口，RJ45接口，100M全雙工，支持TCP/UDP通訊，一次通訊大數(shù)據(jù)交換能力為8K字節(jié)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線與上位機進行直連，本項目涉及的數(shù)據(jù)可以在一個測試周期內(nèi)一次傳送完畢，并且還有能力出錯再發(fā)，確保數(shù)據(jù)傳送的效率及可靠性。

雖然S7-200也可以通過擴展CP243-1通訊模塊來實現(xiàn)上述功能，但S7-1200集成的優(yōu)勢及成本上的差距是顯而易見的，終S7-1200成為本項目PLC選型的選擇。   

在上位機方面，原考慮采用WinCC作為監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析軟件，但經(jīng)過一些研究發(fā)現(xiàn)，如果根據(jù)用戶所要求的技術(shù)參數(shù)，是根本不能滿足應(yīng)用要求的。如前所述，因為測試的運動行程相對較短，運動速度也比較高，同時為了描繪出比較真實的曲線，必須增加采樣的次數(shù)與頻率，這導(dǎo)致采樣周期遠遠小于WinCC的采樣時間。如果考慮3秒鐘的采樣曲線顯示時間，那上位機必須在3秒鐘之內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收，自動保存及圖形描繪這幾項主要任務(wù)，每6秒鐘一個工作周期，同時還要兼顧常規(guī)的操作及用戶對于數(shù)據(jù)的隨機查詢及即時保存任務(wù)，因此這也是本項目的另一個重大的技術(shù)難點。

經(jīng)過多次的實驗驗證及對方案的反復(fù)論證，終采用如下系統(tǒng)方案：（1）由S7-1200實現(xiàn)測試運動的控制，數(shù)據(jù)的高速采集，本地存放，及利用集成的PN接口實現(xiàn)與上位機TCP/UDP通訊，傳送采樣數(shù)據(jù)包。（2）用VB開發(fā)一個的數(shù)據(jù)處理程序，通過以太網(wǎng)接口接收S7-1200發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)描繪測試過程曲線。（3）利用WinCC作為操作界面主平臺，完成測試系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置，常規(guī)邏輯操作，以及一些過程數(shù)據(jù)的顯示等，同時作為主界面調(diào)用的數(shù)據(jù)處理程序，把兩者有效的集成在一起，使用戶不認(rèn)為這是2個不同的應(yīng)用。

產(chǎn)品硬件配置

由于屬于改造項目，測試臺的機械部分包括步進電機幾乎沒有更改，只是加裝了一個尋參的接近開關(guān)。電氣部分，用戶自己裝配了一個小型的電氣控制箱，主體就是一個CPU1214 DC/DC/DC，硬件的連接主要就是步進電機控制信號，步進電機的位置反饋編碼器信號，力矩測量信號，以及用于控制啟停和急停的信號。上位機部分使用的是安裝了WinCC組態(tài)軟件的普通商用電腦。

軟件開發(fā)

表格1，IO分配表

PLC程序的開發(fā)主要分為三部分，⑴步進電機的控制，⑵高速數(shù)據(jù)的采集，⑶與上位機的通訊。

*部分，步進電機的控制主要利用的是TIA Portal軟件中集成的工藝對象中的軸控制功能來實現(xiàn)的。根據(jù)TIA Portal 軟件提供的導(dǎo)向，把項目中的機械數(shù)據(jù)輸入相關(guān)參數(shù)，我們可以十分便捷完成運動軸的組態(tài)。主要的參數(shù)包括選擇硬件接口，脈沖數(shù)，速比，脈沖反饋，極限位置，尋參方式等等。由于步進軸不支持實際物理位置的反饋，因此本項目中又另外定義了一個高速計數(shù)器的輸入作為步進電機實際運動位置的反饋輸入，根據(jù)項目實際情況進行設(shè)置。界面如圖2所示：

                                 圖2軸組態(tài)界面

運動軸組態(tài)完之后，就可以利用軟件自帶的運動控制庫中的功能塊進行編程了，對應(yīng)的功能塊的說明都能在幫助中找到，這給初次接觸這些功能塊的編程員提供了很大的幫助，同時西門子還提供了專門的電子文檔詳細(xì)介紹了這個功能。在這個項目中，采用的是軸的定位功能，使用的控制功能塊是MC_MoveAbsolute，如圖3所示。這個項目中測試的產(chǎn)品是遮陽板中的鏡蓋開合能力，因此步進電機需要來回運動，速度和運動的距離及位置都可以在上位機上進行設(shè)置，同時到達位置后，并不是馬上反向運動，而是會有一個小的停頓。

        圖3 定位功能塊的調(diào)用

通過軸功能中加速度參數(shù)的調(diào)整，可以使步進電機在短時間內(nèi)達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，同時又不會失步，從而保證了測試運動的可靠性。

第二部分，高速數(shù)據(jù)采集也是本項目能夠順利實施的重要環(huán)節(jié)，初的方案是采用時間中斷進行數(shù)據(jù)采集，每5毫秒采集一次數(shù)據(jù)，S7-1200可以很輕松地實現(xiàn)，然而在試運行的過程中發(fā)現(xiàn)，測試行程及速度的不同，固定周期的數(shù)據(jù)采集往往遺漏了測試過程中一些關(guān)鍵位置點的數(shù)據(jù)，從而容易造成曲線的失真。又經(jīng)過反復(fù)的論證，在確定了測試裝置可能的大的運動速度及連續(xù)2個采樣位置的可能的小間隔之后，我們轉(zhuǎn)而采取了位置中斷的數(shù)據(jù)采集方式，雖然運算量增加的許多，但在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)，S7-1200還是能夠出色的完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，反復(fù)試驗的效果也很好，用戶也認(rèn)可了此方案。如圖4所示，在每次中斷的時候，當(dāng)時的力矩以及對應(yīng)的位置都很被送入數(shù)據(jù)塊中。

                         圖4 運動位置及力矩的記錄

第三部分，當(dāng)測試工件往復(fù)一次運動之后，PLC需要將這次運動過程中采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機去，這本項目中采用的是TCP通信，PLC程序中調(diào)用的是TSEND_C功能塊，具體的連接參數(shù)設(shè)置如圖5所示

         圖5 TSEND_c 功能塊連接參數(shù)設(shè)置

在調(diào)用功能塊的時候，如圖6所示，只要設(shè)置好通信長度，以及發(fā)送數(shù)據(jù)塊的地址，當(dāng)需要發(fā)送時，用上升沿觸發(fā)發(fā)送請求即可。

               圖6 TSEND_c 功能塊的調(diào)用

上位機的VB數(shù)據(jù)處理程序的通訊部分，其主體就是利用 WinSock 控件與PLC建立通訊連接，并通過用戶數(shù)據(jù)文報協(xié)議 (UDP)或者傳輸控制協(xié)議 (TCP)進行數(shù)據(jù)交換。這兩種協(xié)議都可以用來創(chuàng)建客戶與服務(wù)器應(yīng)用程序。在運行時WinSock 控件只在后臺運行。本項目中我們使用的是TCP協(xié)議與PLC通訊。TCP是基于連接的協(xié)議，即數(shù)據(jù)傳輸前必須先建立連接，這也是上面提到的TSEND_C功能塊的主要功能之一。

具體通訊過程如下：VB數(shù)據(jù)處理程序通過PLC 的IP地址和的端口號，與PLC建立通訊尋連接。PLC在采集測試樣本往復(fù)運動一次的過程數(shù)據(jù)后，通過TSEND_C通訊功能塊將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機的VB數(shù)據(jù)處理程序。VB數(shù)據(jù)處理程序通過WinSock 控件在后臺接收到TCP數(shù)據(jù)包后，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)格式提取采樣數(shù)據(jù)，并將提取到的采樣數(shù)據(jù)保存成格式數(shù)據(jù)文件，同時這些采樣數(shù)據(jù)也被輸入到趨勢曲線顯示控件中，由趨勢曲線顯示控件把測試過程曲線顯示在屏幕上。除了系統(tǒng)自動保存規(guī)定的數(shù)據(jù)以外，用戶也可實時地手動保存任意一次的采樣數(shù)據(jù)。

項目結(jié)果

該項目是我公司*個以S7-1200為主控制器來實施的小型綜合性項目，實施以來，已穩(wěn)定運行1年多，達到了技改的目的，得到了用戶的認(rèn)可與好評，同時也充分體現(xiàn)了S7-1200*性能與可靠性。

應(yīng)用體會

高速數(shù)據(jù)采集及圖形處理一直都是單片機，PC數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，本次項目改造是西門子小型PLC在這個應(yīng)用領(lǐng)域的一次十分有益的嘗試，并且取得了很好的效果，開發(fā)周期短，產(chǎn)品性能可靠，工作穩(wěn)定，易于操作維護，適合批量生產(chǎn)，這表明隨著技術(shù)的不斷進步，以S7-1200為代表的小型PLC的技術(shù)能力又有了突飛猛進，*有能力在一些以前沒有涉及的新的應(yīng)用領(lǐng)域取得應(yīng)用上的突破，開拓新的應(yīng)用市場。

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