基于S7-300 PLC的多功能測控車
1 引言
近年來，隨著計算機技術的迅速發展，對科研實驗效果的要求也越來越高。在冶金行業中金屬塑性熱加工過程的研究中，要求能夠精確的測量實驗數據，同時又能對即將使用在生產線上的各種傳感器、執行器進行測控，以便對其性能進行評估，為最終安裝在生產線上能可靠運行提供保障。但被測量的信號或被控制對象所處的位置是不同的，如測量一個鋼塊在被加熱過程中，不同位置的點的溫度變化時，要在加熱爐附近進行。而測控一個伺服閥的性能要在液壓站附近進行，為此我們開發了一套可以對多種信號進行測量，也可以對某些對象進行閉環控制的測控車。
具體地說，此測量車可以測量壓力、扭矩、流量、速度、位移、電壓、電流以及鋼板溫度等信號。可以對伺服閥、液壓馬達、加熱爐、水幕(或集管)冷卻水的流量等進行閉環控制。
2 系統的硬件構成
整個測控車控制系統包括兩部分，即測量控制部分和數據處理及分析部分。測量和控制部分采用西門子公司S7-300系列PLC，選擇CPU-315-2DP作為控制器，與ET200組成PROFIBUS-DP網，以便于對分散的對象進行控制時減少接線。選用6ES7 331-7KF02多功能模擬量輸入模塊做信號采集，因為此模塊可以采集熱電偶信號，電壓信號和電流信號。模擬量輸出模塊選擇12位精度的6ES7 322-5HD01。
數據處理及分析部分采用為工業控制計算機，通過美國NI公司提供的PC-1500PFB PROFIBUS通訊卡，實現上位機與控制器之間的數據交換。軟件采用該公司的圖形化軟件LabVIEW7.0。硬件配置見圖1所示。
圖1 控制系統硬件配置
3 系統的功能原理
該測量車機械結構緊湊、移動靈活、接線方便。另外ET200M部分為一個單獨的控制箱，它與CPU之間只有一條數據線，因此可以放在與測量車有一段距離、靠近被控制點附近。
該測量車可以對被測量進行短時或長時間的測量，并將數據通過PROFIBUS總線保存在上位機中，之后對數據進行繪制各種曲線、擬合、回歸等處理，還可以打印報表等。可以快速地記錄閉環控制過程中的Setpoint值、Process Variable值、偏差值和PID輸出值，以便對被控對象的性能，控制效果等進行分析和評估。
該控制系統的硬件控制器為S7-300系列的CPU315-2DP，具有速度快、可構成DP網的特點。模擬量輸入模塊采用331-7KF02，該模塊通過改變其側面的4個小方塊的安裝方向，來改變所測量信號的種類，即電壓、電流、熱電偶信號。每一個小方塊控制兩通道，共8個通道。另外在STEP7的HardWare Config中，在331-7KF02的屬性里也要選定與小方塊指示相同的信號類型。在硬件接線方面，要將331-7KF02模塊的前連接器的第10、11腳短接，并連接到每個通道的負端。這樣才能正確地測量到信號。模擬量輸出信號選用322-5HD01，其輸出可以選擇電壓或電流量方式。
計數器選用FM350-2，具有8個通道。開關量輸入模塊為321-1BL00-0AA0，即32點，24VDC。開關量輸出模塊為兩種:一種是322-1BL00-0AA0，32點，24VDC;另一種是322-1HF01-0AA0，為8點繼電器輸出，可以直接控制電流較大的負載。
4 系統軟件
測量和控制部分的軟件為西門子公司的STEP7 5.2，該軟件編程直觀快捷，函數功能齊全，調試方便。軟件結構是根據不同的任務分為若干個子程序，通過上位機傳送的不同參數，或控制面板上的轉換開關來啟動相應的程序，如圖2所示。如在溫度測量的程序中，分為測量熱電偶的溫度mV信號和測量來自紅外線測溫儀的4～20mA電流信號，不同類型的信號，其標度變換將調用不同標定子程序。在控制部分中流量控制和位移控制也是不同的子程序。
圖2 系統軟件任務分配
上位機的軟件為LabVIEW7.0，通過PC-1500PFB PROFIBUS通訊卡于PLC交換數據。該軟件具有運行速度快，數據分析和數據處理的函數齊全，編程速度快，界面友好等特點。在人機界面中，對各種類型的測量和控制的試驗進行編碼，當操作者選擇了相應的實驗后，通過通訊將該實驗編碼及相關的參數一起發送到PLC中的特定DB塊中，PLC程序得到實驗編碼后進行初始化，然后等待操作者按下啟動按鈕，程序才能真正地運行。在測量和控制中采集到的數據以數組的形式存放在不同的數據塊中。上位機在傳送完實驗參數后，將運行數據接收子程序，將PLC中DB塊內的實驗過程數據獲得并存儲在上位機中，同時在上位機可以實時顯示這些數據。
該測控系統中包含了許多子程序，現將其中的2個為例說明編程思想。
4.1 增加、停止、減少子程序
增加、停止、減少子程序如下:
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
該子程序是利用開關量，以脈沖計數的方式產生數據。具體方法是利用2位自返回開關(左為減少，右為增加)，在每個調用周期中增加或減少一個數的方法產生數據，可以作為一個控制量的設定值。在調用該子程序時，將產生的數據限制在一個范圍內，就能方便的使用了，這樣使用開關量就能完成模擬量的設定。
4.2 數據采集標定公共子程序
在此程序中，只需要輸入測量值、該信號的工程量最大值和最小值，即可將數據轉換為相應的工程量值。編程的公式為:
Y_Real=(Y2-Y1)/(X2-X1)×(X_Real-X1)+Y1 (1)
其中，Y1、Y2分別為工程量的最小值和最大值。
數據采集標定子程序如下:
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 //計算的斜率值
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 軟件的調試
在軟件的調試過程中，要對有關組織塊的功能進行詳細的閱讀，以便合理地運用到自己的程序中，增強程序的容錯能力。如當系統中模塊或 I/O出現故障，CPU將會調用 OB85，并不會使整個程序停止。當出現DP網錯誤時，CPU將調用OB82。在這些組織塊中并不需要編程序，只要將其放在程序中。
另外SIEMENS公司提供的Step7模擬器對于離線調試程序具有很大的幫助。
5 結束語
該實驗車采用了穩定可靠、抗干擾性強的PLC系統和數據采集及數據處理具有絕對優勢的軟件LabVIEW，充分利用了二者的優點。該測量車的移動靈活，測控精確，人機界面友好直觀，數據處理方便迅速，可以應用到各個測控領域，具有良好的推廣價值。
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