西门子S7-200PLC在风洞天平校准系统中应用

引言
        天平校准的主要目的是获得被校天平所受载荷与各分量模拟信号输出的函数关系。所谓天平校准是指模拟天平的实际工作状态，对在平进行标定，检查天平的质量，鉴定天平的性能。加载系统是天平校准设备中不可缺少的重要组成部分。能否对被校准天平精确地施加校准载荷对被校天平进行精确校准的前提。
        据了解，国内外的风洞天校准设备，施加校准载荷的方式不尽相同，其中主要包括：净重加载、液压加载、气动加载和机械加载等。
        BACS-1500风洞天平校准系统的研制选取了净重自动加载方案，该加载系统包括加载头，砝码串及其拖动装置和滑轮及其传力钢带等几个部分。
1.工艺和实际自动化要求
        为了获得较高的加载精度，并通过定值递增和递减的阶梯加载检验被校天平的线性和重复性等性能，选用砝码净重加载方案，通过砝码串及其拖动装置和增量式编码器以及西门子PLC224CPU实现高精度自动加载。
        本加载系统采用自动加砝码的净重加载方案，通过15个独立的砝码串及其拖动装置对被校天平施加校准载荷。加载时，控制系统启动加载电机正转，通过蜗杆／蜗轮，螺母／丝杆传动机构使砝码托盘向下运动，使位于托盘上的一串砝码自上而下逐个悬挂在加载杆上，实现加载的目的。当控制电机反转时，托盘将悬挂在砝码杆上的砝码自下而上的逐个托起，使其与加载杆脱开，实现卸载的目的。

2.加卸载控制系统
2.1 加卸载控制系统概述 
        自动加卸载是通过三相交流电动机（AO5624）经蜗轮/蜗杆、减速器使丝杆转动托盘上（卸载）下（加载）移动来实现的。通过选择合适的传动比和电机转速，获得合适的加载速度。并接在加载电机轴杆上的增量式编码器通过高速计数器以脉冲方式传给PLC224CPU，经比较运算后提供给控制系统作为自动加载的控制信号，实现自动加载的目的。
2.2 系统硬件配置
        加卸载控制电路主要包括：空气开关、西门子PLC及扩展模块、继电器，电机三相灭弧器、保险端子等……本系统应用PLC高速计数器功能，选择模式9（A/B相正交计数器）并初始定义计数器（HSC0，HSC1，HSC2，HSC4），由于一台PLC最多只能控制4台电机，15台电机可由4台PLC224控制。以一台PLC为例，每个PLC224CPU扩展了两个模块EM221，具体输入点如下：

2.3 程序编制
2.3.1 上位机程序编写
        由于开发环境为具有可视化功能的VB，上位机可以通过PLC控件PLC_COM方便的对PLC寄存器进行读写。很方便的做到数据的给定和反馈值的显示。具体系统方框图如下：
串行通讯口的设置
语法： object.Setting Port_Seting As String, Port_No As Integer, PLC0_ID As String, PLC1_ID As String, PLC2_ID As String, PLC3_ID As String, Step_Time As Integer, Wait_Time As Integer
Port_Seting ——串行通讯口的设置。 若9600 波特，无奇偶校验，8 位数据，一个停止位则Port_Seting="9600,n,8,1"
　　Port_No——串口号 MSComm1.PortOpen = True
　　PLC0_ID
　　PLC1_ID
　　PLC2_ID 可编程控制器编号："11" "12" "13" "14"
　　PLC3_ID
　　Step_Time ——从可编程控制器读数据时，可编程控制器间的间隔。应不小于70ms
　　Wait_Time——超时等待时间（ms）。
　　● 往可编程控制器写数据：
　　object. .No0_Write=string 往0#可编程控制器写数据string
　　object. .No1_Write=string 往1#可编程控制器写数据string
　　object. .No2_Write=string 往2#可编程控制器写数据string
　　object. .No3_Write=string 往3#可编程控制器写数据string
　　string中必须存有偶数个字符
　　● 从可编程控制器读数据：
　　通过object. .No0_Write="1" 往0#可编程控制器发出"1"后，能产生COMMOK事件。
　　该事件中的 a——存有来自0#可编程控制器的40个字符
　　b——存有来自1#可编程控制器的40个字符
　　c——存有来自2#可编程控制器的40个字符
　　d——存有来自3#可编程控制器的40个字符
2.3.2 PLC程序的编写 

        西门子S7-200系列PLC 具有自由通讯口，可由用户自主编制通讯协议及相关通讯程序，由于控制程序量较大， 并且通讯程序占有PLC有限的内存，因此通讯程序必须简洁高效。在本控制器中，PLC始终作为从机，通过编程电缆（RS232转RS485）与上位机通讯，根据上位机发出的各种指令进行应答。通讯协议中，@表示起始字符，$表示结束字符，变量类型中W表示字型，B表示字节型，采用ASCⅡ码。在接收后再将ASCⅡ码转换为实际数据。
       高速计数器都设为A/B脉冲正交计数器工作模式，对采用增量式编码器来进行位置控制有点难度，需要每次计数器采回码值都要存储到PLC内部寄存器，在下一次启动PLC时再把寄存器内的数值储存回计数器中。这样增量式编码器可以作为绝对式编码器使用，方便控制，而且运行可靠。

       增量编码器的信号与PLC高速计数器连接，检测托盘位置。程序编制时，将高速计数器（HSC0、HSC1、HSC2和HSC4）初始化为模式9，即为A/B脉冲正交计数器。为提高分辨率，高速计数器都设为4X模式。
2.4系统保护 
        在系统保护方面，系统在软硬件都加了严密的保护，软件方面，不但在输出触点设置互锁保护而且在输入触点也进行互锁和连锁保护；硬件方面，在托盘的运行轨迹上下两个端面装有行程开关，起到限位和保护作用。在控制柜控制电路中，增加了单项电流为2A的保险丝的保险端子，和总电流20A的三相空气开关，对电机的过流提供了保护，可对电机在缺相的情况下提供保护；除此还在电机输入端并有电机三相灭弧器防止电机打火；总而言之，该系统在保护方面的工作是非常完善的。
3 系统调试结果
        本套系统在2004年2月底正式投入使用，位置控制量程为350mm,k控制精度为 △e（k）≤0.1mm 。由于砝码串之间的距离是固定的，只要在每更换一个待校天平时，记下0串砝码的码值，就可以实现高精度位置控制。
天平校正台砝码串加载系统运行两个月以来，故障率为零。加载一串砝码的时间大约需要0.3秒，系统可以同时控制15台电机同时加（卸）载，实现了高度的自动化操作。
4 结束语
        天平校准台的测控系统是天平校准中的重要组成部分，现在已投入使用在天平校准中，该系统软件实现了校准的自动化，降低了工作者的劳动强度。系统中通过串口与西门子PLC通讯，通过高精度位移计测量装置进行信号测量及优化的复位控制算法，使整个系统稳定，精度各方面得到明显的提高和改善，充分满足了天平校准的要求，该系统采用了模块化结构，更便于维护，操作界面简单、朴素，便于操作者使用。
        本控制系统充分发挥了西门子S7-200PLC的优异性能（1.程序编写方便，指令丰富；2. 性能价格比高，各项性能指标均有提高；3. 结构紧凑；4. 可靠性大大提高。），并极大的降低了系统成本，投入运行后，证明具有可靠性高、控制精确、操作简单等特点。 
        系统证明：用多台PLC编成分布式控制方式是一种既经济又可靠的模式。

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