西门子模块6ES7315-7TJ10-0AB0

PLC主要面向生产现场，具有使用方便、可靠性高和抗干扰能力强等优点。PC机直接面向用户，在数据处理、图像显示和打印报表等方面具有显著优势。将PC机与PLC以上、下位机的形式联合起来应用，可以更有效地发挥各自优势，互补应用上的不足。

    LabVIEW是美国NI公司开发的一个基于计算机的虚拟仪器开发平台。强大而灵活的仪器控制功能是LsbVIEW区别于其他编程语言的主要特点，LabVIEW在数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等领域有着广泛的应用。

1 系统硬件构成

    三菱FX系列PLC自带的编程口是RS-422接口，而PC机的串行通信口则是RS-232C接口，两者之间需要通过SC-09适配电缆才能通信。不同设备上相同类型的通信接口的引脚定义可能存在差异。PC机与三菱FX系列PLC上的通信接口引脚定义如图1所示。

图1 接口引脚定义

    RS-422和RS-232C是两种不同标准的串行数据接口，两者的主要差别在于信号传输方式不同。RS-232C标准利用信号线与公共地线之间的电压差进行信号传输，采用的是单向传输方式；RS-422标准则是利用传输线之间信号的电压差进行传输的，采用的是差动传输方式。SC-09电缆实现了这两种不同的信号传输方式之间的转换，其内部电路如图2所示。

图2 SC-09电缆内部电路

2 通信协议

    PC机与PLC之间有两种通信方式：一种是PC机具有优先权而PLC始终被动响应Pc机发来的命令；另一种则是PLC具有优先权，将命令发送给PC机，并接收来自PC机的响应。本文采用的是前一种通信方式。

    为实现Pc机与FX系列PLC编程口之间的通信，系统采用的是编程口专用通信协议。

2.1 控制字符

    在PC机与FX系列PLC的串行通信中，数据是以帧为单位发送和接收的。其中，控制字符ENQ(05H)、ACK(06H)和NAK(15H)可以构成单字符帧心1，其余的字符帧在发送或接收时都必须用控制字符STX(02H)和ETX(03H)分别作为该帧的起始标志和结束标志。

    各控制字符的意义如表1所示。

表1 控制字符意义

2.2 命令代码

    PC机对PLC相应软元件的操作是通过“0”、“1”、“7”、“8”四个命令符来实现的，各命令符的含义如表2所示。

表2 命令字符含义

2.3 命令帧

    一个完整的命令帧由控制字符STX(02H)、命令码(CMD)、数据段、控制字符ETX(03H)以及和校验码五部分组成。其中，和校验码是从命令码到控制字符ETX的所有字符的ASCII码(十六进制)相加所得结果的*低两位数。

    ①PC机“读”命令帧

    “读”命令帧由报文开始标志、命令码、软元件首地址、软元件数据长度(字节数)、报文结束标志以及和校验码组成。

    当通信正确时，PLC返回的应答帧由报文开始标志、数据段、报文结束标志以及和校验码组成；通信出错时，PLC应答“NAK”。

    ②PC机“强制ON”命令帧

    PC机“强制ON”命令帧由报文开始标志、命令码(37H)、软元件地址、报文结束标志以及和校验码组成。接收命令正常时，PLC应答“ACK”；接收出错时，PLC应答“NAK”。

    ③PC机“强制OFF”命令帧

    PC机“强制OFF”命令帧由报文开始标志、命令码(38H)、软元件地址、报文结束标志以及和校验码组成。接收命令正常时，PLC应答“ACK”；接收出错时，PLC应答“NAK”。

    ④PC机“写”命令帧

    PC机“写”命令帧由报文开始标志、命令码、软元件首地址、软元件数据长度(字节数)、待写入软元件的数据、报文结束标志以及和校验码组成，如图3所示。写入正常时，PLC应答“ACK”；写入出错时，PLC应答“NAK”。

图3 “写”命令帧

3 LabVIEW程序设计

    在LabVlEW编程中，系统利用虚拟仪器软件规范VISA(virtual instrument software architecture)实现串行通信。VISA本身并不具有仪器编程能力，它通过调用相应设备驱动器的高层应用程序编程接口(API)进行编程。

    首先对端口进行配置，然后发送“ENQ”信号给PLC请求通信，在收到PLC返回的“ACK”信号后，PC机连续对PLC进行“读取”和“写入”操作，通信结束后关闭端口。PC机和PLC串行通信的程序结构如图4所示。

图4 串行通信程序流程图

3.1 串口初始化

    串口按照Fx系列PLC的标准通信参数进行配置：①波特率为9 600 bit／s；②数据比特为7位；③奇偶校验方式采用偶校验；④停止位为1位。

3.2 请求通信

    开始通信时，PC机发送“ENQ”指令查询PLC是否准备好，同时也检查PC机到PLC的连接是否正确。当接收到字符后，若PLC处在RUN状态，则要等到本次扫描周期结束时才应答；若PLC处在STOP状态，则马上应答。通信正常时，PLC应答“ACK”；通信出错时，应答“NAK”。

3.3 读取PLC软元件状态

    程序首先通过VISA写入节点发送命令字符“0”读取PLC相应软元件的状态，然后VISA读取节点获得PLC返回数据。写入和读取的字符串都是十六进制形式的。通过对读取的字符串的拆分可获得相应软元件每一位的状态，从而起到监视PLC的作用。

3.4 数据写入PLC软元件

    程序首先通过VISA写入节点发送命令字符“1”对相应的软元件进行写入操作，然后VISA读取节点获得PLC返回的应答帧，若写入正确，PLC应答“ACK”；若写入错误，PLC应答“NAK”。将写入数据传送至PLC软元件所对应的地址，即可对软元件的任意位进行实时操作。数据写入PLC的程序框图如图5所示。

图5 数据写入PLC的程序框图

3.5 关闭串口

    通信结束后，需使用VISA关闭节点关闭串口设备，否则程序会一直占用串口资源，导致其他程序无法访问。

4 结束语

    以PC机和PLC分别构成上、下位机的监控系统在工业控制中应用广泛。本文通过编程口直接实现三菱PLC与PC机之间的串行通信，无需使用通信模块，既节省了成本又简化了系统，具有较大的实用价值。同时，结合相关硬件，本文以LabVlEW作为开发平台设计了相应的通信程序。实验结果表明，该通信方式方便简单、稳定可靠，具有广泛的应用

自动化系统的需求 

当前，消费者更多地要求生产“链式袋子”。（“链式袋子”是指包装袋内充填好产品、袋与袋之间通过打孔方式与相邻袋子彼此串联但方便分开的一种软包装形式。）因此，OEM设备制造商将面临更大的挑战。包装袋的充填量取决于正在被称重子设备称重的成品袋。在包装机称重环节产生的错误，意味着一个包装袋可能被充填为正常充填量的两倍，或者根本不充填。这类充填错误的包装袋在串袋中很难被辨别。 

针对包装袋的充填精度问题，包米勒提供的自动化解决方案如下： 

当产品从充填机构内下落时，它的下落时间可以通过死区时间补偿的方法，在其下落前预先计算出来，而死区时间的补偿基于薄膜的速度和加速度。即使在包装袋薄膜加速减速期间，高精度的时间预算也是可以实现的。通过死区时间补偿的方法控制充填过程中充填过量或漏充填的问题，不会产生物料浪费，用户也不再需要进行手工充填。另外还在很大程度上提高了时间效率，减少了系统由于等待物料而造成的时间浪费。

在为连续式立式袋成型、充填、封口机提供自动化解决方案的过程中，包米勒自动化系统还可以让以下动作得到完美的实现： 

横封架机构两端的封口钳同步水平移动，采用包米勒Crosscutter软件模块； 

在返回到初始位置之前，横封架机构与卷膜一起垂直移动并与卷膜保持同步，采用包米勒Flyingsaw软件模块； 

Crosscutter模板与Flyingsaw模板的数学模型非常成熟，这些运动能确保尽可能地减小机械冲击以及突变的加速减速，以达到平滑运动的目的； 

CamSwitch软件模块的功能在与伺服运动控制的配合下，*大程度地保证了数字量输出的快速响应，节省了系统等待的时间。

具有优势的平滑运动 


在反向的Flyingsaw运动路径中，运动轨迹在换向中相对传统技术做了很大的改进，以减少机器的磨损和噪音。在此过程中，时间的控制达到了*优化，运动也一直在*合适的速度和加速度中进行着。即使在方向改变时，运动也从不停止，这将产生一个流畅的平滑运动。 

上图显示了包米勒的Flyingsaw运动曲线（左侧），右边为一个竞争同行系统的案例（在回动点即运动轨迹开始反向的位置，加速或减速变化存在着突破而非平滑过渡）。包米勒系统的换向运动减少了冲击，电机在反向运动时加速减速可以平滑过渡，能够实现更小的机械磨损和更高的机器速度。 

脱模功能 

包米勒VFFS模板还扩展了横封架机构的标准运动类型，其中包括脱模功能。现在，脱模子设备已经被广泛地配套安装到横封架机构的封口钳上方。横封架机构将执行一个脱模运动，该运动可以将产品的残渣从卷膜即将封口的区域中去除。 

对横封架机构的控制 

横封架机构的运动可以在任何时候、根据整个操作过程的需要、通过b maXX-HMI人机界面进行动态的修改。甚至，客户可以在机器运行过程中对封装时间进行修改，而横封架机构的*终位置能够被自动地判断出来。 

包米勒现在已经开始使用DSD电机来执行横封架机构的无冲击连续运动。这种方式不仅可以使横封架机构具有高动态特性，而且该款伺服电机的加速能力更加卓越。 

触摸屏的设置 

在操作期间，在成型、充填、封口袋包机上的软件模板功能，均可以通过包米勒的b maXX-HMI 40触摸屏进行设置。所有运行过程的参数能够随时被修改，而且立即生效。比如，袋长范围可以在很大程度内被设置和调整；封口时间和基于色标的封口位置可被动态地调整；运动轮廓能够在运行过程中被修改；在机器操作期间，机器的运行速度可被动态地进行修改。 

驱动级PLC的控制功能 

b maXX系列的驱动级PLC，是一个基于驱动的PLC控制器，能够快速地访问驱动，并且能够同步地作用于正在持续运行伺服轴的机器中。此外，在接线方面，在驱动中集成的PLC也大大节约了控制柜中的空间。 

驱动级PLC的控制功能还包括了： 

色标检测； 

打码功能； 

对放卷单元进行张力控制； 

薄膜滑差清除的slip控制； 

横封架机构封口钳的温度调节。 

软件模板在成型、充填、封口机械上的优势 

软件模板在成型、充填、封口机械上的优势包括了： 

用户无需了解运动控制的专业知识，就可以完成卷膜的放卷输送、包装袋的封口和充填等功能； 

袋包装的整个生产过程可以通过软件功能块的方式进行控制； 

模板的功能化将使缺省的硬件和软件架构升华到机器概念的高度，并使这样的转变非常简单； 

用户的工程费用被*小化，产品进入市场的进程极大地加速了； 

可以提供给用户机器独立功能块的理念