西门子6ES7314-6CH04-0AB0型号介绍

一、概述

本机是将兔毛原料未经改性处理，直接进行开松、梳理，制成一定支数的毛条，具备抱合力大和加有真捻等特点，并由纺纱机（FNT-28型兔毛纺纱机，专利号:9424N73-4）纺制成各种规格支数的细纱。本机是国家发明专利产品（专利号:），“八五”国家星火项目，同时又被国家科委列为“九五”国家科技成果重点推广计划项目。

本机电气部分采用继电器控制系统，动力驱动由三相异步电动机来完成。该控制系统有三点不足:

1、继电器线路接线复杂，功能单一。 继电器接触控制系统的逻辑部分由许多继电器;按某一固定形式连接而成，若工艺流程发生改变，则需要改变继电器控制系统的接线，才能满足新的工艺流程要求。工人实际操作和维修复杂，易出故障;

2、可靠性不高，控制精度不够，这就势必影响了出条支数、出条定重;

3、继电器控制柜的体积大，占用了较大的生产空间，影响了工人的操作。

因此有必要对本机的控制系统进行改造。近年来，随着科学技术的飞速发展，步进、伺服电机的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。而且随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。

二、控制方案的确定

由于步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制系统和计算机控制系统。而可编程序控制器（PLC）是一种适于工业现场控制的，由单片计算机（CPU）、外围大规模集成电路（LSI）、系统软件及I/0接口等构成的新型控制器，用户通过软件设计，可实现以往难以实现的各种复杂逻辑控制。与通用PC机或单片机构成的系统相比，PLC具有可靠、抗扰能力强、编程简单等优点，已成为替代传统继电接触器控制线路的升级换代产品。因此，本系统采用可编程控制器（PLC） 为控制核心，步进电动机为执行元件、红外光电传感器为检测元件的新型系统，实现了兔毛梳理机的计算机数字控制。

三、控制系统的实现

1、系统组成

PLC选用日本松下FP0 PLC，共8点输入（X0~X7）,8点输出（Y0~Y7），主要控制主电机Motor1和毛斗步进电机Motor2的工作状态和转速;步进电机选用两相混合步进电动机，步距角1.8°/STEP，用于驱动主机和毛斗;步进电机驱动器选用DMD402，电源电压DC14V~40V，其作用是根据PLC的控制指令对电机实现脉冲和方向控制。

2、系统工作原理

FP0系列PLC除具有一般逻辑控制与运算功能外，还具有高速计数输入（*大10kHz）、PLS脉冲直接输出、SPD位置控制、PWM脉冲输出等特殊处理功能，用于步进电机的速度控制或位置按制十分方便。

PLC输出口Y0、Y1以脉冲速率方式输入步进电机驱动器的Pulse bbbbb端，控制梳理机主电机和毛斗电机转速和位移。PLC输出口Y2、Y3以方向信号输入到驱动器Directional bbbbb端，控制梳理机电机的转向。输出点Y4、Y5是步进电机复位信号RST，每次开机对步进电机驱动器清零。PLC输入点X0以梳理机喂入量斗处的红外传感器作为输入信号，可调节喂入量斗的喂毛量。X1、X2作为步进电机的启动信号，X3作为步进电机复位信号。X4以为位置传感器作为输入信号，检测梳理机是否复位。可以利用当需要手动操作时，可通过PLC的手动输入信号X5、X6，以点动方式按制电机的正转或反转。控制关系为:X5=ON，电机正转;X6=ON，电机反转。

四、控制系统软件设计

利用FP0 PLC提供的高速脉冲处理指令、逻辑控制指令、算数运算指令及一些特殊功能指令，可较方便的实现对步进电机的升/降速、恒速及正/反转的运行控制，尤其用PLS-脉冲输出指令和SPD-位置控制指令，可使步进电机达到不失步的升/降速与恒速运行。

五、小结

以PLC和步进电机为主构成的数字式兔毛梳理机控制系统的研制成功，为兔毛梳理机在生产与应用环节的工艺参数的调整，提供了保障。采用本控制系统的兔毛梳理机各项指标:适纺原料范围:兔毛（高比例）;条干重量不匀率:1.5％;生条可纺支数:8～60公支;脱毛量:1～mg/100cm2;兔毛制成率 ≥95％;出条定重:0.125～1g/m;台时产量:0.3～2kg/h。此外，系统具有控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点

现代工业自动控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。利用现场总线技术，将符合同一标准的各种智能设备统一起来，彻底实现整个监测系统的分散控制，将提高系统集成度和数据传输效率、延长有效控制距离，并有利于提高系统抗干扰性能和扩展系统功能。在运动控制中，伺服电机以其响应速度快，控制精准等优点以被更多的客户所选用。如果把总线通信与伺服控制技术统一起来，将推动运动控制技术以及设备远程监控技术的发展。MODBUS作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商PLC、智能I/O与A/D模块具备MODBUS通讯接口。本文在阐述MODBUS通信协议的基础上，构建了基于MODBUS的伺服电机运动控制。

一、MODBUS总线控系统的技术特征

MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议，它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”（Master）和“从站”（Slave），数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准MODBUS网络时，信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式，描述了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。

由于MODBUS总线系统开发成本低，简单易用，并且现在已有很多工控器、PLC、显示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准。通过MODBUS总线，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。

MODBUS*初为PLC通信而设计，它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应。

1、MODBUS通信格式

MODBUS协议定义了两种传输模式，即RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送，而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送，如发送字符“20”时，采用RTU模式时为“00100000”，然而采用ASCII模式则成为“00110010”＋“00110000”（ASCII字符的“2”和“0”）。可见，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ASCII；通信数据量大而且是二进制数值时，多采用RTU模式。 

数据格式：地址码 功能码 数据区 错误校检

数据长度： 1字节 1字节 N字节 16位CRC码（冗余循环码）

主站一次可向一个或所有从站发送通信请求（或指令），主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为：从站地址、功能码、数据域（数据起始地址、数据量、数据内容）、CRC校验码；从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。MODBUS除了定义通信功能码之外，同时还定义了出错码，标志出错信息。主站接收到错误码后，根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。 

MODBUS部分功能码

功能码   定 义              操 作（二进制）

02       读开关量输入       读取一路或多路开关量状态输入数据

01       读开关量输出       读取一路或多路开关量输出状态数据

03       读寄存器数据       读取一个或多个寄存器的数据

05       写开关量输出       控制一路继电器“合/分”输出

06       写单路寄存器       把一组二进制数据写入单个寄存器

10       写多路寄存器       把多组二进制数据写入多个寄存器

2、CRC校验的实现 

MODBUS通信的RTU模式中，规定信息帧的*后两个字节用于传递CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR（异或）计算，即可得到2字节的CRC码，并把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的CRC码的双字节比较，如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从站将发送CRC错误应答。 

RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法，CRC-16的校验码为16位（2字节），其中低字节在前，高字节在后。实现CRC校验有两种方法：根据CRC校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立CRC校验值表。在程序中使用前者更容易实现，这里需要使用CRC生成多项式X16＋X15＋X2＋1。该多项式对应的码组系数为18005H（16进制），去除*高位，对应的16位余数为8005H，即为CRC-16常数。CRC-16校验过程如下：将CRC寄存器的每一位预置为1；把该寄存器值与8bit的信息帧数据进行异或，结果存于该寄存器；对CRC寄存器从高到低进行移位，在*高位（MSB）的位置补零，而*低位（LSB，移位后已经被移出CRC寄存器）如果为1，则把寄存器与CRC-16常数进行异或，否则如果LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8bit数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为*终的CRC值。CRC添加到消息中时，先加入低字节，然后高字节。 

3、链路特征 

MODBUS标准的物理层可以采用RS-232串行通信方式，但在长距离通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多点通信情况下只采用RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系统采用屏蔽双绞线，通信距离可达1000m。一条总线上*多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的，即同时只能有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从站回应，从而避免了线路的冲突。 

RTU模式的传输格式是1个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数CRC-16码保证。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。 

二、松下PLC MODBUS控制的实现

松下PLC支持modbus协议，只需要在选项、PLC系统寄存器设置、COM1口设置中站号设成1，通讯模式设为MODBUS RTU，通讯速率和通讯格式与05驱动器的设置保持一致。设置完成后可通过F145 SEND指令实现与05的通讯。

例：

F0    MV ， H2      ，DT10    （发送2个字节）

F0    MV ， H1002   ，DT11    （通过1号COM口向2号站发数据）

F145  SEND， DT10    ，DT4     ，DT0    ，K1282

（把DT4，DT5的两个字节通过COM1发送到2号站的K1282地址）

三、施耐德05A伺服驱动器的配置

首先过驱动器的HMI面板把控制方式设为modbus模式，把波特率、通讯格式设置成与PLC一致。

某工厂制冷控制系统包括冷却塔风机/水泵控制系统程序、冷冻水/冷却水循环泵控制系统程序、控制系统采用西门子S7-200CPU，触摸屏采用西门子K-TP178,接口模块采用UniMAT模块，西门子S7-200系统扩展模块扩展能力有限，无法满足多点数控制系统，UniMAT具有高密度、高精度扩展模块，解决了由于多点数时西门子扩展模块无法完成的系统功能，这样的系统配置经济、实用性能高。 

　　控制说明 

　　控制系统分为三部分：一号机组、二号机组、三号机组，一号机组和二号机组的控制要求相同，实现对工厂生产线供应冷却水。三号机组控制为一号机组和二号机组供应冷源。 

　　一号机组和二号机组自动控制说明：通过循环泵频率的控制，保证管网压力的稳定，系统中两台水泵为一用一备，当一台故障时，自动切换到另一台。72小时定时轮换功能,供水压力可以自由设定。一台水泵不能满足压力的时候，另一台水泵自动投入。压力高的时候，自动退出，实现自动增泵和减泵的功能。通过供水温度控制三通阀的开度，实现供水温度恒定。根据水箱液位、管网压力报警、供水温度设置，实现报警和保护停机功能。 

　　三号机组触摸屏使用说明：在三号机组系统中的测量值：冷却水供水压力、冷却水供水温度、冷冻水供水压力、冷冻水供水温度。系统冷冻水循环泵（两台：一用一备）、冷却水循环泵（两台：一用一备）、制冷机（两台：一用一备）、 冷却塔（两台：一用一备）运行时，对应的图形显示由浅灰色变为深灰色。该系统完成对制冷管网的保护作用，并通过触摸屏上的按钮实现系统的启动和停止功能，系统中互为一用一备的设备，当一台故障时，自动切换到另一台。72小时定时轮换功能。