西门子PLC模块6ES7511-1TK01-0AB0型号规格

1 引言

　　工业燃烧过程所释放出的烟气是现代城市大气污染源，烟气检测是大气环境检测中必要的项目，它是确定重点污染源并对污染源进行检测和控制的基本手段。为了控制燃烧过程的燃烧空气比，提高燃烧效率，节约能源，减少大气污染，必须可靠地测量烟气中各种气体的含量。本文针对烟气分析，介绍了一种基于Inbbb单片机的智能仪器监控平台。

2 监控平台的硬件结构设计

　　硬件配置应针对分析检测器的不同组合方式可在各模块中选择，如该平台用于二组分分析时，则只接入两路的操作回路和信号回路，其他两路不接，由于硬件模块的独立特性，配合软件的系统参数设置功能，系统完全可以正常工作，未接入的回路对工作回路不产生影响。监控平台的硬件结构如图1所示。

图1 监控平台硬件结构图

3 各功能模块硬件详细设计

　　3.1 单片机的选择与存储器模块设计

　　智能仪器的核心是单片微机，其性能对整个嵌入系统性能有重要影响。选择时既要考虑到工业应用的背景、功能具有一定**性和高可靠性，又须满足分析仪器多品种、小批量的功能平台要求，易于开发移植和更新换代。为此，确定Inbbb公司的80C196kc芯片作为分析仪器信息处理单片，构造便携式仪器监控平台。

　　本监控平台选用的是ATMEL公司生产的32k字节的闪速存储器29C256，工作电压为5v，一旦工作电压低于3.8V时禁止编程功能。它既有SRAM的速度和易擦写性，又能像EEPROM那样掉电后保持数据和在线可写特性，具有读写功能，掉电下可保存数据。硬件设计方法如图2所示。80C196kc的P4口作为地址的高位使用，P3口作为地址的低位和8位数据线分时使用，74LS373用于低位地址锁存。

图2 存储器硬件电路设计

　　3.2 A/D采样及数据处理模块

　　80C196kc片内A/D模块共有8路采样通道，精度为10位（其中可靠精度为8位），本监控平台已用其中两路：其中一路用于热电偶测温，若检测到热电偶通道电压异常，即报警提示热电偶开路;另一路用于仪器电池电压检测，检测结果通过液晶显示器显示，便于用户随时了解电池电量，以免电压过低对传感器造成损害;其余六路待用。片外选用的是MAXIM公司生产的12位A/D采样芯片——MAX197，负责完成6路不同传感器的信号采样及环境温度、烟气温度的检测。该芯片是28脚的双列直插封装，工作电压为5V，有8个模拟输入口，完成一次转化的时间为6μS。

　　由于经分析仪器传感器转换后的电信号是0～1V，显然不能用内部参考电压模式进行采样，所以系统选用外部参考电压方式。但是作者在实际使用中发现，外部参考电压不能过低。试验表明，当外部参考低于1V时，在输入的模拟量在90 mV以下时，采样的结果明显不准确，有很严重的非线性，甚至出现明显死区。所以监控平台在传感器与A/D采样芯片之间加入了放大器，将传感器传给A/D采样芯片的信号放大至0～2V，通过计算可知此时的外部参考电压VREF=2/1.2207=1.6384V，事实证明这种方法起到了良好的作用，A/D采样芯片发挥了良好的性能，满足了监控平台的要求。

　　3.3 LCD液晶显示模块

　　LCD液晶显示器是人机界面的重要窗口，也是本监控平台的特色之一，本平台所有人机交互功能皆通过LCD结合键盘完成。键盘采用的是2×4触摸按键设计，占用CPU的6个I/O口，其中一个按键与仪器启动电路相连，成为该分析仪器的启动键。液晶显示器采用的是240×128点阵式大屏幕宽视角液晶显示器（LCD），显示模块的外部接口引脚共有21个，其中Pin18脚为显示字符的字体选择引脚，接高电平则显示的字体为8×6，接低电平则显示的字体为8×8。该液晶屏内置驱动器T6963C及周边电路，具有硬件初始化功能。

　　LCD的Pin4脚为显示区域对比度调节管脚，接入电压可以在-6V～18V之间调节。本监控平台选用MAXIM公司生产8引脚双列直插封装的MAX749芯片来提供液晶屏的辉度调节的震荡电压。该芯片是专为LCD对比度电压调节而设计的，其输出电压具有良好的可调性，可以通过数字控制、电位调节、PWM控制工三种方法实现。起工作电路如图3。

图3 MAX749工作电路设计

　　3.4 红外打印及串口通讯模块

　　根据红外打印协议，打印模块硬件部分主要由红外物理层包括红外收发器及编解码硬件电路实现。其中物理层编解码采用了惠普公司红外3/16的编解码芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脉冲模式收发信号，可对波特率编程。红外收发器采用安捷伦的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，高传输速率可达4Mbps,连接距离大于1.5米且耗电较少。考虑到单片机80C196kc的串行接口要用于数据通讯,所以改用HSO、HSI实现红外打印的类串口数据输出输入。由于80C196kc和hp7001的接收发送脚都是TTL电平，可直接相连，无需MAX232等电平转换芯片。考虑到9600bps是红外通讯协议的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps进行通讯。

　　串口通信使用了80C196kc的串行数据接口，采用RS-232方式，由MAX232实现串行信号的电平转换。采用8位数据位、一位停止位、无奇偶校验位的传输方式，提供4800、9600、19200三种波特率供用户选择，以适用于计算机通讯的需要。通讯时只需用在仪器与计算机之间用串口线连接，运行相应程序，即可完成数据的传输。该通信只传送已存入flash中的历史采样数据，多一次可传送40组数据，每组数据均包括所有采样参数、计算参数及数据存储时的系统参数（如日期时间、燃料类型等）。

　　3.5 电源启动及转换模块

图4 电源启动及转换电路

　　由于便携式分析仪器采用蓄电池供电，减少整机电流和待机电流、降低损耗变得极为重要。传感器部分的工作电压为12V，而单片系统采用5V供电，因此，控制平台选用了直-交-直变换模块完成电源转换。选用XR031电压转换模块，其转换效率达80%。启动电路采用CMOS芯片，组成带施密特整形的flip-flop电路，由仪器键盘上的启动键控制开、关机。关机状态下电池仍对该部分电路供电，其电流极小，约为4～8微安，工作状态下CPU内部A/D采样模块对其进行电压检测，当电压低于设定时，置输出端口为有效电平，该电平经微分电路产生+12V尖脉冲触发flip-flop电路翻转，实现强行关机。本监控系统正常工作时功耗电流为50～60mA（LCD背光关闭，不包括泵电流），整机电流大为140mA（LCD背光开启）。电源转换及启动硬件设计如图4。

　　3.6 时钟模块

　　本次设计采用了一块实时钟芯片DS12C887，它是微机中常用的时钟芯片。该芯片是24脚双列直插封装的一个集成组件，组件中包含石英晶体、锂电池、实时时钟、日历时钟、报警时钟、和128个字节的RAM，其中15个字节用作实时钟的控制寄存器，其余113个字节可作普通RAM使用，其中数据也可以十年不丢失，DS12C887的年月日、时分秒等信息都放在内部寄存器中。

4 监控平台的软件设计

　　监控平台的软件系统采用C程序设计，使用C96编译器，版本为5.3版。尽管该编译器占用程序空间比汇编语言编译器大，但程序开发周期大大减少，调试效率及可读性均明显优于汇编语言，且原程序可更加方便地移植于其他型号芯片中，便于产品的更新换代。

　　本监控平台软件系统为多任务实时操作系统，主要分为人机界面、串口通讯、数据处理、红外打印、操作控制五大功能模块，软件结构框图如图5所示。由于系统采用模块化设计，各模块自成体系，可独立调试，有利于系统集成也便于形成其他分析仪器的监控程序。本软件系统支持中英文两种版本的界面供用户操作选择，其LCD显示页面达60多个，字库汉字超过250个，编译后程序代码约为52Kb。

图5 软件系统设计

　　整个软件系统使用超循环系统（Super-Loops）结构，应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成规定的操作，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理，这部分可以看成任务级处理。中断服务程序处理异步事件，这部分看成中断级处理。本系统包括A/D采样、HSO实时中断、HSO事件中断、串行通讯等模块，为保证实时性，中断服务程序只包含标志处理，其隐含功能如采样值的滤波，HSO事件排队均由任务级处理。实时多任务按任务级别分类处理，在各界面处理模块中均包含时间事件处理模块，以确保定时事件处理。

本文作者创新点：

　　强大的CPU和良好的模块性使本监控平台的研究为智能分析仪器提供了具有ARC功能的设计平台，通过软硬件模块的选择可基本实现各种不同需求的组合式分析仪。系统提高了分析仪器本身的自动化水平，分析仪器的自动校准和诊断。

、设备的要求

　　圆网印花机是一种使用圆形镍网，在白色坯布上连续印制各色图案的专用加工设备。适合印一些比较小的分布有规律的图案。工作原理类似套色印刷机，每个圆形镍网套印一个花色。圆网印花整机包括进布、印花段、烘房、落布这四大部分。

　　印花段是由主电机带动一个辊子，辊子带动厚2mm多的氨脂导带转动。由直径较小的被动辊拉紧导带，使辊子与导带间无打滑，导带在两辊间形成一平面，坯布贴紧导带经由色网到后一色网。后进入烘房将布烘干。只要圆网与导带速度同步，且各圆网间相位没有误差，就能保证在高速运动中达到较高的印花精度（0.1mm~0.05mm）。早期的圆网印花机是通过1：1的机械减速箱长轴传动方式来同步导带和网子，机械传动间隙和磨损对印花精度直接影响。

二、技术分析

　　导带由一台伺服电机驱动主辊（也可用变频+电机，视成本要求定），并用一个编码器采集主辊的角速度。由的运动控制器控制。

　　12个网头由12台伺服电机单独驱动，由的运动控制器控制同步，通过编码器采集的主辊角速度**跟踪布速。

　　12个网头，可自动调整相位实现**对花。（但用户要求在每个网头配有按钮操作，控制电机的起停用于选择哪些电机投入运行和以及实现手动对花）。

　　进布、烘房、落布的传动采用变频器+电机。

　　整个工艺中的温度、压力、机械、电气部分必须结合起来。包括进布导带速度，印花时的刮浆刀，烘房导带速度、烘房温度控制等。系统中会需要较多的I/O控制，所以需再选择PLC。

　　人机界面。实时监测各网头工作状态、故障及导带速度，以便操作人员随时掌握印花效果及时处理。运动控制器和PLC各配一个彩色触摸屏。

三、电气配置

该段控制框图如下：

1、运动控制器：考虑到轴数较多，为了减少了连线，本案采用CAN总线通讯控制坯布输送和圆网的同步。完全数字化控制，系统的可靠性和抗干能力都大大提高。需要采用一个13轴半的控制器（半轴是指一个编码器的输入通道），具备2个MODBUS通讯口。各方面考虑，选用英国trio的数字运动控制器MC224。

2、触摸屏：采用台湾施美特的PV104-VNT共2块。

3、PLC：采用松下FPX系列

4、伺服电机和减速机：需要采用带CAN总线通讯的电机，同时圆网的电机的编码器需为式（实现自动对花需要），经考虑选用德国berglahr公司的LXM系列伺服。该系列伺服具有优越的欧洲伺服的品质，CAN总线、profibus总线方式可选，高的动态响应特性，编码器有14位和17位sin/cos式编码器可选，可选三相380VAC供电。

　　减速机选用德国MOTEC品牌的一款合资产品APX系列，该系列减速机有较高的性价比，产品性能稳定，与国内同等价位的减速机相比精度高（一级5弧分背隙），抗扭刚性好，传递效率更高。
具体配置如下：
主辊传动电机：LXM05A34N4+BRH1103P+APX115-10
圆网驱动电机：LXM05A22N4+BRH1101P+APX90-10

5、导带传动系统所有编码器：采用德国雷诺德增量式编码器GEL260。配置为每转输出4096脉冲。

四、控制过程

1、印前准备。如加浆，预热烘房等。

2、每次印新的花色前都有一段引布。这期间做对花，即12个圆网的位置做调整，使这12个圆网保持相位一致。本案因选用了带式编码器的电机，可以通过程序设置来实现自动对花。（一般的用法是通过每个网头配的起停按钮来手动对花，对花的精度取决于工人的经验）

3、刮浆刀开始印花由加在主辊侧的编码器采集主棍（即导带）的速度，把这个编码器信号接入运动控制器MC224。利用MC224的同步功能控制12台伺服与导带速度一致。

4、坯布贴紧导带以设定速度前行，被与坯布保持同一线速度的带有不同图案或色彩的圆网依次滚过，逐次印上12种图案或色彩。后形成了具有12种色彩的花布。然后送入烘房加热吹风干燥，落布，卷布。完成。