西门子6ES7321-1EL00-0AA0性能参数
PAC(可编程自动控制器)应运行而生
当今，在设计与建立控制系统放时，工程师们总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能。尤为当今，他们需要的控制系统不仅能处理数字I/O和运动，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，同时还必须能实时地处理控制算法和分析任务，并把数据传送回企业。这就是说要求产品能结合的功能和可靠性对于这复杂的应用，仅单靠PLC或PC的不全面解决方案是困难的，这是什么原因？因基于PC的工业控制有以下弱点：
稳定性-通用的操作系统常常不够稳定并且生产线会受到系统崩溃和无法预料的重启的影响。
可靠性-由于磁性硬盘的旋转和有像电源这样的部件，其坚固程度达不到工业标准，PC容易发生故障。
不熟悉的编程环境-当系统停止时，工厂的操作人员需要恢复系统。对于梯形逻辑，操作人员能知道采用人工方法启动一个线圈或者补充代码来快速恢复一个系统。但是使用PC系统，操作人员需要学习新工具。
图1 具有PC软件功能和PLC可靠性功能的新兴可编程自动控制器PAC示意图
使PLC增加视觉、运动、仪器和分析功能等全方位的自动化技术，显而易见是望尘莫及。必须希望同时拥有PC的功能和PLC(可编程控制器)的可靠性的佳方案，则可编程自动控制器(PAC-Programmable Automation Controller)就是这样的平台，它能佳结合PC和PLC两者的优势(见图1所示)，它提供了开放的工业标准，可扩展的领域功能，一个通用的开发平台和一些性能。这是当今设计与建立控制系统发展的需要，属工业自动化领域中比较完善的新兴控制器。
那"PAC是什么？"PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器.该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。PAC采用现有的商业化技术(COTS)，非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。
关于PAC的平台
快速增长的PAC平台是基于PXI。由于PXI结合了PCI总线的电路特性和Compact PCI坚固的欧罗卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年，当今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1，000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O、数字I/O、视觉、运动和高精度数据采集。典型的可提供以下四种PAC硬件平台。
（1）PXl对工业化PC做了改善，具有实时OS，标准的散热，可选的不旋转固态硬盘和内置的模块间同步。PXl标准要求所有的机箱能为每个模块插槽提供25W的空气流制冷，这样甚至在使用高功率继电器，高速PXl或CompactPCI卡时也不会使工作系统过热或者缩短寿命。PXl也提供了能严格同步各个模块的功能，因此工程师可以为高速控制应用设计运动，视觉和I/O系统，这些应用包括产品包装和半导体器件处理。
（2）Compact FieldPoint使用工业级的部件来抗强冲击和振动，其工作温度范围为-40℃到70℃。它也采用传导式制冷来代替旋转风扇，由于不使用活动部件而提高了可靠性。由于有运行实时OS的浮点处理器，Compact FieldPoint系统具有PC功能，用于记录数据的CompactFlash驱动和用于通信的以太网口。
（3）Compact Vision系统是为机器视觉而专门设计的坚固的控制器。它使用，IEEE标准1394FireWire接口，可以在视觉应用中和16台摄像机通信。Compact Vision系统也采用不活动的部件和传导式制冷，因此您可以把系统固定在机器附近。它提供29个内置的数字I/O通路，这些通路可由LabVlEWRT或使用LabVlEWFPGA的嵌入式FPGA来直接控制。
（4）CompactRIO是新型的可重复设置的嵌入式系统，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW。实时技术.CompactRIO系统采用具有3百万门的FPGA芯片来控制模块化的数字和模拟I/O。这些FPGA芯片可以运行嵌入在芯片里的代码，它的数字循环的速率高达MHz，模拟循环的速率为150kHz。FPGA可以把信息传回到运行LabVlEWRT的浮点处理器以进行计算和数据记录和通信。由于有金属外壳和传导式制冷，该控制器非常适合用于严酷的环境。
图2 PAC特征性能图解示意
PAC定义的几种特征和性能(见图2)。
供通用发展平台和单一数据库，以满是多领域自动化系统设计和集成的的通用开发平台；
一个轻便的控制引擎，可以实现多领域的功能包括：逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等，为统一平台；
允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运多个不同功能的应用程序，井根据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配；
采用开放的模块化的硬件架构以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系统升级带来的开销；
支持IEC 611 58现场总线规范，可以实现基于场总线的高度分散性的工厂自动化环境；
支持事实上的工业以太网标准，可以与工厂的EMS，ERP系统轻易集成；
对于网络协议、语言等，使用既定事实标准来保证多供应商网络的数据交换。
PAC可执行较多的任务
实时的振动分析、图像处理，运动控制和CAN；
执行自动调节的PID控制，或可调增益的PID控制．模糊逻辑；
使用内置Web服务器、FTP服务器和e-mail功能进行通讯。
基于PLC的自行起吊小车控制系统设计与实现
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自行起吊小车控制系统是一种复杂的工业控制系统。使用PLC来设计和实现该系统，是完全可行的，不仅有利于节约成本，更有利于设备的更新及维护，具有很高的性价比。
一、自行起吊小车系统的功能要求
一个完备的自行起吊小车系统，应该具有多台小车沿轨道同时自动行走、停止以及有人控制的起吊、放下等功能，能够将各台小车及轨道部分的状态及时反映到控制台，并且实现一定程度的容错、防错和人工复位功能。
（一）小车的运行线路
为了满足客户的实际需要，本自行起吊小车系统还应具备轨道切换，双线路同时运行的功能，其轨道线路如下图所示：
整个系统共有两个上料点，小车分别从A上料点和B上料点起吊重物，然后按逆时针方向运行到下料点，将重物卸下。因为只有一个下料点，所以存在两条线路的动态切换，使走A线的小车只能走A线，走B线的小车只能走B线，终在下料点前实现小车的积放，等待下料。
线路的动态切换，可以通过PLC编程控制实现。为了让PLC知道小车的位置等信息，必须将DI连接到轨道的相应区段上。为了控制小车，使其在道岔切换完成前停止前进，还必须将DO也连接到轨道的相应区段上，小车的DI读到轨道上某段电压的变化后，就会自主判断该前进还是停止。同样，道岔切换电机也由相应DO控制，以完成切换动作。
（二）人工控制系统的功能
1．中央控制室
中央控制室的控制柜门上有开系统、关系统、故障复位等按钮，另外还有显示屏用于系统信息和报警信息的显示。
2．上下料点的现场控制盒
在上下料点，有供操作员控制小车的控制盒。控制盒提供的功能如下：
叫车。 上下料点空闲时，可按叫车按钮，处于等待位的小车就会进入上下料点。
下降。 小车定位后，夹具自动下降至一定位置等待，然后可按下降按钮继续下降。
上升。 夹具上升到一定位置后，系统自动接管上升动作，直至夹具到顶。
打开夹具。 如果夹具夹有重物，可按打开按钮松开重物。
关闭夹具。 按关闭按钮可使夹具夹紧重物。
放车。 夹具自动上升后按下放车按钮，到顶后小车就驶离上下料点。
3．道岔控制盒
在轨道线路的每个道岔附近，都安装有手动道岔控制盒，用于特殊情况下道岔的手动切换。
（三）小车的功能
小车应该能实现可控制的自动前进以及手动前进后退，可以平滑的执行夹具的上升下降动作，可以打开和关闭夹具。可以将自身的状态返回到主控室，并且能接受操作员传来的合法命令。
二、控制系统硬件的选择和组态
根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系统的全部功能。其中主PLC系统安装在中央控制室内，子PLC系统安装在每台小车上，它们之间通过Profibus现场总线通讯。
（一）硬件选择
1．主站PLC系统和子站PLC系统
主站的PLC系统采用Siemens的 S7-300系列。
S7-300的DI、DO一部分连接于控制柜内，用于开关系统和电源监视，一部分连接于小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。
子站采用Siemens的ET200S远程I/O系统。ET200S是专用的小型PLC控制器，其用于小车控制的大特点是：
（1）自带IM151-7 CPU，可以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。主站只需要发送命令即可，减轻了主站PLC的负担。而且使整个系统易于维护。
（2）有专用的柔性电机启动器，用于小车夹具开关电机的控制。
主站和子站分工合作。每台小车的动作控制功能由其上安装的ET200S来完成，而主站只负责发送命令信号。例如，操作员在现场按下提升按钮，主站接收到DI输入，并转化成提升命令，传递给子站。子站接收到提升命令后，向变频器发出控制字和频率字，并在适当的时候使电机松闸，使夹具上升。
ET200S还负责控制小车的前进、后退、在上下料点的**定位等动作的执行，以及一些错误状态的自动复位等。主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。
S7-300除了控制小车的运行，还负责系统的开关、轨道的切换、状态的显示以及错误状态的手动复位等。
主站的S7-300和子站的ET200S上都安装有Profibus-DP接口模块。这样，它们就可以通过Profibus-DP总线传递信息，相互通讯。
图1：自行小车运行线路简图。
2．Profibus-DP和Power Rail Booster
本系统的主站和子站之间采用Profibus-DP连接和通讯，但是中间需要借助小车轨道来传递信息。由于车间环境恶劣，而轨道完全暴露在外面，没有任何抗干扰措施，不能保证信号传递的完整性和正确性。因此我们采用了Siemens公司专门针对小车控制通讯Profibus-DP总线设计的轨道信号放大器—Power Rail Booster。
PRB是用来执行Profibus通过控制器线的连接。例如，在导轨信号传输系统中，来自各种集线器的Profibus-DP总线信号被放大到无噪声水平，传送到滑线导轨传输线上，并在中央控制主机通过PRB将信号还原成Profibus-DP总线信号。
通常Profibus-DP的波特率是自动的。经过传输线的波特率一般在9600~500k bits/s 。
为了安全的数据传输，除了PRB外，不需其它数据过滤单元。
PRB只是一个数据传输通道，因此不需要设置地址，对于用户来说是透明的。
在现场每台小车及中央控制PLC的Profibus-DP总线接口处各安装1台PRB即可实现信号传输功能。
3．变频器
我们选用Siemens的MicroMaster 440变频器来控制小车的行走和升降电机。由于前进电机和升降电机不会同时运行，因此可以使用一台变频器控制两台电机，通过换向接触器来完成切换工作。在换向接触器切换的同时，MicroMaster 440变频器可以自动完成控制参数的切换。
MicroMaster 440变频器采用模块化设计。因此只需插入Profibus-DP通讯模块，即可通过Profibus总线与子站PLC通讯。可以很方便的实现控制功能和状态反馈。
MicroMaster 440变频器是专门用于起重作业的变频器，可以实现矢量控制方式。在控制行走电机时，因为其功率较小，采用V/F控制方式。而在控制升降电机起吊重物（约500kg）时，则必须使用矢量控制方式。在本系统中，我们在控制升降电机时使用了无传感器的矢量控制方式。变频器可以在两种控制方式中自由切换，分时控制两台电机。
4．传感器和位置开关
小车上安装有凸轮开关，用于反映夹具的位置，使子站PLC程序可以通过凸轮开关传回来的夹具位置而做出相应的判断，使夹具的升降动作变平滑。
为了让小车在上下料点时**定位，小车上还安装了两个接近开关。而定位点的轨道上则安装了挡板，当小车上的这两个接近开关都接触挡板时，小车停止前进。
另外，小车上还安装有用于判断是否夹持有重物的光电开关等。
5．中控室的显示屏
采用Siemens的OP270显示屏。OP270有一个6英寸的显示窗口，并且已经安装了bbbbbbs CE操作系统。可以方便的通过编程器和Protool软件进行编程，完成图形化状态显示，报警信息显示，以及操作控制功能等。
图2： 主站命令提升，子站具体执行
图3： PRB在通讯线路中的位置
（二）软件组态
1．使用的组态软件
为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且让必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到PLC中。
我们使用Siemens的S7 Step 7 v5.2来完成硬件组态。为了识别ET200S远程I/O站和MicroMas-ter 440变频器，还必须加装S7 Step 7 v5.2 SP1软件包。
2．主站PLC系统的组态
主站 S7 300系统由S7 315-2 DP CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用S7 MMC 64Kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。
3．子站PLC系统的组态
一套ET200S系统包括IM151-7 CPU，Profibus-DP接口模块，电源模块，数字量/模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。存储卡使用S7 MMC 64kbyte。其中输入输出模块的个数可以视实际情况增减。每一套ET200S都要进行组态，以对应于每辆小车。
4．分布式结构的组态和通讯区设置
主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过Profibus-DP通讯。这种网络结构也需要进行组态，并下载到PLC中。可以使用Net Pro程序进行网络结构组态和下载。
为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟I/O区。主站上的每一块虚拟I/O区对应于一台小车上的虚拟I/O区。这样主站程序只要按一定的格式输出虚拟DO，子站的虚拟DI就会接收到信号，同样的，子站可以通过虚拟DO将自身的状态返回到主站，以供主站监视和判断。可以在硬件组态过程中通过HW config程序设置通讯区，因为虚拟I/O并不是硬件上真实存在的，因此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。