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　　摘要：本文主要講述了西門子S7-1200系列CPU在汽車內(nèi)飾產(chǎn)品檢驗(yàn)上的應(yīng)用。結(jié)合S7-1200CPU的性能和TIAPortalV10.5的編程平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)，同時(shí)通過TCP方式采集保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，并能在同一平臺(tái)上對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。
　　　　
　　項(xiàng)目簡(jiǎn)介
　　
　　這是一個(gè)技改項(xiàng)目，原項(xiàng)目是采用單片機(jī)加上數(shù)據(jù)采集卡控制一個(gè)帶步進(jìn)電機(jī)的測(cè)試臺(tái)，其主要應(yīng)用目的是用于模擬汽車遮陽板上的鏡蓋反復(fù)開合，并將在開合過程中不同位置時(shí)得到的力矩值通過數(shù)據(jù)采集卡采集并發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)，從而獲取整個(gè)開合過程的曲線，再根據(jù)試驗(yàn)的次數(shù)等數(shù)據(jù)來判定測(cè)試樣本是否合格。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶發(fā)現(xiàn)原方案在使用中存在步進(jìn)電機(jī)發(fā)生失步的現(xiàn)象，從而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。用戶決定將控制系統(tǒng)改成PLC，在與用戶經(jīng)過反復(fù)論證之后，zui終采用了西門子的SIMATICS7-1200系列PLC。
　　
　　工藝流程介紹

　　
　　主要的工藝流程如圖1所示，S7-1200通過高速脈沖輸出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿上所安裝的開合測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所帶的旋轉(zhuǎn)編碼器將當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置反饋給PLC，同時(shí)開合測(cè)試裝置上的力矩傳感器則將當(dāng)前位置的力矩以模擬量形式傳送給PLC，PLC則將這2組采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按照一定順序存儲(chǔ)在內(nèi)部的數(shù)據(jù)塊中，當(dāng)完成一次開合運(yùn)動(dòng)之后，就將這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的所采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并在上位機(jī)的界面上描繪出本次運(yùn)動(dòng)相關(guān)采集數(shù)據(jù)的曲線。如此周而復(fù)始，當(dāng)完成一定次數(shù)的規(guī)定動(dòng)作后，即完成了樣本的測(cè)試工作，根據(jù)樣本試驗(yàn)次數(shù)的不同，上位機(jī)還需要將特定次數(shù)的采集數(shù)據(jù)保存成Excel文件以便日后查看，同時(shí)用戶也能以手動(dòng)方式保存任意一次的采集數(shù)據(jù)。
　　
　　方案確立
　　
　　本項(xiàng)目從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看相對(duì)簡(jiǎn)單，因此S7-200CPU224-XP和S7-1200CPU1214都能很好地完成步進(jìn)電機(jī)控制，高速數(shù)據(jù)采集等控制任務(wù)。但是，由于單個(gè)測(cè)試動(dòng)作的周期很短，zui大周期只有6秒鐘左右，而整個(gè)測(cè)試過程較長(zhǎng)，需要幾百上千次的重復(fù)周期性動(dòng)作，數(shù)據(jù)的采集周期僅為5ms，那么一個(gè)動(dòng)作周期下來，采集到的數(shù)據(jù)約為1200個(gè)，4800字節(jié)，因此高頻率周期性實(shí)時(shí)的高速的數(shù)據(jù)傳送是本項(xiàng)目的一個(gè)zui大的技術(shù)難點(diǎn)之一。
　　
　　S7-200在不增加CP模塊的情況下只能利用本機(jī)的RS485接口來完成通訊任務(wù)，RS485接口是半雙工的，zui高串行通訊波特率為115.2K，每次通訊傳送的字節(jié)數(shù)上限255個(gè)字節(jié)，那么這些數(shù)據(jù)需要近20次的通訊才能傳送完畢，因此數(shù)據(jù)傳送過程復(fù)雜，傳送效率低下，數(shù)據(jù)傳送的可靠性不能保證。
　　
　　而S7-1200則可以直接利用本機(jī)集成的PN接口，RJ45接口，100M全雙工，支持TCP/UDP通訊，一次通訊zui大數(shù)據(jù)交換能力為8K字節(jié)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行直連，本項(xiàng)目涉及的數(shù)據(jù)可以在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)一次傳送完畢，并且還有能力出錯(cuò)再發(fā)，確保數(shù)據(jù)傳送的效率及可靠性。
　　
　　雖然S7-200也可以通過擴(kuò)展CP243-1通訊模塊來實(shí)現(xiàn)上述功能，但S7-1200集成的優(yōu)勢(shì)及成本上的差距是顯而易見的，zui終S7-1200成為本項(xiàng)目PLC選型的*選擇。
　　
　　在上位機(jī)方面，原考慮采用WinCC作為監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析軟件，但經(jīng)過一些研究發(fā)現(xiàn)，如果根據(jù)用戶所要求的技術(shù)參數(shù)，是根本不能滿足應(yīng)用要求的。如前所述，因?yàn)闇y(cè)試的運(yùn)動(dòng)行程相對(duì)較短，運(yùn)動(dòng)速度也比較高，同時(shí)為了描繪出比較真實(shí)的曲線，必須增加采樣的次數(shù)與頻率，這導(dǎo)致采樣周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于WinCC的采樣時(shí)間。如果考慮3秒鐘的采樣曲線顯示時(shí)間，那上位機(jī)必須在3秒鐘之內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收，自動(dòng)保存及圖形描繪這幾項(xiàng)主要任務(wù)，每6秒鐘一個(gè)工作周期，同時(shí)還要兼顧常規(guī)的操作及用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的隨機(jī)查詢及即時(shí)保存任務(wù)，因此這也是本項(xiàng)目的另一個(gè)重大的技術(shù)難點(diǎn)。
　　
　　經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及對(duì)方案的反復(fù)論證，zui終采用如下系統(tǒng)方案：（1）由S7-1200實(shí)現(xiàn)測(cè)試運(yùn)動(dòng)的控制，數(shù)據(jù)的高速采集，本地存放，及利用集成的PN接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)TCP/UDP通訊，傳送采樣數(shù)據(jù)包。（2）用VB開發(fā)一個(gè)的數(shù)據(jù)處理程序，通過以太網(wǎng)接口接收S7-1200發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)描繪測(cè)試過程曲線。（3）利用WinCC作為操作界面主平臺(tái)，完成測(cè)試系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置，常規(guī)邏輯操作，以及一些過程數(shù)據(jù)的顯示等，同時(shí)作為主界面調(diào)用的數(shù)據(jù)處理程序，把兩者有效的集成在一起，使用戶不認(rèn)為這是2個(gè)不同的應(yīng)用。
　　
　　產(chǎn)品硬件配置
　　
　　由于屬于改造項(xiàng)目，測(cè)試臺(tái)的機(jī)械部分包括步進(jìn)電機(jī)幾乎沒有更改，只是加裝了一個(gè)尋參的接近開關(guān)。電氣部分，用戶自己裝配了一個(gè)小型的電氣控制箱，主體就是一個(gè)CPU1214DC/DC/DC，硬件的連接主要就是步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的位置反饋編碼器信號(hào)，力矩測(cè)量信號(hào)，以及用于控制啟停和急停的信號(hào)。上位機(jī)部分使用的是安裝了WinCC組態(tài)軟件的普通商用電腦。
　　
　　軟件開發(fā)
　　　　
　　PLC程序的開發(fā)主要分為三部分，⑴步進(jìn)電機(jī)的控制，⑵高速數(shù)據(jù)的采集，⑶與上位機(jī)的通訊。
　　
　　*部分，步進(jìn)電機(jī)的控制主要利用的是TIAPortal軟件中集成的工藝對(duì)象中的軸控制功能來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)TIAPortal軟件提供的導(dǎo)向，把項(xiàng)目中的機(jī)械數(shù)據(jù)輸入相關(guān)參數(shù)，我們可以十分便捷完成運(yùn)動(dòng)軸的組態(tài)。主要的參數(shù)包括選擇硬件接口，脈沖數(shù)，速比，脈沖反饋，極限位置，尋參方式等等。由于步進(jìn)軸不支持實(shí)際物理位置的反饋，因此本項(xiàng)目中又另外定義了一個(gè)高速計(jì)數(shù)器的輸入作為步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置的反饋輸入，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。界面如圖2所示：　　
　　運(yùn)動(dòng)軸組態(tài)完之后，就可以利用軟件自帶的運(yùn)動(dòng)控制庫中的功能塊進(jìn)行編程了，對(duì)應(yīng)的功能塊的說明都能在幫助中找到，這給初次接觸這些功能塊的編程員提供了很大的幫助，同時(shí)西門子還提供了專門的電子文檔詳細(xì)介紹了這個(gè)功能。在這個(gè)項(xiàng)目中，采用的是軸的定位功能，使用的控制功能塊是MC_MoveAbsolute，如圖3所示。這個(gè)項(xiàng)目中測(cè)試的產(chǎn)品是遮陽板中的鏡蓋開合能力，因此步進(jìn)電機(jī)需要來回運(yùn)動(dòng)，速度和運(yùn)動(dòng)的距離及位置都可以在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)到達(dá)位置后，并不是馬上反向運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)有一個(gè)小的停頓。　　
　　通過軸功能中加速度參數(shù)的調(diào)整，可以使步進(jìn)電機(jī)在zui短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，同時(shí)又不會(huì)失步，從而保證了測(cè)試運(yùn)動(dòng)的可靠性。
　　
　　第二部分，高速數(shù)據(jù)采集也是本項(xiàng)目能夠順利實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，zui初的方案是采用時(shí)間中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每5毫秒采集一次數(shù)據(jù)，S7-1200可以很輕松地實(shí)現(xiàn)，然而在試運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試行程及速度的不同，固定周期的數(shù)據(jù)采集往往遺漏了測(cè)試過程中一些關(guān)鍵位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而容易造成曲線的失真。又經(jīng)過反復(fù)的論證，在確定了測(cè)試裝置可能的zui大的運(yùn)動(dòng)速度及連續(xù)2個(gè)采樣位置的可能的zui小間隔之后，我們轉(zhuǎn)而采取了位置中斷的數(shù)據(jù)采集方式，雖然運(yùn)算量增加的許多，但在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)，S7-1200還是能夠出色的完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，反復(fù)試驗(yàn)的效果也很好，用戶也認(rèn)可了此方案。如圖4所示，在每次中斷的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的力矩以及對(duì)應(yīng)的位置都很被送入數(shù)據(jù)塊中。　　
　　第三部分，當(dāng)測(cè)試工件往復(fù)一次運(yùn)動(dòng)之后，PLC需要將這次運(yùn)動(dòng)過程中采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)去，這本項(xiàng)目中采用的是TCP通信，PLC程序中調(diào)用的是TSEND_C功能塊，具體的連接參數(shù)設(shè)置如圖5所示　　
　　在調(diào)用功能塊的時(shí)候，如圖6所示，只要設(shè)置好通信長(zhǎng)度，以及發(fā)送數(shù)據(jù)塊的地址，當(dāng)需要發(fā)送時(shí)，用上升沿觸發(fā)發(fā)送請(qǐng)求即可。
　　上位機(jī)的VB數(shù)據(jù)處理程序的通訊部分，其主體就是利用WinSock控件與PLC建立通訊連接，并通過用戶數(shù)據(jù)文報(bào)協(xié)議（UDP）或者傳輸控制協(xié)議（TCP）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這兩種協(xié)議都可以用來創(chuàng)建客戶與服務(wù)器應(yīng)用程序。在運(yùn)行時(shí)WinSock控件只在后臺(tái)運(yùn)行。本項(xiàng)目中我們使用的是TCP協(xié)議與PLC通訊。TCP是基于連接的協(xié)議，即數(shù)據(jù)傳輸前必須先建立連接，這也是上面提到的TSEND_C功能塊的主要功能之一。
　　
　　具體通訊過程如下：VB數(shù)據(jù)處理程序通過PLC的IP地址和的端口號(hào)，與PLC建立通訊尋連接。PLC在采集測(cè)試樣本往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次的過程數(shù)據(jù)后，通過TSEND_C通訊功能塊將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)的VB數(shù)據(jù)處理程序。VB數(shù)據(jù)處理程序通過WinSock控件在后臺(tái)接收到TCP數(shù)據(jù)包后，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)格式提取采樣數(shù)據(jù)，并將提取到的采樣數(shù)據(jù)保存成格式數(shù)據(jù)文件，同時(shí)這些采樣數(shù)據(jù)也被輸入到趨勢(shì)曲線顯示控件中，由趨勢(shì)曲線顯示控件把測(cè)試過程曲線顯示在屏幕上。除了系統(tǒng)自動(dòng)保存規(guī)定的數(shù)據(jù)以外，用戶也可實(shí)時(shí)地手動(dòng)保存任意一次的采樣數(shù)據(jù)。
　　
　　項(xiàng)目結(jié)果
　　
　　該項(xiàng)目是我公司*個(gè)以S7-1200為主控制器來實(shí)施的小型綜合性項(xiàng)目，實(shí)施以來，已穩(wěn)定運(yùn)行1年多，達(dá)到了技改的目的，得到了用戶的認(rèn)可與好評(píng)，同時(shí)也充分體現(xiàn)了S7-1200*性能與可靠性。
　　
　　應(yīng)用體會(huì)
　　
　　高速數(shù)據(jù)采集及圖形處理一直都是單片機(jī)，PC數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，本次項(xiàng)目改造是西門子小型PLC在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的一次十分有益的嘗試，并且取得了很好的效果，開發(fā)周期短，產(chǎn)品性能可靠，工作穩(wěn)定，易于操作維護(hù)，適合批量生產(chǎn)，這表明隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，以S7-1200為代表的小型PLC的技術(shù)能力又有了突飛猛進(jìn)，*有能力在一些以前沒有涉及的新的應(yīng)用領(lǐng)域取得應(yīng)用上的突破，開拓新的應(yīng)用市場(chǎng)。