【正文】 件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施，本系統(tǒng)具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等特點(diǎn)，可以在各種工業(yè)場合中廣泛應(yīng)用，可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)初衷。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集的方法有很多，比如基于ARM，單片機(jī)，F(xiàn)PGA等方式，而這些方式又都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)：(1)基于ARM的數(shù)據(jù)采集： 優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大，與傳統(tǒng)的8位微處理器相比速度更快，性能更強(qiáng)，資源豐富；缺點(diǎn)：價格相對比較貴，開發(fā)也有些難度，在低端應(yīng)用時ARM性價比較低，開發(fā)難度也更大，新手入門較困難。(2)基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集：優(yōu)點(diǎn)：成本低廉，廣泛應(yīng)用于干擾不強(qiáng)的場合，性價比高；缺點(diǎn)：對電路保護(hù)要求高，抗干擾能力弱，容易受外界各種原因影響。單片機(jī)技術(shù)含量高，使用靈活但是工作量很大。(3)基于FPGA的數(shù)據(jù)采集：優(yōu)點(diǎn)：相對于單片機(jī)工作需要依靠其上運(yùn)行的軟件進(jìn)行，F(xiàn)PGA全部的控制邏輯是由延時更小的硬件來完成的。因此，實(shí)時性更好。高速化、集成化，設(shè)計(jì)周期短，靈活。適合用于小批量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和集成度；缺點(diǎn)：功耗大，編程語言熟悉時間長，不容易熟練掌握。綜上所述，我們需要找到一種既可以能夠適應(yīng)不同工業(yè)場所環(huán)境，又要減少材料成本，降低功耗，簡單易入門的數(shù)據(jù)采集方式，而以PLC做下位機(jī)便能更好的實(shí)現(xiàn)這些訴求。 本文主要研究內(nèi)容本文研究以西門子S7200系列PLC做下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理過程，主要有以下幾個方面的內(nèi)容：（1）從PLC的I/O輸入模擬量和數(shù)字量（本身端口不足的話加入擴(kuò)展模塊），并利用傳送指令將這些數(shù)據(jù)傳送的指定的存儲空間；（2）按照要求對存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，使其能夠完成代碼轉(zhuǎn)化、蜂鳴器報警、警示燈閃爍、計(jì)時器計(jì)時等功能；（3）將運(yùn)算處理的數(shù)據(jù)通過有效地通訊方式與以LabVIEW為上位機(jī)的PC機(jī)通信，使之可以向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)以及接受上位機(jī)的指令。第二章 下位機(jī)系統(tǒng)軟硬件介紹PLC與其他微型計(jì)算機(jī)相比，更適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，且數(shù)據(jù)處理功能大大增強(qiáng)，編程指令具有模塊化功能，能夠解決就地編程、監(jiān)控、通訊等問題。 在現(xiàn)代控制領(lǐng)域占有越來越重要的地位，本系統(tǒng)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7200系列PLC，該系列PLC具有體積小、軟硬件設(shè)計(jì)合理、編程簡單、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、指令系統(tǒng)豐富、抗干擾能力強(qiáng)、可與PC 機(jī)通訊、使用方便靈活等特點(diǎn)。并且將模塊式和一體式PLC的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來：即CPU本身自帶一部分I/O，同時又具有擴(kuò)展能力。 編程軟件STEP7 Micro為用戶提供了界面友好而功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，其配套的E2PROM存儲卡也使修改和調(diào)試程序、維護(hù)設(shè)備十分方便和可靠。 PLC簡單介紹德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用，西門子公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7200(CN)，S71200， S7300，S7400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為適應(yīng)于較小規(guī)模的自動控制系統(tǒng)的微型PLC（如S7200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7300）和中、高性能要求的PLC（如S7400）等。 PLC的基本概念　早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，它主要用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)物繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，而且這些可編程控制器已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的各個方面，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC，PLC自1966年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：(1) 電源：PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的。(2) 中央處理單元(CPU)：中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 (3) 存儲器：存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 (4) 輸入輸出接口電路： ① 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道；② 現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用是使PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 (5) 功能模塊：如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 (6) 通信模塊：如以太網(wǎng)、RS48ProfibusDP通訊模塊等。 PLC的工作原理當(dāng)PLC打到run狀態(tài)下投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在PLC的整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 (1) 輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。(2) 用戶程序執(zhí)行階段：在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。(3) 輸出刷新階段：當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 PLC內(nèi)部運(yùn)作方式雖然PLC所使用的階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個的掃描過程包括三大步驟，“輸入狀態(tài)檢查”、“程式執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”。說明如下：步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)），并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對應(yīng)之位置；步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕觥］敵鼍€圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端；步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部分接點(diǎn)，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC 的反應(yīng)時間，PLC 輸入訊號的時間若小于此反應(yīng)時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“程式結(jié)束再生”。 系統(tǒng)硬件選擇SIMATIC S7200 PLC是超小型化的PLC [2]，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7200 PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。在實(shí)際生產(chǎn)中，在不同的環(huán)境以及系統(tǒng)要求下，需要有不同的器件要求，既要滿足生產(chǎn)需要，又要符合高性價比原則，因此，我們必須結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境與要求，并對硬件配置有較好的理解，方能得到最好的產(chǎn)品。CPU221集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點(diǎn)。無I/O擴(kuò)展能力。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，CPU 221屬于小型PLC，價格低廉，能滿足多種集成功能的需要。特別適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU222集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接2個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至78路數(shù)字量I/O點(diǎn)或10路模擬量I/O點(diǎn)。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。該型號CPU為S7200 CN 家族中低成本的單元。通過可連接的擴(kuò)展模塊，即可處理模擬量。CPU224集成14 輸入/10 輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。224系列的CPU具有更多的輸入、輸出點(diǎn)及更大的存儲器。CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。此CPU是S7200中功能最強(qiáng)的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于需要采集的信號以及用于控制的信號比較多，而且要根據(jù)實(shí)際需要添加或更換采集系統(tǒng)的模塊，因此需要能夠有更多輸入/輸出點(diǎn)以及方便擴(kuò)展模塊的型號，除此以外，為了能夠更好的處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還需要有更大的存儲空間供我們使用，根據(jù)這些要求，我們選擇西門子S7200系列PLC中的功能最為強(qiáng)大的CPU226作為下位機(jī)中的CPU模塊。 系統(tǒng)硬件配置圖21： CPU226 外觀圖西門子S7200 CPU226型PLC（如圖21）的主機(jī)容量為26KB， I/ O點(diǎn)數(shù)為40 (輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)16)，2個RS485通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。采用24 V DC電源來驅(qū)動I/ O接線端子；兩個模擬量調(diào)節(jié)旋鈕，在0～1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，也可用程序改變模擬量調(diào)節(jié)范圍。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，與其它型號PLC相比，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。圖22：EM231 外觀圖本系統(tǒng)的模擬量輸入模塊[3]選用西門子EM231（如圖22），它提供4個模擬量輸入信道：A + 、A ；B + 、B ；C + 、C ； D + 、D ；對應(yīng)地址由高到低排列，但具體地址的下標(biāo)則由擴(kuò)展的輸入模塊個數(shù)和與PLC 連接的先后順序決定。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對四路模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此只需一臺模擬量輸入模塊(EM231)即可，設(shè)計(jì)中模擬量輸入模塊的地址排列依次為：AIW 0（轉(zhuǎn)速），AIW 2（滑油壓力），A