【正文】 件對這些數據進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而采取相應措施，本系統具有精度高、運行穩(wěn)定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高等特點，可以在各種工業(yè)場合中廣泛應用，可以達到我們的設計初衷。 國內外研究現狀國內外對數據采集的方法有很多，比如基于ARM，單片機，FPGA等方式，而這些方式又都有其各自的優(yōu)缺點：(1)基于ARM的數據采集： 優(yōu)點：功能強大，與傳統的8位微處理器相比速度更快，性能更強，資源豐富；缺點：價格相對比較貴，開發(fā)也有些難度，在低端應用時ARM性價比較低，開發(fā)難度也更大，新手入門較困難。(2)基于單片機的數據采集：優(yōu)點：成本低廉，廣泛應用于干擾不強的場合，性價比高；缺點：對電路保護要求高，抗干擾能力弱，容易受外界各種原因影響。單片機技術含量高，使用靈活但是工作量很大。(3)基于FPGA的數據采集：優(yōu)點：相對于單片機工作需要依靠其上運行的軟件進行，FPGA全部的控制邏輯是由延時更小的硬件來完成的。因此，實時性更好。高速化、集成化，設計周期短，靈活。適合用于小批量系統，提高系統的可靠性和集成度；缺點：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，簡單易入門的數據采集方式，而以PLC做下位機便能更好的實現這些訴求。 本文主要研究內容本文研究以西門子S7200系列PLC做下位機進行數據采集和處理過程，主要有以下幾個方面的內容：（1）從PLC的I/O輸入模擬量和數字量（本身端口不足的話加入擴展模塊），并利用傳送指令將這些數據傳送的指定的存儲空間；（2）按照要求對存儲空間內的數據進行運算和處理，使其能夠完成代碼轉化、蜂鳴器報警、警示燈閃爍、計時器計時等功能；（3）將運算處理的數據通過有效地通訊方式與以LabVIEW為上位機的PC機通信，使之可以向上位機傳送數據以及接受上位機的指令。第二章 下位機系統軟硬件介紹PLC與其他微型計算機相比，更適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行，且數據處理功能大大增強，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。 在現代控制領域占有越來越重要的地位，本系統選用德國西門子公司生產的S7200系列PLC，該系列PLC具有體積小、軟硬件設計合理、編程簡單、數據處理功能強、指令系統豐富、抗干擾能力強、可與PC 機通訊、使用方便靈活等特點。并且將模塊式和一體式PLC的優(yōu)點結合起來：即CPU本身自帶一部分I/O，同時又具有擴展能力。 編程軟件STEP7 Micro為用戶提供了界面友好而功能強大的開發(fā)工具，其配套的E2PROM存儲卡也使修改和調試程序、維護設備十分方便和可靠。 PLC簡單介紹德國西門子（SIEMENS）公司生產的可編程序控制器在我國的應用相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產線等領域都有應用，西門子公司的PLC產品包括LOGO，S7200(CN)，S71200， S7300，S7400，工業(yè)網絡，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產品可分為適應于較小規(guī)模的自動控制系統的微型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實物繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機控制技術的工業(yè)控制裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，而且這些可編程控制器已經應用在現代生產生活中的各個方面，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算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC，PLC自1966年美國數據設備公司（DEC）研制出現，現行美國，日本，德國的可編程序控制器質量優(yōu)良，功能強大。 PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：(1) 電源：PLC的電源在整個系統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據；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：存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器；存放應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 現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，是PLC與現場控制的接口界面的輸入通道；② 現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用是使PLC通過現場輸出接口電路向現場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 (5) 功能模塊：如計數、定位等功能模塊。 (6) 通信模塊：如以太網、RS48ProfibusDP通訊模塊等。 PLC的工作原理當PLC打到run狀態(tài)下投入運行后，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的整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(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)和數據，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應的單元內。(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構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應位的狀態(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：當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。 PLC內部運作方式雖然PLC所使用的階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數器等名稱，但PLC內部并非實體上具有這些硬件，而是以內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械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運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開關或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關），并將其狀態(tài)寫入內存中對應之位置；步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點狀態(tài)，CPU直接自內存中查詢取出。輸出線圈之運算結果則存入內存中對應之位置，暫不反應至輸出端；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，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 的反應時間，PLC 輸入訊號的時間若小于此反應時間，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，因此稱此種運作方式為輸出輸入端“程式結束再生”。 系統硬件選擇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的強大功能使其無論單機運行，或連成網絡都能實現復雜的控制功能。S7200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。在實際生產中，在不同的環(huán)境以及系統要求下，需要有不同的器件要求，既要滿足生產需要，又要符合高性價比原則，因此，我們必須結合現場環(huán)境與要求，并對硬件配置有較好的理解，方能得到最好的產品。CPU221集成6輸入/4輸出共10個數字量I/O點。無I/O擴展能力。6K字節(jié)程序和數據存儲空間，CPU 221屬于小型PLC，價格低廉，能滿足多種集成功能的需要。特別適合于小點數控制的微型控制器。CPU222集成8輸入/6輸出共14個數字量I/O點?？蛇B接2個擴展模塊，最大擴展至78路數字量I/O點或10路模擬量I/O點。6K字節(jié)程序和數據存儲空間。該型號CPU為S7200 CN 家族中低成本的單元。通過可連接的擴展模塊，即可處理模擬量。CPU224集成14 輸入/10 輸出共24個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。16K字節(jié)程序和數據存儲空間。224系列的CPU具有更多的輸入、輸出點及更大的存儲器。CPU226集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數據存儲空間。此CPU是S7200中功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復雜控制系統的要求。本系統對多路數據進行數據采集，由于需要采集的信號以及用于控制的信號比較多，而且要根據實際需要添加或更換采集系統的模塊，因此需要能夠有更多輸入/輸出點以及方便擴展模塊的型號，除此以外，為了能夠更好的處理現場數據，還需要有更大的存儲空間供我們使用，根據這些要求，我們選擇西門子S7200系列PLC中的功能最為強大的CPU226作為下位機中的CPU模塊。 系統硬件配置圖21： CPU226 外觀圖西門子S7200 CPU226型PLC（如圖21）的主機容量為26KB， I/ O點數為40 (輸入點數24，輸出點數16)，2個RS485通訊/編程口，具有PPI 通訊協議、MPI 通訊協議和自由方式通訊能力。采用24 V DC電源來驅動I/ O接線端子；兩個模擬量調節(jié)旋鈕，在0～1范圍內調節(jié)，也可用程序改變模擬量調節(jié)范圍。根據實際生產需要可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，與其它型號PLC相比，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。圖22：EM231 外觀圖本系統的模擬量輸入模塊[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 ；對應地址由高到低排列，但具體地址的下標則由擴展的輸入模塊個數和與PLC 連接的先后順序決定。此系統設計為對四路模擬量進行數據采集，因此只需一臺模擬量輸入模塊(EM231)即可，設計中模擬量輸入模塊的地址排列依次為：AIW 0（轉速），AIW 2（滑油壓力），A