哈尔滨西门子S7-1200代理商

引言

PLC以其可靠性高、逻辑控制功能强、体积小、适应性强和与计算机接口方便等优势在工业测控领域广泛运用，已大量替代由中间继电器和时间继电器等组成的传统电器控制系统。近年来，PLC技术发展迅猛，新产品层出不穷。高端PLC不仅擅长开关量检测和逻辑控制，而且能够处理模拟信号、进行位置控制和回路控制，还可以连接各种触摸屏人机界面并具有强大的网络功能。高端PLC配备适当的位置控制单元和触摸屏人机界面，并根据计算机集成制造系统(CIMS) 或柔性制造系统( FMS) 的具体要求，配置相应的网络模块或网络单元，即可实现网络互连，构成开放的数控系统。本文介绍一种基于OMRON高端PLC的磨削数控系统，这种数控系统装备的位置控制单元可以实现两轴联动，并可根据实际需要，任意扩展控制轴数；触摸屏人机界面可以根据操作需要灵活设计；还可通过DeviceNet、Controller bbbb和TCP / IP协议单元进行多层次的网络互连。这种数控系统目前已在3MZ2120磨床数控技术改造中获得成功应用。

1、数控系统的开放特征与典型模式

开放式数控系统一般基于PC平台，具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发和适应联网工作等特征。基于PC平台的开放式数控系统目前有3种典型模式。第一种为衍生型(专用NC + PC) ，在传统CNC中插入专门开发的接口板，使传统的专用CNC带有PC的特点。此种模式是由于数控系统制造商不能在短期内放弃传统的专用CNC技术而产生的折中方案，尚未实现NC内核的开放，只具有初级开放性；第二种为嵌入型( PC +NC控制卡) ，将基于DSP的高速运动控制卡(NC控制卡)插在PC的标准扩展槽中，由PC机执行各种非实时任务，NC控制卡处理实时任务。是目前基于PC平台的开放式数控系统的主流；第三种为全软件数控系统，PC机不仅能够完成管理等非实时任务，也可以在实时操作系统的支持下，执行实时插补、伺服控制、机床电器控制等实时性任务。这种模式的数控系统实现了NC内核的开放和用户操作界面的开放，可以直接或通过网络运行各种应用软件，是真正意义上的开放式数控系统。与PC平台开放式数控系统相比，基于高端PLC的数控系统的开放性主要体现在网络层面和系统扩充层面。高端PLC采用类似于PC的总线结构和面向操作的梯形图语言编程，模拟量处理单元、位置控制单元、回路控制单元、网络模块或网络单元等高端部件都有专用控制语句，具有系统构建灵活、扩充能力强、应用软件设计便捷等优点。编程语言标准化和部件可互换性的不断增强，现场总线技术和工业以太网络标准的普遍采用，都使基于高端PLC的数控系统变得更加开放，将成为面向CIMS或FMS的设备层的重要组成部分。

2、基于高端PLC的磨削数控系统

基于高端PLC的磨削数控系统组成结构如图1 所示。

图1 磨削数控系统组成结构图

2.1 开关信号监测与逻辑控制

当前系统输入输出单元是PLC的基本组成部分，在磨削数控系统中承担所有开关信号的监测和全部逻辑控制功能。监测信号主要有：机械手进出、机械手上下、料盘正反转、修整器起落等动作的位置信号，磨削设备和辅助装置上的各种工作状态信号和异常报警信号。系统输出单元控制磨削设备上所有电磁阀和机床电器系统等，通过磨削设备上的液压系统，控制机械手、料盘、工件卡盘、砂轮轴、床身、修整器等基本部件和冷却、润滑、过滤等辅助装置按照磨床动作和磨削工艺要求工作，实现磨削加工过程的自动化。

2.2 工件与砂轮运转速度控制

保持工件与砂轮转动速度恒定，对提高磨削加工质量十分有利。为此系统配备了2台带RS - 485串口变频器，分别驱动工件轴和砂轮轴。PLC采用联机随动控制保证两者之间速度的配合与稳定。操作人员依据磨削加工要求设定工件轴变频器速度参数，PLC接收该参数后，参照砂轮直径(设定或记忆值) 和转动速度比例关系，计算并自动设定砂轮轴变频器的速度参数。在磨削加工过程中，PLC对砂轮在磨削及修整过程中的损耗给予速度自动补偿。PLCZui多可以控制32台变频器，不同厂家的变频器可采用协议宏通信联接。PLC按照变频器地址( 0 - 31) 、指令代码和相关数据顺序向变频器传送命令，对变频器运行、停止、正转、反转等实施控制；PLC还可以监视变频器运行状态，当变频器发生过电流、过电压、变频器过载、硬件异常、电机过载、过力矩检测、电源异常、通信超时等情况，可将异常参数传输给PLC，由PLC作出相应处理。

2.3 位置控制单元(PCU) 与位置控

制高端PLC配备单轴位置控制单元，与步进电机或交流伺服电机驱动器配套使用，可以完成开环或半闭环位置控制及速度控制，配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制，实现直线和圆弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出与高端PLC配套的PCU，具备高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU 自带PCU 的位置脉冲速度为1kBPS，gaojiPCU 的速度可达到500kBPS，松下PP2 或PP4 系列的位置控制速度高达1MBPS。采用高端PLC设计数控系统，需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择适合的位置控制单元( PCU) 。磨削数控系统控制精度要求较高(F1μm) ，一般选择数字交流伺服系统。OMRON高端PLC专用gaoji指令控制脉冲输出，可选择梯形、S形或三角形速度曲线运行，实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。程序设计可选择相对坐标系或juedui坐标系，按照图2 所示的梯形图编程运行，可实现各种磨削加工所应遵循的运行曲线。

图2 位置控制编程示例

图3表示该数控系统准确实现铁路轴承内套挡边粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。

图3 磨削加工中的砂轮运动轨迹

2.4 触摸屏人机界面设计

基于高端PLC的磨削数控系统可选用触摸屏人机界面( Programmable Ter2minal，PT) ，采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等) 以及动画功能等，按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以3MZ2120磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要，该系统主界面下设8个子画面(图4) 。

图4 界面转移关系示意图

系统上电自动进入主界面，核对操作密码后弹出主菜单，在主界面上点击操作可转移相应的子界面。加工参数和修整参数设置界面提供设置数控磨削相关参数提示；手动操作和手动修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手动位置控制和手动修整砂轮操作，为设备调试提供便利；自动报警界面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计，对油雾润滑、液压系统、机床电器系统、料槽状态、冷却系统和伺服电机等实施监测和自动报警，当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(报警时间、故障代码及应对措施等) ；自动运行界面(图5) 采用棒图显示当前磨削余量值；采用动画方式实时显示加工状态和加工位置等。还设有“紧急停车”等应急按钮。PT有RS232 /422 /485 通讯口，能够兼容众多厂家的PLC。人机界面应用程序可脱机编制和调试，然后下载到PT上运行，PLC一般通过RS232接口与PT相连。许多PT还配备并行接口，可直接与打印机连接，实时打印数据或进行屏幕拷贝。

图5 自动运行界面示意图

2.5 网络结构与联网功能

灵活的网络结构和强大的联网功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有标准RS232接口连接触摸屏人机界面、上位机或编程工作站。还可扩展DeviceNet通信单元，使各种符合DeviceNet通信协议的产品都可以连入系统中，以构成基于DeviceNet开放式现场总线的数控系统；系统与车间管理层计算机及车间其它高端PLC 的连接可以采用Controllerbbbb方式，在PLC中扩展Controller bbbb 通信单元，车间管理层计算机装备Controller bbbb支持卡即可实现互连，由底层DeviceNet设备、基于高端PLC的数控系统或其它测控设备和车间管理层计算机构成3层递阶结构的网络测控系统。高端PLC一般都可配置符合TCP / IP协议标准的以太网单元，全面支持远程监控等应用。

3、结束语

广泛建立计算机集成制造系统(CIMS) ，全面提高制造自动化水平是我国制造业发展的重要方向。然而缺少设备层的有力支持正逐渐成为发展CIMS 的“瓶颈”，研究开发各种面向CIMS的数控装备显得十分重要而紧迫。基于高端PLC的数控系统具有系统构建灵活，应用软件设计便捷等优点。灵活的网络结构、强大的联网功能和系统扩充能力使这种数控系统具有一定的开放性，将成为CIMS设备层的重要组成部分。本文所述基于OMROM高端PLC的磨削数控系统已成功应用于3MZ2120 磨床数控技术改造，使原来手工操作的磨削设备成为先进的数控磨削设备，并在铁路轴承内套挡边磨削加工中发挥了重要作用。

1、设计背景

从近几年的国际纺织机械展览会上可以看到：国外zhuming的织机制造商，如日本津田驹工业株式会社和丰田公司、意大利的SOMET公司、比利时的PICANOL公司、瑞土的SULZERTEXTIL公司和STAUBLI公司等，机电一体化技术经过几十年的发展，各自形成了具有很高自动化水平的电气控制系统，普遍采用新型高速可靠的微机群或计算机系统和人机界面，具有自诊断和数据采集管理功能，实现电子选纬、电子多臂等控制。而国内的无梭织机其技术水平与国外差距较大，国产剑杆织机的产量很大，但使用的技术普遍是从国外八十年代的机型改进而来，大多采用商用微机，并且档次不一。近两年，中纺机、经纬纺机、聊城纺机、龙力机械和杭州精工等厂家都把PLC应用于剑杆织机的电气控制。本文就使用台达EHPLC为核心而构成的剑杆织机主控电气系统作一介绍。

2、剑杆织机自动化系统分析

通常剑杆织机电控部分分为电子送经、收卷和主控三部分。可见主控部分主要实现织布的功能，其控制对象主要包括主电机、多臂电机、寻纬电机、离合器等。

2.1 点动

(1) 点动的作用

调整滚轮梳位置

断经后重新开车准备

(2) 点动流程：点动流程参见图1。

图1 点动流程图

2.2 盘车

(1) 盘车的作用：手动装布

(2) 盘车流程图：盘车流程参见图2。

图2 盘车流程图

2.3 正反寻纬

(1) 正反寻纬作用

手动调整综框位置

手动调整行程开关位置

(2) 正反寻纬流程：正反寻纬流程参见图3和图4。

图3 手动调整行程开关位置流程图 图4 手动调整综框位置流程图

2.4 开车

(1) 开车作用：织布

(2) 开车流程图：开车流程图参见图5。

图5 开车流程图

2.5 正常停车(手动停车)

正常停车(手动停车)流程参见图6。

图6 停车流程图

2.6 纬停测控

(1) 纬停原因：断纬

(2) 纬停测控流程图：参见图7。

图7 纬停流程图

2.7 经停测控

(1) 经停原因：断经

(2) 经停测控流程图：参见图8。

图8 断经流程图

3、剑杆织机自动化系统设计

3.1 系统组成和特点

(1) 为了提高控制系统的可靠性，系统硬件以台达公司的DVPEH3200TPLC为核心，配置台达公司的TD220中文文本界面，参见图9。

图9 系统硬件

(2) I/O具体分配

(3) 电源部分：Y0~Y4 为12DCV 电源供电，Y5~Y17为24DCV电源供电。

3.2 人机界面

TD200中文人机界面是台达公司配置TD220。中文信息使操作工和维修工的工作变得方便快捷。各种织机工艺参数设定(见例1)、选纬参数设定(见例2)、生产管理数据(见例3)、

故障信息都在接口上自动显示(一当有故障时)。

例1：开车时间 盘车时间
点动时间 经停空纬否
手动/自动
盘车
纬密

例2：选纬序号(步数) 纬针 纬数(纱数)
1 1 10
2 2 4
3 4 4
4 1 2
5 8 10
6 7 6
7 5 l
………
(注:不同的PLC其可设定的工作选为序号量是不同的)

例3：当前序号(步数):5
当前纬针:8
当前纬数(纱数)：6
乙班(甲班，丙班，丁班可选)产量215m
效 率 99％
总产量1289m

4、系统软件

4.1 程序结构

结合该系统的特点对整个软件系统采用主程序、子程序、中断构成

4.2 诊断保护功能

织机的停车原因在接口上有中文信息提示，在软件上，系统自动监测电磁离合器、多臂机保护、热组件、断纬，断经、行裎开关等。并及时显示和启动保护，以确保产品的质量，避免人为因素。

4.3 参数设定功能

根据工艺要求和客户方便有针对性地画面制作这对操作人员带来极大的方便。

4.4 数据保存功能

设定的工艺参数和生产管理数据有长期保存功能。例如，选纬方式和状况需要掉电保存，织机断电时，PLC必须将织机的位置和当前投纬的序号、纬针、纱数保存起来。系统还具有甲乙丙丁四个班的产量、效率及总产量的数据保存，这对企业的管理有很大的好处。

4.5 选纬功能

软件实现电子选色替代传统的纹板选色，使可操作性大大提高。然而为了确保选纬的正确，在软件的编制中，考虑必须周全，也包含了一定的技巧。选纬采用间接寻址的方式，利用指标变址E确定选纬器机构选纬序号(步骤)。PLC根据织机的正车或反车，相应的寄诸器加或减。加减及加减的多少由正车、反车、计数开关结合处理

5、系统设计特点

5.1 启动迅速

再第一次打纬时，织机车就应达到或接近正常运转速度为此要高压启动。

5.2 制动平稳快捷

停车位置准确，这样有利于重新开车启动，这里就体现出相应时间快，为此我们采用中断处理。

5.3 操作方便

即有正常启，制动功能，已有实现某些特殊操作，如选纬工艺设定，点动、停手动正反寻车等。

6、系统应用

本系统已在山东聊城剑杆织机试用，系统相当稳定可靠。系统进行监测。

具有结构简单，操作方便，接口简洁，稳定可靠，成本低廉等优点，是传统控制系统的zuijia替代产品，并可供应用其它PLC控制系统时参考。该系统具有大批量产品化潜力，具有广阔的市场前景。