6ES7332-5HF00-0AB0型号规格
计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。
然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经超越了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师必须在自动化系统中集成更多更先进的I/O、处理和控制策略。
新的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加更多的先进功能，并提高机器的效率。
1、需求：如何提高机器的效率
如何提高机器的效率？让我们来看看IntegratedIndustrialSystems（I2S）公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现极大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为行业的。
I2S也曾经长期使用PLC来自动化和
控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图更新轧制设备控制系统，以提高效率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能更准确地控制金属厚度。
数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了更新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有更**的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中获取模拟信号，实现高度**的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。
2、伽马测量仪技术
伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的顶部是一个接收器和前置放大器。当通过发射源和接收器之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由接收器进行测量，并转化成带厚度测量。
实施改造步：现有设备试验
为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的**度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。
因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中获取模拟信号并进行处理以计算**的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合高性能处理和高速模拟I/O。
第二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法
在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIOPAC，以提供改进轧制机器质量所必须的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和可靠性，又能提供更多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。
第三步：添加I/O
CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有超过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节（反锯齿、隔离、ADC、DAC等）、高速计时（模拟I/O速度达到800kHz，数字I/O速度达到30MHz）和高分辨率（24bADC），可与任何工业传感器或者触发器连接。
图1CompactRI/O架构
I2S使用CompactRIO模拟输入模块来连接伽马级厚度传感器，以提供**测量所需的高速计时和分辨率。由于每个I/O模块都是直接和FPGA相连的，工程师们于是能使用LabVIEWFPGA来轻松自定义CompactRIO的模拟I/O速率。
第四步：添加处理
从伽马传感器获得模拟数据之后，CompactRIO使用内置的NILabVIEW实时浮点功能块来在实时处理器中对数据进行处理，并将之转化成**的厚度测量。
LabVIEW的实时功能块对数据进行确定的对数处理（如下面的等式1和等式2所示），以进行计算厚度测量值。由于LabVIEWReal-Time具有内置计算和分析功能，PAC能够很容易进行这一操作。
等式1：logI=（logI0）y/μ=（y/μ）logI0
等式2:y/μ=logI0/logI=log（I0-I）
CompactRIO系统在FPGA和实时处理器中进行所有的I/O和信号处理，并将高**度厚度测量传输到相连的PLC上，又不会降低现有PLC控制系统的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程师可以为伽马级传感器添加这一自定义测量和分析功能，而不需要牺牲轧制机器的控制速度。
第五步：整合PAC
每个轧制机器都带有三个形成网络的CompactRIO系统。这三个系统都是智能节点，能利用一个工业标准Modbus/TCP、TCP/IP或UDP协议进行通信。其中有两个系统与伽马级传感器连接，并进行模拟输入测量和处理，来计算**厚度测量值。
图2典型系统拓扑
第三个CompactRIO系统则从另外两个系统中取得厚度值，并转换成模拟输出测量值，输入到正在控制轧制机器的PLC上。所有三个系统都通过以太网连接实现了互连，并使用一个UDP以太网信息协议来传输厚度测量值计算。将PAC连接到现有PLC架构上有三个基本方法：
1.基本模拟和数字I/O。模拟/数字信号能够从PAC输出到PLC中。这是将PAC整合到PLC的一个基本的方法。I2S公
司就是运用这种方法来将处理过的数据从CompactRIOPAC传输到运行轧制机器控制系统的PLC上的。
2.工业网络。大多数PAC产品都支持工业协议，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太网的协议如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。这使得工程师在连接PAC到PLC上时有很多网络选择。I2S公司运用的是以太网协议来在CompactRIOPAC之间传输数据，并将PAC和PLC连接到形成网络的HMI。
3.OPCConnectivityPAC还可以作为OPC客户端或者服务器，并通过OPC标签来收发网络数据到PLC或其它PAC上。OPC标准提供了一套标准的流程，让不同厂商的自动化系统之间可以很容易实现连接。
处理过的数据会以不到20毫秒的间隔在通过以太网互连的CompactRIO系统之间传输。CompactRIO测量值的获得、处理和传输速度都很快，因此，将**厚度测量值键入到PLC控制系统的过程丝毫不会降低整个系统的速度。
I2S公司可以很容易通过基于LAN的CompactRIO系统和10/100Mbps以太网接口将系统连接到形成网络的AllenBradleyPLC，并利用一个标准的TCP/IP协议将之连接到人机接口（HMI）系统。轧制机器中的所有仪器都通过以太网实现了连接，因此不需要在一个电器噪音嘈杂的环境下长距离地传输模拟信号了。
在未来的几年，PLC仍将继续用于自动化领域。但是随着机器的改进和自动化效率提高的需求，PLC不再是的。PAC技术给PLC提供了很好的补充，增加了传统PLC所不能提供的高性能I/O和处理。将PAC连接到现有PLC架构中的方法有很多，所以工程师们将能够很容易地改进其基于PLC的自动化系统。
双头盲孔钻机是一种在实体材料上进行钻孔加工的常用机床，广泛应用于模具、汽车、机床制造等行业的零件加工生产当中。传统的手工加工，不仅速度慢，而且还极容易出错，导致产品生产率低下。
可编程逻辑控制器(PLC)具有稳定性好，控制精度高等优点，常被当作控制器来使用；而触摸屏的加入，即增强了人机交互的空间，还能在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统连线复杂程度，由二者组合在一起的控制系统越来越广泛地应用在工业生产的各个领域。
这里采用松下PLC(FP—X(260T)与威纶触摸屏(Weinview MT506)设计一个控制系统。实践效果表明，完全能够达到双头盲孔钻机的没计要求。
1工艺控制要求与控制系统组成
双头盲孔钻机机械图如图1所示，它主要由6个气缸，4个步进电机，2个主轴电机组成。其中，气缸1起到压紧加工件的作用；气缸2用于定位作用，使得刀具与加工点处在同一水平线上；气缸3起紧固加工件的作用，防止加工时加工件因外力松动滑离加工位置；气缸4用于旋转工件，当一个表面加工完成，需要进行第二个表面加工，进行第二次加工时，需要将加工件旋转一次；气缸5，6起到对准加工件中心位置的作用。
4个步进电机分别控制4个轴向运动，左右移动电机向加工平台方向移动，将搭载有主轴电机的两个左右钻电机靠近加工平台；左右钻电机负责推送主轴电机前进进行钻孔加工，主轴电机安装有刀具。在加工过程中，如果一次性加工完成，则因加工深度太深，冷却液难以进入，导致刀具温度过高而被烧坏，铁屑也难以排出，进而导致加工失误，影响加工精度及生产效率，因此，在加工过程中，需要周期性地从待加工件中退出刀具，起到退屑、散热的作用。
1．1 系统工艺控制要求
双头盲孔钻机的控制动作主要分为气缸动作和电机控制动作。其中，气缸动作完成加工件的夹紧、推料到位等工作；电机动作完成电机的自动加工动作。主要的控制要求有：
(1)具有手／自动功能状态。手动时，要求可以对工序中气缸动作与电机动作的每个步骤进行独立操作，以便于试机调试。自动方式运行时，需严格按照工艺步骤时序要求运行。
(2)左右钻电机必须是在左右移电机动作完成之后才能开始动作，以保证刀具不会碰到其他部件而被损坏。
(3)钻孔时，要求左右钻电机周期性地前进后退，推送主轴电机及刀具完成整个加工动作，即需将一个加工分成多个小线段加工，保证每次前进加工后都能使得刀具从待加工件中退出，起到退屑和冷却的作用效果。
(4)需要有急停保护措施。急停按钮一按，产生报警信号，同时机床所有部件动作均停止，只能回零操作有效。回零操作启动的同时报警取消。
(5)需要有换刀、对刀功能。当发现刀具不利时，换完刀具之后，要进行自动对刀操作。
1．2 系统体系结构
控制系统采用松下PLC与威纶触摸屏相结合的方式：威纶触摸屏主要用于加工工艺参数的设置以及对PLC发送控制信号和显示PLC的状态信息(比如报警信息，正在进行的工序号信息等)，通过触摸屏软件编程，将触摸屏中的变量直接映射到PLC中，使得在触摸屏上的各个动作能够直接反映在PLC中；PLC通过读取现场的输入信号以及触摸屏的控制信号，按照预先编好的程序进行程序扫描之后，输出控制信号到机床，以控制电机或者气缸动作；现场传感器输入信号由左右移电机极限位置、原点传感器与左右钻电机极限位置、原点传感器和主轴电机电流传感器等输入信号组成。
2 硬件设计
综合考虑系统工艺要求，选用松下公司生产的FP—X C60T PLC。该PLC具有4个脉冲输出，由于每个脉冲输出均有一个脉冲输出口和脉冲方向输出口以及原点位置和极限位置输入口，故需占用4×4=16个I／O口；再根据系统的其他控制要求，需设定4个输入口(主轴超限电流和急停、启动输入)和10个输出口(包括对5个气缸的控制输出和报警信号、油泵信号，主轴电机过流输出信号等)。
触摸屏选用威纶Weinview MT506触摸屏，其开发软件是Easy Builder，简单易学。3 软件设计
3．1 PLC软件设计
松下FP—X C60T采用FPWIN GR Ver．2．72软件进行编程设计，可采用梯形图语言和顺序功能图语言进行编程，本设计采用梯形图编程。
软件设计包括手动方式和自动方式设计，其中手动方式要求对各个动作都能单独独立运行，自动方式操作时需要严格按照工艺要求的操作流程来完成整套动作。软件设计流程如图2所示。
3．1．1 自动方式设计
双头盲孔钻机自动方式下的工作流程如图2所示。由于自动方式具有较严格的工艺流程要求，编程时采用松下PLC的步进转移指令：SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE等5条指令。而对于步进电机的控制，则直接采用松下PLC中的脉冲输出指令F171(SPDH)，F172(PLSH)指令。通过设置脉冲输出指令控制字，还可以调节步进电机的低速，高速以及加速时间，脉冲个数等。使用松下PLC，对步进电机的控制很方便。
3．1．2 手动方式设计
手动方式一般用于试机运行及调试阶段。设计有6个气缸单步运行，4个步进电机单步执行，2个主轴电机单步执行。对于步进电机控制，采用调用子函数的方法来对各个步进电机进行单步运行。除此之外，换刀对刀功能也需要在手动下完成。
3．1．3 步进电机控制技巧
针对步进电机控制，采用松下PLC的特殊指令F171与F172。其中，针对F171有两种不同的控制，一种是梯形图控制，另外一种是原点返回控制。两种控制通过设定数据表来选择。这个指令可以用在自动方式下的步进电机控制。对于指令172(PLSH)是JOG控制，可以用于手动方式的电机控制。
3．1．4 急停功能设计
当发生任何故障或者紧急情况时，需要有急停保护措施。一旦按下急停按钮，对于气缸来说，则保持原状态不变；对步进电机来说，则需要将其脉冲输出停止，使得电机停止转动。这可以通过设置脉冲输出的控制命令字来完成。一旦出现紧急情况，则触发急停按钮，关闭脉冲输出指令，步进电机停止，同时报警信号产生。等按下回零按钮时，报警信号关闭，各步进电机回到原点。同时，还需要对PLC系统中的一些内部数据进行初始化，以备报警信号消除之后，钻床能够继续进行加工，而不是在故障发生时的状况下继续运作。
3．2 触摸屏设计
触摸屏设计包括创建人机界面和实现与PLC主机之间的通信两个方面的设计。
3．2．1 触摸屏人机界面设计
使用Easy BuiIder软件设计人机界面。该软件提供了多种控制器件库、图形空间和功能组件。根据系统工艺要求，配置有主画面、手动1、手动2、手动3和参数界面共4个界面。其中，主界面配置的部件有回零点、换刀对刀按钮，手／自动切换按钮、主轴电机按钮、气缸油泵按钮、启动按钮还有急停按钮；手动1、手动2是分别对左右移电机、左右钻电机进行手动单独控制，均设有快／慢速切换按钮、左右前进按钮和左右后退按钮、同时前进、同时后退按钮等；手动3界面是对6个气缸的单独手动控制，分别为各个气缸分配了一个按钮；参数界面主要设定工件加工初始位置、钻孔深度、进刀量等参数。图3为双头盲孔钻机人机界面的结构图。
3．2．2 触摸屏与PLC的通信
设定人机界面中的变量，使其与PLC中的相应I／O点或存储单元之间建立联系，实现触摸屏对PLC的控制及参数的输入，控制PLC的运行状态。
除此之外，还需要设定触摸屏与PLC之间的通讯参数，实现触摸屏与PLC之间的通讯。
在钻机系统中，采用PLC控制，使得系统硬件电路设计简单可靠，而触摸屏的设计，即增强了人机交互能力，同时也大大减少了传统控制方法中的开关、按钮、指示灯、仪表等电子器件的使用，还间接地减少了PLC外部I／O点的使用，简化了系统的硬件设计。两者的结合，综合了各自的优点，不但操作方便，系统性能也更加安全可靠，具有广阔的应用前景
用单片机构成的PLC，实际上就是一个单片机测控系统。用这样一个程序控制的计算机系统去执行继电控制的梯形图程序，由于继电控制梯形图中各被控电器之间是并行关系，而计算机程序控制中，各被控电器之间在时间上是串行关系，二者显然不协调。若简单地像一般单片机测控系统一样，对梯形图各程序行依次实时采集输入端子状态，进行处理后实时输出，是达不到控制目的的。为此，必须采用一次性采集全部输入端子状态，并将其存入输入缓冲区。然后，按梯形图程序行的逻辑关系，从输入缓冲区读取相应输入端子状态，处理后将待输出的结果存入输出缓冲区。后,待梯形图程序行全部执行完毕，一次性将输出缓冲区的值输出到相应的输出端子，从而完成一个程序执行周期。如此往复，自动进行下一轮的采集输入端子状态……。这种工作方式即称为扫描方式，它将串行程序工作和电器并行工作两种关系协调了起来。另外，单片机执行一条指令的时间是μs级，执行一个扫描周期的时间为几ms乃至几十ms。相对于电器的动作时间而言，扫描周期是短暂的，可以认为在一个扫描周期内输入端子的状态是不变的，而对其状态变化的采集和处理也是实时的，从而满足了实时控制的要求。
系统硬件配置以AT89C51(以下简称51)单片机为核心，如图1所示。该单片机有4 KB闪存，不必扩展程序存储器，其4个I/O口共32个I/O引脚，都可供用户使用，其中P0.7~0.0，P2.4~2.0共13个脚经光耦隔离后连到相应的输入端子X07~X00，X14~X10。可以用行程开关、液位开关、霍耳开关和手动按钮等进行输入。开关接通时，相应引脚为"0"，取反后存入输入缓冲区。
P1.7~1.0共8个引脚用于输出控制：P1.i为"0"时，相应的PNP管导通，继电器Ji线圈通电，其触点Y5i接通，可驱动220 V/3 A的负载。
为了与PC机进行通信，系统扩展了RS-232C接口电路。51单片机的RXD和TXD信号经RS-232C电平变换后接至9芯插座。由此可与PC机进行串行通信。一方面，在编程状态时，可接收PC机上梯形图汇编程序编译结果的OBJ指令代码，并存入程序存储器;另一方面，在运行状态时，可将I/O口的状态和处理结果实时地发送给上位机。
程序存储器选用有SPI接口的X25045芯片。这是带可编程看门狗和电源监控功能的E2PROM，有512字节，每字节可擦写10万次，数据可保存100年。上电时自动提供200 ms高电平复位脉冲;有三种可编程看门狗周期;电源欠压，VCC降到转折点时，自动提供复位脉冲。E2PROM采用三线总线的串行外设接口SPI，既节省了I/O口线和电路板空间，又降低了系统成本。因此，该芯片是性价比极好的组合芯片。
软件设计分为PC机梯形图汇编程序编译软件和51单片机软件两部分。前者用IBM-PC汇编语言编写，我们称之为PLC编译软件。本机中我们自己设计了一套TD型PLC的梯形图汇编语言指令系统，有LD/LDI、AN/ANI、OR/ORI、TM/TMI、CN/CNI、MA/MAI、OUT、JP/JE和END等16条基本指令和X00~07、X10~14、Y00~07、CN0~1、TM00~07、MA00~07、10~17等器件。用它们来描述继电器梯形图，即设计梯形图汇编程序。用全屏幕编辑软件将其输入到PC机，即建立了源程序文件。然后用PLC编译软件将其编译成PLC目标程序文件(OBJ文件)，并经串行通信口发送到单片机，由单片机将其写入E2PROM。
51单片机软件由编程软件和运行软件组成。编程软件主要有串行通信和写E2PROM两个模块。此时，须将面版上的手动开关设置P2.7="0"，单片机即处于编程状态。当P2.7="1"时，单片机即处于运行状态。运行状态的程序主要有：
(1)输入端子采集模块
该模块两次采集P0口和P1口状态，结果全同时为有效，即将其存入输入缓冲区，否则重新采集。用软件滤波的方法，提高了抗干扰能力。
(2)指令分析模块
该模块从000H地址开始，依次读取E2PROM中的字节内容，先读出操作码，对其分析后转向相应的处理程序;接着读操作数，供处理程序操作，从而完成一条梯形图汇编指令的执行。然后再读取下一条指令的操作码……。遇到OUT指令时，将待输出的数据存入相应的输出缓冲区。
(3)输出模块
当CPU从E2PROM中读到END指令的二进制代码时，表示一次扫描周期结束，即将输出缓冲区的内容一次性输出到P1口，从而完成输出端子的刷新。
该PLC的应用可以用水塔水位控制的例子来说明。
图2(a)是硬件接线图，SB1/SB2是启动/停止按钮;SAC是水池液位开关：水浸到时接通，无水时断开;SAH、SAL分别是水塔的高低液位开关;M是水泵电机。
图2(b)是继电器梯形图，图2(c)是继电器汇编程序，即TD型PLC源程序。其中y50是PLC输出端子，我们将它的软件触点y50作为水位上升或下降的标志：y50="0"，表示电机已停，水位下降，此时SAL虽已接通，但电机不动作;y50="1"，表示电机正在抽水，水位上升，此时SAL接通，电机通电，继续抽水，直到高水位。
总结：系统完成了预期设想的功能目标。基于AT89C51的微型可编程控制器有其自己的优势，广泛用于生产生活中。
