西门子6ES7232-0HD22-0XA0产品信息
数控加工过程容易出现撞刀事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，更容易导致撞刀事故发生。撞刀事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，更可怕的是可能造成人身伤害。因此，怎样防止撞刀事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员重点考虑的问题之一。
1 撞刀信号的检测
所谓数控机床撞刀，指的是由于各种错误而导致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞刀事故的发生，可以考虑使用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断，并检测此时车刀的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到刀具与工件距离在警戒范围内，且刀具快速移动朝向工件时，就认为要发生撞刀事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。
1.1 用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断
由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车刀套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车刀的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。
图1接近开关电路原理图
1.2 用HC对车刀运动方向信号及速度信号进行检测
检测车刀运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。
而速度信号的检测，首先是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。
2 防撞刀系统控制方案
控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。
PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100 bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。
图2 PLC控制流程图
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。
图3 PLC编程梯形图
若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。
Y1接通后进一步使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1 s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。
程序设计的一些说明。
1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：低的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，刀架快速移动的速度设置为3 000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不超过PLC的X4、X5端口的频率上限7 kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率超过PLC的X4、X5端口的高频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或刀具移动速度是否为“快速”的判断。
2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01 mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7 Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5 ms的时基内可检测的脉冲个数多只有2个。考虑留有一定的安全裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。
X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。
程序在系统控制试验中运行正确。
接近开关警戒距离的设计
当控制系统判别要出现撞刀事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞刀，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。
系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所必须的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出进一步的分析。
3.1.2 功放电路中锁相延时td2
在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。因此功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：
式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310 V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。
3.2 步进电机制动距离分析
步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三相反应式步进电机为例分析其制动问题。
对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为
式中：L为相绕组的自感，i为通入绕组中的电流。
制动过程刚好与启动过程相反，因此，从理论上说可以参照启动的分析去处理，即若步进电机处于单相锁相制动时，转子每转过一个齿角，即就会消耗“转子”(包括电机转子及其连接部件，下同)W的能量。根据能量守恒原理，分析步进电机的制动距离，可以考虑从脉冲指令被截止后“转子”的能量需要转过几个齿角才能被消耗完来求得。
根据能量守恒原理可得：
3.3 车刀总制动距离的计算
若考虑控制系统的响应延时，则车刀总的制动距离A为：
根据式(6)，以GSK928TA数控车Z轴为例，步进电机型号110BC3100C。
转子齿数Z为100，定子每相绕组电感L为18mH，锁相电流i=8 A，丝杆螺距S-6 mm。工作台重量Mg为140 kg，电机转子及执行机构的转动惯量td=1.73×10-4kg·m2。根据3.1控制方案响应延时分析，系统控制方案响应延时幻约为32.5 ms(继电器输出)，若车刀速度Vf=2 000 mm／min时，车刀总制动距离A=3.7 mm。
上述对于步进电机在出现撞刀事故时总制动距离的分析，对于接近开关警戒距离的设计可起到理论指导作
可编程序控制器是八十年代发展起来的新一代控制装置，由于它结构简单，编程方便，性能优越，被广泛的应用在工业控制的各个领域。在工业控制环节有些生产还是处于粉尘、油渍、蒸汽较多的环境。恶劣的工作环境将对电气控制系统产生不利的影响，所以要求电气控制系统有良好的性能以及很强的抗干扰性。因此plc在工业中起着重要的作用。
在铝材挤压技术中，27MN卧式单动短行程前上料铝挤压机采用卧式三梁四柱预应力组合框架结构，短行程前上料正向挤压方式，油泵直接驱动，配置世界先进的机电液控制元件和系统，以及配套齐全的机械化辅助设备，采用PLC与计算机两级控制，使压机的速度、位置和压力得到**的控制，所采用的主要技术集中体现了当代挤压机的发展趋势和先进技术水平．适宜生产制造、利于操作维护，提高生产效率、降低使用成本。
一、 系统配置：
本系统采用西门子S7-300系列CPU、OYES-300系列IO模块、OYES-300系列通信IM153模块等。通过profibus-DP网络实现主站和从站之间的通讯；中央控制室上位机与现场主机之间通过MPI网络通讯，对生产过程中的压力、温度、速度、功率和时间等参数进行实时监控。
数字量输入模块直接同电气发讯元件即按钮、限位开关、压力继电器等连接。数字量输出模块直接控制电磁阀、控制继电器、指示灯等。模拟量输入模块直接同压力传感器、速度给定电位器等相连。模拟量输出模块直接给比例阀放大器信号。
STEP7硬件组态如图1所示：
二、 程序设计：
本系统采用STEP7组态编程，根据铝挤压机控制有压力控制、位置控制、速度控制、模拟等温控制、挤压筒温度控制等控制系统，分别为每部分控制编写相应的FC(功能Function)、FB(功能块Function Block)、DB(数据块Data Block)等。
三、 工艺流程：
铝挤压机生产工艺流程。首先启动控制泵，启动控制泵后才有控制油可以控制其他动作，当延时加载后如果压力继电器不发讯，表明有故障停止，如发讯，顺序启动主泵，此时如果压机不在各自原始位，手动调整至原始位，操作挤压桶闭合，如果根据拉线式编码器测定到了减速位，减速后到了锁紧位锁紧，如果不到锁紧位，压机停止等待到位再动作，如到位供锭器供锭，到位后才可供锭器供垫，到位后穿孔针前进，接着穿孔针到挑垫位置，挑垫片位到位后挤压杆前进同时穿孔针停止，到供垫器下降位后供垫器下降或到供锭器退回位后供锭器退回，此时判断供垫器下降到位了没有，没有则挤压杆停，有则判断供锭器是否退回到位，到位后如果可以穿孔了，则穿孔针前进，充液阀关闭到位后，填充挤压，结束后突破挤压，完成后开始正常挤压，编码器取值到终端减速位后停止挤压；如未到，开始终端挤压，到了挤压结束位后主侧缸卸压，到达设定压力值后停止，如压力值还高继续卸压。当挤压桶卸压完成后穿孔针退回，到位后挤压筒松开脱料，脱料到位，充液阀打开到位，挤压杆退回，到位，挤压桶松开到剪切位，垫片接收器上升到位，主剪打垫，到打垫位，垫片接收器下降，到下位，主剪剪切，同时垫片回送，垫片润滑。主剪到下位后主剪上升，穿孔针润滑装置下降，穿孔针前进到位，润滑完毕后穿孔针退回，穿孔针润滑装置返回，结束一个周期。
1 引言
在保护材料生产行业，配料通常是将原材料按某种比例均匀混合在一起， 用以形成一种新的材料，因此配料是这类行业生产的重要组成部分。在生产过程中，各种原料要严格按比例进行均匀混合，就必须靠配料机械来完成，目前工厂一般使用两种方法，种方法采用人工称重，然后将成比例的各种原材料同时放入配料机中搅拌。另一种方法是自动称重，自动搅拌。由于很多原始材料为粉状或颗粒，人工配料时，人体容易吸入粉尘等杂物，导致职业病出现，增加了生产风险和劳动力成本，同时配料品种繁多，数量巨大，因此人工配料难以现场管理，很容易出现误配，不但质量难以保证，同时也增加了管理成本。为了保证产品质量，提高生产效率，要求采用准确、可靠的自动配料系统。
2 基于 PLC、 工控机和称重仪表的配料系统
在河南西峡保护材料集团现有的配料系统中，工人首先将材料运送到称重车间，称重完之后，再将材料手动送到配料机上进行配料，称重车间使用了杭州四方的称重仪表进行称重，通过RS232口和工控主机相连，位于中控室的工控主机负责记录称重结果，显示称重数据，同时，控制人员可以在中控室通过控制电路手动控制配料过程的起停。
这种方式效率低下，同时，主机上运行的是C语言开发的DOS程序 [1] ，可扩性差，人机交互困难，不能完成自动配料的所有要求。为了提高生产率，降低成本，需要采用全自动配料系统。
新系统采用主从式结构。 以工控机为上位主机，以西门子PLC [2] 、变频器和称重仪表为下位从机。主机处于主导地位，实现对各从机的通信管理和控制，将工控机的RS-232异步通信口经电平转换后与PLC相连，形成上、下位机通信的一个物理通道；将主机的另一个RS-232口和称重仪表的通信口相连，构成第二个物理通道。上位机采用轮询方式，逐个与从站通信。上位机把任务规划的结果传送给PLC，在PLC进行控制的过程中，上位机使用上位机连接命令监视下位机的运行状态和数据区内容，实时读取PLC的内部状态以及称重仪表的实时数据，在上位机上显示。
总体上讲，系统具有如下功能：
①全自动配料，在设定好配方之后，系统自动按照配方称重配料，无需操作人员干预；
②具有报表功能，可以产生日报表，实时报表和月报表、年报表等；
③动态增加和修改报表，系统通过设定权限，赋予技术人员或操作人员修改，增加配方的权利，同时记录该次修改的日期和操作人员编号；
④断电恢复功能，系统能够在突然断电的情况下， 恢复断电前的测量记录；
⑤局域网共享功能， 主机在局域网内可以共享数据，方便车间主管了解工程进度和其他情况。
2.1 系统的组成
整个全自动配料混合系统由工控机、PLC、工业称重仪表、变频器、振动电机、混料机、传感器、传送带等部分组成。
上位工控机提供人机交互界面， 完成控制信息输人、数据管理、进行数据显示、存储、统计和报表等功能，上位机采用IPC810工控机，它的主要工作如下： 工控主机首先根据操作人员的指令， 读取某个编号的配方， 然后， 根据配方中配料的比例及先后顺序，向PLC发出开始配料的指令，使得PLC能够起动特定的变频器。在配料过程中，工控主机以轮询的方式，一方面实时读取PLC的状态字，了解PLC及PLC下级设备的运行状态； 另一方面实时读取安装在配料机上的称重仪表的称重数据， 按照配料策略， 当称重接近配方中的设定值时， 主机向PLC发出停止本次配料的指令。 当一个配方上的所有材料都配完后， 整个配料过程暂停，等待操作人员的指令。
系统运行过程中，PLC与上位机实时通信，从而保证界面上显示的数据与现场实际数据的一致性，操作人员在上位机上发出的操作命令和设定参数都可以实时送到PLC，PLC的主要工作有：①接收上位机发送来的命令，通过变频器控制振动电机的起、停和快慢；②将变频器的运行状态实时写入内存数据区，供工控机读取；③将自身的各种状态以状态字的形式准备好，共工控机实时读取。
2.2 控制策略及配料过程
通过对配料过程的特点进行分析，得到配料过程具有如下特点：
（1）被控对象是单向的不可逆系统。原料没有办法从配料机中重新回到传送带上。
（2） 具有明显的时滞性。 当配料达到设定值时，PLC控制电机停止传送原料，这时传送带上具有部分原料无法回收，所以系统具有明显的时滞性。
（3）受控特性是开关性的。系统的起、停控制等都是开关量。
（4）配料系统在正常工作区内是线性的。
因此，我们考虑采用快速、慢速、提前发出停止加料指令等控制策略， 同时利用PLC的互锁技术确保配料的顺利进行。系统起动后，工控机向PLC发出开始加料信号，PLC控制变频器驱动电机进行快速加料， 同时， 工控主机通过串口持续不断的读取称重仪表的称重数据， 当重量值接近设定值时， 工控主机向PLC发出停止加料的控制指令，此时，PLC控制变频器进行慢加，通过事先估计出传送机构上原料的残余， 设定值和实际加料的差值和传送机构上原料的残余相当时，PLC真正发出停止指令，该指令由变频器执行， 从而控制电机停机， 停机后传送机构上的原料无残余，配料精度符合要求。流程如图1所示。
3 工控主机软件设计
工控机主要完成的任务如下：
（1）提供配料过程的动画显示。
（2） 向PLC发出控制指令， 读取PLC的运行状态。
（3）读取称重仪表上的称重信号，并将称重值在显示器上显示，根据称重数据，向PLC发送指令。
（4） 数据库和报表， 保存配料数据， 打印报表。
（5）配方的增加与修改。
（6）配料故障辅助报警等其他功能。
3.1 配料软件的界面设计
上位工控机使用紫金桥组态软件设计人机界面，工业控制组态软件实际上是一种能由用户根据自己的需要进行二次开发的软件开发平台。我们可以根据工艺要求在该平台上对整个监控系统开发出友好的人机界面，操作员通过该界面可以与现场设备进行实时交互。 紫金桥软件是HMI/SCADA工业自动化组态软件，它提供了一个高度集成化、可视化的开发环境。
该软件具有如下一些特点：
（1）多种通信功能。 紫金桥组态软件 [3] 支持如下通信功能：
1）支持RS232、RS422、RS485等串口通信方式，并支持无线电台、电话拨号、电话轮询拨号等方式。
2）以太网通信同时支持有线以太网和无线以太网。
3）所有设备的驱动程序均支持GPRS、CDMA、GSM等移动网络标准。
（2）方便的开发系统。丰富的组件和控件构成强大的HMI开发系统；增强的过渡色与渐进色功能，从根本上解决了很多同类软件在过多使用过渡色、 渐进色时严重影响画面刷新速度和系统运行效率的问题； 更加灵活多样的矢量子图， 使得制作工程画面更快捷；提供面向对象编程方式，内置间接变量、中间变量、数据库变量，支持自定义函数和自定义菜单。
（3）开放性。紫金桥组态软件的开放性表现在如下几个方面：
1）支持Excel以VBA的方式访问数据库。
2）软件为开放式体系结构，全面支持DDE，OPC， ODBC/SQL， ActiveX，DNA标准。以OLE，COM/DCOM、 动态链接库等多种形式提供外部访问接口， 便于用户利用各种常用开发工具 （如： VC++、VB等）进行深层的二次开发。
3）紫金桥组态软件I/O驱动程序的体系结构为开放式结构，其接口部分源代码完全公开，用户可以自行开发新的驱动程序。
（4）数据库功能.紫金桥组态软件内置了实时数据库，而且实时数据库又内置多种功能块，来完成数据处理与存储，可实现累计、统计、控制、线形化等多种功能。
（5）支持多种设备及总线。支持国内外大部分厂家生产的PLC、调节器、智能仪表、智能终端、智能模块；此外，还支持Profibus，Can，LonWorks和Modbus等标准的现场总线。
3.2 系统的 I/O 点数
紫金桥组态软件用实时数据库点来表示I/O点。经过分析，系统需要三个I/O点，两个数字控制点用来通过PLC控制电机的起、停，因此这两个点的数据链接选择分别为PLC的两个数字量输入输出通道。一个模拟点用来表示从称重仪表上读取的实时数据，因此，该点的数据链接为称重仪表的测量值。
4 通信程序设计
通信程序设计主要包含三部分，部分为主机与PLC的通信；第二部分为主机与称重仪表的通信；第三部分为PLC与变频器之间的通信。
4.1 主机与 PLC 的通信
组态软件一般都内置了主流PLC的驱动程序，首先在紫金桥组态软件中新建一个PLC虚拟设备，该虚拟设备的型号必须和使用的真实PLC的型号一致，如果在组态软件中找不到所需的PLC的型号，则可以委托软件厂家免费开发一个新的该型号PLC驱动。虚拟设备用来映射真实的设备，这里，我们使用的PLC是SimensS7-300，设定主机通过串口1和PLC通信。
4.2 主机与称重仪表的通信
针对称重仪表，我们使用的是杭州四方的称重仪表，为了使仪表和组态软件很好的通信，我们特别委托紫金桥公司为该仪表开发了驱动程序。首先我们从组态软件的驱动列表中选择一个我们需要的设备类型，并针对该类型，建立一个虚拟设备，用来映射真实的称重仪表，然后设定仪表与计算机的通信端口及通信协议。
4.3 PLC 与变频器之间的通信
由于配料车间有多种原材料，为了配料方便，我们设置了多个传送带，所以配料系统一个PLC需要链接多个变频器。为此我们在PLC和变频器之间使用了Profibus总线进行通信，将专用的Profibus通信模块插入到变频器上，并设定好变频器的从站地址，然后通过Profibus连接器接入到PLC中，PLC通过编程，实现对该变频器进行报文的发送与接收，将控制字发送到变频器，同时把状态字从变频器中读取回来。
CPU315-2DP作为Profibus主站，每个与主站通信的变频器可以看作是一个Profibus从站。通信时，主站根据通信报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。从站本身不能主动发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。系统所选用的变频器型号均为Siemens MicroMaster430系列 [4] 。PLC和变频器之间主要的通信主要涉及两个概念。是数据报文，第二是控制字与状态字。
（1） 通信报文。 每条报文都是以字符STX开始，接着是长度说明LGE和地址字节ADR，然后是采用的数据字符，报文以数据块的检验符BCC结束，主要字段的解释如下：
STX区是一个字节的ASCII字符(02hex)，表示一条信息的开始。
LGE区是一个字节，指明这一条信息中后跟的字节数目。
ADR区是一个字节，是从站结点（即变频器）的地址。
BCC区是长度为一个字节的校验和，用于检查该信息是否有效。它是该信息中BCC前面所有字节“异或”运算的结果。 如果根据校验和的运算结果，表明变频器接收到的信息是无效的，它将丢弃这一信息，并且不向主站发出应答信号。
（2）控制字与状态字。PLC通过变频器的PKW区可以读写变频器的参数值，从而改变或了解变频器的工作状态。在本系统中，PLC读出该区的数据，放在特定的数据区中，供工控机查询，查询结果在工控机上显示。
5 结论
本系统通过工控机、PLC和变频器的协调工作，完成了所需自动配料任务， 系统自2008年5月投入使用以来，每天配料100多吨，完成配方10个左右，不但可实时显示工况，而且可以提供配方修改、增加等功能；实际运行表明，系统运行稳定、可靠，人机界面美观，操作方便，同时系统采用组态软件开发，可以为以后的升级提供便利。
新旧系统的功能和用途对比如表1所示。
