6GK7243-1EX01-0XE0技术介绍
1 引言
控制系统的控制对象较为简单—本文以上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统为对象，已经实现了一般I/O模块的PLC控制。为有效利用资源，在此，考虑将高密度I/O单元引入到系统中来。系统模型虽然十分简单，但是在改造过程中还是应该基于系统的硬件组成及其工作原理进行必要的可行性分析，实验，然后才能给出合理的改造方案。
2 硬件组成
(1) 控制对象
控制对象即本实验装置是由上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统，它由6个手动/自动道叉、1-2台火车模型、2个站台、2对红/绿信号灯以及3段供电的轨道和沿途共设置的22个红外信号检测元件所组成。其中，供电轨道存在供电电压和供电电压方向两个控制因素。其模型示意图如图1所示。
图1 车辆运行控制系统模型图
其中，火车模型的运行是靠两段轨道的上输出的直流电压来供电，且运行的方向和速度则是通过对输出电压的方向和大小进行无极调节和控制来实现的--这就说明了理论上在同一段轨道上，两辆火车的运行速度及其方向是完全一样的，系统中同时有两辆火车运行时，不存在碰撞或者追尾的问题。22个红外信号检测元件主要是对火车的位置实时监控，作为系统的控制信号输入到控制器上。在两个站台的出/入口和内侧轨道的一端共设有6个手动/自动叉道，通过给定的脉冲信号来选择轨道,但是要注意脉冲宽度不能太大,否则，就会损坏叉道。这样，就可以对系统的信号进行一个初步的统计:
·输入信号: 22个光电检测信号;
·输出信号: 23个数字量;
3对模拟量。
(2) 原有控制系统
基于以上的分析，我们设定在本实验系统中要实现如下基本功能:
· 站前鸣笛，以提醒工作人员接站;进站时速度减慢，直至停下。出站时也要鸣笛。
·一次只能有一辆火车停在站台，若已有火车停下，其他要进站火车只能在站外等候进站;否则须绕道(外围轨道)而行，以免发生撞车事故。
·红/绿灯作为火车能否出站的标记:绿灯即通行，红灯不通行。
为了实现上述功能，并基于上述对系统控制信号的统计，在原有控制系统中我们用了相应的I/O模块:2个ID212模块，1个OC224和1个OC225模块和1个DA004模块。
3 系统改造
原有系统已经实现了对系统的控制。但是在以上的分析中我们可以发现系统中控制信号多为数字量，而且点数相对较多，为了充分利用实验室资源，决定将高密度I/O单元引入到系统中来，对原有系统进行改造。我们采用的高密度单元都为32点，这样原有系统的两个输入、输出模块都可以分别采用一个。具体改造如下:
(1) 输入模块改造
系统共有22点数字量输入，在此，只要采用1个32点的高密度单元就可以了。结合实验室现有状况，我们选用1个ID215模块来代替原有系统的两个ID212模块。在原系统中，ID212的COM端接地，在此，由于ID215是双向晶体管输入，即它的COM为接地或者5～24VDC均可，所以，在改造过程中不存在电路转换的问题，改造方案是可行的----将原信号线直接接到新的高密度模块上来即可。
(2) 输出模块改造
系统的输出点数也较多，共23点。我们决定采用OD215来代替原有的OD225和OD224，这里，OD215用作32点静态输出用的晶体管输出单元，其电路配置如图2所示。
图2 高密度模块OD215的电路配置
由以上的电路配置图可以知道，OD215和ID215不同，它的COM端只能接地，但是在原系统中，由其硬件电路决定了OC224以及OC225的COM端必须接2～24VDC，所以，这里就不能直接换接了。同时，由OD215模块的性能可知，其大开关能力为5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/单元，输出电阻4.7kΩ)，在改造过程中还是要考虑到模块的大负荷能力，以免烧坏模块。系统中共有23点数字量输出:12个叉道控制信号;6个方向控制信号;1个蜂鸣器外加4个红/绿灯信号(其中前19个信号都是继电器输出)。
·红/绿灯电路改造
在对红/绿灯电路进行改造之前，首先要得出电路的工作原理。实验表明，系统的红/绿灯电路本身存在一个门槛电压的问题，也就是说只有达到一定的电压值时，红/绿灯才会发光。同时结合模块性能，对原有电路进行改造是可行的。
首先考虑到要在原有系统中增加一个上拉电阻R1，这样就可以解决OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整个系统处于“负逻辑”的控制状态，这里所接的上拉电阻的阻值要尽可能的大(一般在1k~5k之间)。这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在35mA之内不会超过模块的限流电流值;同时还要考虑到红/绿灯电路的门槛电压的问题。多次实验表明:在上拉电阻R1小到将近500Ω的时候，才能保证红/绿灯电路的正常工作;同时在模块的输出侧增加一个电阻模块R2分流以避免模块中单路电流过大，从而保护了模块。这样一来，改造后的系统便可保证原有系统既正常又安全的工作。系统的改造电路如图3所示。图3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模块输出为高电平时，红/绿灯电压约为3V，没有超过其门槛电压，不导通;输出为低电平时，红/绿灯电压约为7V，正常工作。
·继电器电路改造
图3 红/绿灯电路部分改造
对系统中继电器电路部分的改造相对简单多了。和红/绿灯电路改造步骤一样，首先直接在电路中串连一个电阻，在1k~5k之间。实验结果表明:只要在每路输出电路中串连一个1.2kΩ的上拉电阻，这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在24mA之内不会超过模块的限流电流值，即可保证原系统此类继电器输出部分即正常又安全的工作。其改造电路如图4所示。
图4 继电器电路部分改造
至此基本完成了对原有控制系统的高密度I/O单元的改造，在红/绿灯的改造过程中我们可以发现模块的单路电流都接近其单路电流的限流值，考虑到模块的安全性、使用寿命以及优化控制系统的思想，在接线过程中就将4路红/绿灯信号分散到了模块的不同的公共端。
4 系统软件改造
对系统的硬件改造在实质上并没有改变原有系统软件的控制思想，所不同的是，系统的硬件改造中所引用的高密度I/O单元都是特殊功能模块，输入输出点的地址表示有所不同，在改造过程中需要将原有地址和现有地址一一对应进行改造;同时，还需要注意的是OD215是采用负逻辑的方式输出的，在原有PLC程序中需要对其作出相应的调整。在原有由组态王开发的系统实时监控画面也需要修改原有程序中的某些地址以满足对现有系统的实施监控的目的。
5 结束语
在确定了对系统进行改造的方案以后，通过一段时间的硬件连接、软件改造以及调试，系统已经能够达到如期的控制效果，并能安全有效地实现控制任务。同时有效利用了实验室现有资源，说明了在某些系统中引入高密度控制单元的可行性并体现了控制系统的控制水平。
1 引言
由于干出灰控制系统控制点数多、工况恶劣，在传统的控制技术下，系统效率较低、可靠性差、达不到期望的控制效果;而可编程逻辑控制器(PLC)结构紧凑、扩展性能良好、价格低廉、运算指令丰富，抗干扰能力强、可靠性高，非常适合在恶劣条件下工作的工程机械使用。本文针对干出灰控制系统的要求，设计了一种基于PLC的干出灰控制系统。
2 工艺流程
现场共有三台炉子(1#，2#，4#)、两个灰库、三台空压机、两台风机。1#炉、2#炉各自包括两个电场，4#炉包括三个电场，每个电场包括一组(两个)仓泵，每组仓泵附近配置一个电磁阀箱(共7个)。七个电磁阀箱的内部结构完全相同，功能一样。
(1) 电磁阀箱内有七个电磁阀，远程/就地转换开关、复位按钮、报警指示灯各一个，每个电磁阀配有一个手/自动转换开关。自动输灰时，七个手/自动开关都应打到自动位置，远程/就地开关打到远程位置，如果二者设置不一致，控制室内连锁报警灯亮，上位机也会出现报警。当远程/就地开关打到“就地”位置时，自动输灰停止。
(2) 任一仓泵由就地控制切换到远程控制时，该仓泵都要升压流化出灰一次，然后进行正常的自动出灰过程;由控制远程切换到就地控制时，该仓泵停止出灰。
(3) 当仓泵料位计故障后，进灰阶段自动转为时间控制，故障消除后进灰阶段转为料位和时间双重控制。吹堵或人工清堵时出现报警，堵管消除后，按下复位按钮可恢复自动输灰。
(4) 同一输灰管线上只能有一个仓泵输灰。1#、2#炉一、二 电场共用一根输灰管，优先级别为:先满足出灰条件的一组仓泵优先出灰。4#炉一、二、三电场共用一根输灰管，出灰优先级别为:三电场的的仓泵出灰等待时间超过40min时级别高，二电场的仓泵出灰等待时间超过20min时级别较高，一电场仓泵出灰级别高，二电场仓泵出灰级别较一电场次之，三电场出灰级别低。
(5) 输灰时间过长报警后，输灰管道上的压力值小于30Kpa，该仓泵出灰阶段结束，转入吹扫阶段。
3 硬件系统设计
根据上述的工艺流程要求以及系统本身还要实现数据处理、画面显示、文档存储等功能，本系统采用了上位机与下位机结合的双级结构。控制系统的检测和控制点数共有202点，其中AI:22点，DI:91点，DO:89点。控制系统硬件框图如图1所示。
(1) 上位机选型
本系统上位机采用ADVANTECH工控机，硬盘容量为30G，内存为128M，显示器为PHILIPS 109G，操作系统为WIN2000 Professional。
(2) 下位机硬件配置
CPU模块:FX2N-128MF;输入/输出模块:FX2N-4AD;通讯模块:RS485BD和RS232C。
4 软件系统设计
(1) 上位机软件设计
监控系统软件采用的是北京“亚控公司”的《组态王5.1》。整个监控画面由首页、系统图、历史趋势图、模拟量棒图、报警图，报警表、参数设定、吹堵阀图、报表几部分组成。
l 首页:按正常方式打开工控机，提示输入登录密码，密码正确后进入WIN2000操作系统，进入《组态王》“运行系统”输灰监控系统首页后等待10s，自动进入系统总貌图。
l 系统图:系统图共5幅:总貌、1#炉系统图、2#炉系统图、4#炉系统图、灰库及电气设备系统图。
l 历史趋势图:历史趋势图上有数字显示出左、右两指示器值并有大值、小值、平均值显示。屏幕下方设有四个设定步长的按钮可供选择，另外还设有一个“参数设定”按钮。
l 模拟量棒图:棒图可直接显示出仓泵压力值，储气罐压力值，空压机、风机、电加热器的电流值。
l 报警图:报警时显示红色，按下确认后，未恢复的报警则变成黄色，否则变成绿色，在屏幕右上角的粉色框内显示新出现的报警。屏幕上的复位按钮用于复位堵管联锁使输灰恢复正常。
l 报警表:以表格的形式出现，能够显示出数字量输入点的状态。在仪表调试和维护时使用比较方便。
l 参数设定:在进行参数设定之前，必须先登录，在系统提示下选择“系统监察员”级别，输入正确的密码后，则可进行参数设定，设定完成后，要按下注销按钮，以保证系统安全。
l 吹堵阀:显示七个吹堵阀的开关状况，同样遵循“开阀”显示绿色，“关阀”显示红色的原则。
l 报表:该画面包括实时报表和历史报表的显示、编辑、保存、和打印的功能。
(2) 下位机软件设计
下位机程序主要采用梯形图编制，利用装在上位机的编程软件FXWIN-C编写调试，后将调试的控制程序下装到下位机，控制程序流程图如图2所示。
5 结束语
高压燃煤锅炉干出灰控制系统采用PLC，替代传统的继电器;所有参数采用计算机集中显示，替代传统的二次仪表显示。本设计系统已投入实际运行，系统性能稳定可靠，满足工艺要求，并在人-机界面的防护性和友好性都有出色的表现，各项技术指标达到了设计要求。
1 引言
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。而可编程逻辑控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机驱动器的特点，我们采用了日本OMRON公司生产的位置控制单元模块NC111，用来产生脉冲和方向电平，来控制机械手的运行。
2 四自由度机械手的结构及运动
四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴伸缩、Z轴升降、底盘、腕回转功能。驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。机械手主要完成从3台辊道输送带到立体仓库出货台之间的货物传递。
(1) 四自由度机械手主要性能指标
X轴:大移动距离420mm
Z轴:大移动距离420mm
底盘回转:小控制转角0.09°，大回转角小于等于300°
腕回转:小控制角0.9°，大回转角小于等于300°
图1 四自由度机械手限位开关示意图
图1为四自由度机械手的限位开关示意图，其中SQ1~SQ7为限位开关。其作用是保护运行时不会因为过限而造成机械上的损坏。
(2) 运动流程根据实际需要而定，如上升嘧笮朽逆时针旋转嘧ナ肿ソ羿下降嘤倚朽顺时针旋转嘧ナ址潘舌返回，还可以有其他工作流程。
3 机械手的工作原理
机械手的伸缩、升降、转盘、抓手的运动是由步进电机驱动器来控制的，型号为SH-2H057。其步进电机驱动器的输入脉冲和电平信号是由PLC上的NC111模块来提供的。其电路原理图如图2所示。
图2 机械手工作的电路原理图
(1) 步进电机驱动器
本驱动器的输入信号共有3路，分别是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入负输入端，且电路形式完全相同。OPTO端为3路信号的公共正端(3路光耦的正端输入)，3路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可以直接接入;如果VCC不是+5V则需外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
a) 步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说,驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，改变CP脉冲的频率,能改变步进电机的转速，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机jingque定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的，本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5μS，如图3所示。
b) 方向信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此信号为高电平时，电机正转;为低电平时，电机反转。电机要转向，必须在电机停止以后进行，如图4所示。
图3 CP的脉冲宽度以及高低电平方式
图4 方向信号DIR
c) 脱机电平信号FREE
当驱动器上电以后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲时)，可以用FREE信号,手动调整电机而不关闭驱动器。
(2) NC111模块的工作原理
C200-NC111是C200PC用于位置控制的智能单元。它可以为步进电机驱动器或伺服电机驱动器输出脉冲，以控制运动部件的位置和速度。
a) 性能指标
l 每个单元可以控制一个轴;
l 输出控制脉冲:-8388607~+8388606;
l 脉冲速率:1~99990个/s;
l 脉冲速率得变化:控制系统可实现阶梯式自动加减速,加速度为每毫秒1~999每秒脉冲;
l 原点搜索:可监测原点或原点信号;也可进行原点补偿0~9999个脉冲;也可高速或接近现有速度搜索原点;
l 间隙补偿:0~9999个脉冲;
l 手动操作:可高速点动，低速点动和微动;
l 多点定位:可一次定位20点，以15种速度变化;
b) 系统配置
图5为NC111的结构框图。
位控单元有自己的微处理器和存储器，还有脉冲发生器和I/O接口。位控单元既可以被PC主CPU单元控制，也可以直接由控制台的外部输入信号控制。一方面它通过总路线及接口电路与C200HPC相连，与主CPU频繁交换信息;另一方面又通过I/O连接器接收外部开关量输入及输出脉冲。位控单元根据PC发出的控制指令和接收到的
图5 NC111的结构框图
外部输入信号，由自身的CPU执行具体的定位算法，并依执行的结果控制脉冲发生器输出脉冲数及频率。位控单元减轻了主CPU的负担，它终还是作为C200HPC的一个智能接口单元，占用相应的I/O地址。NC111插入C200HPC的底板槽中，通过一条40芯插头与外部I/O连接。NC111接收外部的操作按钮、限位开关的信号，输出脉冲信号，用户通过PC向NC111设置参数及发出命令，NC111即可自动根据现场的检测信号和PC的命令来调整控制输出，达到准确定位。
4 机械手流程图及NC111模块的数据区设置
4.1 启动后机械手的流程
(1) 首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的重启动和原点搜索;
(2) 机械手的伸缩臂向前，同时转盘顺时针旋转，一直分别运行到NC111模块bbbbbbbbing bbbbbb #0中设置的输出脉冲个数时停止;
(3) 机械手下降，一直到下降到NC111模块bbbbbbbbing bbbbbb #0中设置的输出脉冲个数时停止;
(4) 抓手电磁闸启动，抓手抓紧，抓起货物A;
(5) 机械手的升降进行原点搜索;
(6) 机械手的伸缩臂向后，同时转盘逆时针旋转，一直分别运行到NC111模块bbbbbbbbing bbbbbb #1中设置的输出脉冲个数时停止;
(7) 机械手下降，一直到下降到NC111模块bbbbbbbbing bbbbbb #1中设置的输出脉冲个数时停止;
(8) 抓手电磁闸再次启动，抓手放松，货物A放下;
(9) 再次对机械手的升降进行原点搜索;
(10) 机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全部复位。
图6是完成用机械手把货物从辊道上运到堆垛机货台上的一个流程。其它流程与其大体相似，只是在脉冲个数上的设置有所不同。本程序已经投入使用，一切工作正常。
图6 机械手流程图
4.2 NC111模块在DM区的数据设置
NC111模块在DM区的数据设置如图7所示。
图7 NC111模块在DM区的数据设置
5 结束语
本文以武汉大学物流控制系统实验装置为例，介绍了日本OMRON公司生产的NC111位置控制单元模块在机械手步进控制中的设计应用。说明了机械手的动作原理、设计要求、程序设计方法。本文介绍的程序已在实际生产中获得了成功的应用。
