西门子模块6ES7221-1BF22-0XA8产品特点

1 引言

自动化设备对控制高精度、高响应性需求不断增加，自动化控制技术不断tigao，jingque高速定位控制到广泛应用，PLC这一工业控制产品也从早期逻辑控制领域不断扩展到运动控制领域，实现了PLC无法完成运动控制功能。

运动控制中大多数采用我们熟悉数控系统是计算机运动板卡来完成，作为专门产品能够实现复杂运动轨迹控制，但同时要完成一些逻辑动作控制就PLC灵活方便。台达DVP20PM系列PLC高速定位、双轴线性及圆弧插补多功能可编程控制器，结合了PLC逻辑动作控制和数控系统运动控制各自优点，功能上满足双轴插补高速定位需求。

2 台达运动控制型PLC硬件结构

DVP20PM是台达运动控制型PLC。DVP20PM前后两个扩展口既可作为PLC主机执行也可作为EH2型主机扩展模块使用，具有X0-X7、Y0-Y7数字量输入输出各八点，并配置了手摇轮、零点信号、原点信号、极限信号、启动、停止等各种信号接口满足应用需求。

DVP20PM主机包含64K超大程序容量内存（Flash），可支持100段运动程序，脉冲输出高可达500KHz，并具备电子原点返回模式，支持PLC顺序语言及定位语言(G 码与M码），下面先由硬件部分简单介绍20PM 组成。

2.1 电源

DVP20PM电源规格参见表1。

表1 电源规格

项目

内容

电源电压

100~240VAC（-15%~10%）, 50/60Hz ± 5%

电源保险丝容量

2A/250VAC

消耗电力

60 VA

DC24V供应电流

500 mA

电源保护

DC24V输出具短路保护

突波电压耐受量

1500VAC（Primary-secondary），1500VAC（Primary-PE），500VAC（Secondary-PE）

绝缘阻抗

5 MΩ以上（所有输出/入点对之间 500VDC）

噪声免疫力

ESD: 8KV Air Discharge，EFT: Power Line: 2KV, Digital I/O: 1KV, Analog & Communication I/O: 250V

接

接配线之线径不小于电源端L, N之线径（多台20PM同时使用时，请务必单点接）

操作/储存环境

操作：0°C~55°C（温度)，50~95%（湿度），污染等级 2；储存：-25°C ~70°C（温度），5~95%（湿度）

耐振动/冲击

规范 IEC61131-2, IEC 68-2-6（TEST Fc）/IEC61131-2 & IEC 68-2-27（TEST Ea）

重量（约g）

478/688

2.2I/O点规格

参见图1，DVP20PM提供数字量输入输出点规格与台达通用PLC规格基本相同，输入点支持SINK（漏极）和SOURCE（源极）两种方式，输出点也有继电器输出和晶体管输出可选。

图1

需要提到是其运动控制中特殊输入输出点，简述如下：

START0、START1：启动输入

STOP0、STOP1：停止输入

LSP0/LSN0、LSP1/LSN1：右极限输入/左极限输入

A0+、A0-、A1+、A1-：手摇轮A相脉波输入+,-（差动信号输入）

B0+、B0-、B1+、B1-：手摇轮B相脉波输入+,-（差动信号输入）

PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零点讯号输入+,- (差动信号输入)

DOG0、DOG1：原点回归近点信号输入或多段运动启动信号

CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：清除信号（Servo驱动器内部偏差计数器清除信号）

FP0+、FP0-、FP1+、FP1-：脉冲输出端口

RP0+、RP0-、RP1+、RP1-：脉冲输出端口

（注：0表示轴，1表示第二轴，如START0表示启动轴，START1表示启动第二轴，其他信号依次类推）

从端子分布可以看到，常用极限和启动停止信号外，配置了过零脉冲PG和手摇轮功能输入端，手摇轮是机床应用中常用而必备功能，而利用过零信号jingque控制场合往往会用到，当然更不用说定位控制中都会用到DOG原点信号。

2.3配线规格

一般I/O点配线就不再赘言了，可以关注一下PLC比较少用到差分输入输出方式，信号中有一部分是这样，一定要注意否则将不能正确完成，参见图2、图3。

图2差分输入配线示意图

图3差分输出配线示意图

3 台达运动控制型PLC软件结构

3.1 DVP20PM程序结构

20PM主机结合了PLC顺序逻辑控制及双轴插补定位控制功能，程序架构上主要分为O100主程序、Ox运动子程序及Pn子程序等三大类，结合了基本指令、应用指令、运动指令及G Code指令，使程序设计更多元化，结构更清晰；程序采用PMSOFT软件进行编辑，参见图4。

图4 程序设计界面

（1）主程序。主程序以O100作为起始标记，M102作为结束标记，是PLC顺序控制程序，主要为控制主机动作执行，O100主程序区域中，可以使用基本指令及应用指令，或程序中启动Ox0~Ox99运动子程序及调用Pn子程序。主要提供主控制程序建立，以及运动子程序设定及启动控制。

（3）运动子程序。Ox0～Ox99运动子程序为运动控制程序，主要为控制20PM系列主机进行X-Y轴双轴运动之子程序，于Ox0～Ox99运动子程序区段中，有支持基本指令、应用指令、运动指令及G码指令，并程序中可规划呼叫Pn指针子程序，PLC提供内部特D特M进行子程序控制。主要提供运动子程序建立，以及运动子程序运动控制，架构上可算是20PM运动指令及G码指令规划区域。

（4） 子程序。这里所说子程序是指以Pn开头一般用子程序，主被O100主程序及Ox运动子程序调用子程序。如O100主程序调用Pn指针，则Pn指针子程序支持基本指令及应用指令；若Ox0 ~ Ox99运动子程序中调用Pn指针时，则Pn指针子程序区段可支持基本指令、应用指令、运动指令及G码指令。

3.2PMSOFT软件介绍

与台达PLCWPLSoft软件相似，DVP20PM编程软件PMSOFTIEC61131标准设计，具有梯形图和语句表两种编程方式，且具有G码汇入、错误提示、区段注释、装置注释、标尺、完善监控窗口、运动指令追踪等便利工具提供给用户，特别值一提是该软件具有运动轨迹仿真功能，当您编辑好程序后可利用此功能对加工轨迹进行模拟演示，参见图5。

为方便切换阶梯窗口，点选系统信息列中树枝状对应程序编号，自动切换对应程序编辑窗口，PMSoft编辑环境中同时只能有一个阶梯图窗口，这是庞大复杂程序中找寻程序方便，同时将主程序、运动子程序、一般子程序这三种程序模块化处理，O100主程序一个编辑窗口，Oxn运动程序有100个编辑窗口，Pm子程序有256个编辑窗口，总共有357个窗口，每个窗口未编辑都有10 network。程序编辑由网络区段组成，每个网络区段是由输入与输出编辑区域所组成，编辑过程中，自动产生逻辑结构正确阶梯图，使用者无须再做额外补线动作，网络区段编辑并具有错误提示功能。

图5 梯形图编程界面

4 运动控制编程

4.1 相关概念

谈到DVP20PM产品应用之前，我们对以下概念进行一个简要介绍。

（1）插补。插补是组成轨迹直线段或曲线段起点和终点之间，按一定算法进行数据点密化工作，以确定一些中间点。为轨迹控制每一步提供逼近目标。

逐点比较法是以四个象限区域判别为特征，每走一步都要将加工点瞬时坐标与相应给定图形上点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步走向。加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；加工点已图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能到一个接近给定图形轨迹，其大偏差不超过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过距离）。

（2）直线插补。这个概念一般是用计算机图形显示,数控加工近似走刀等情况下，以数控加工为例子：

一个零件轮廓往往是多种多样，有直线，有圆弧，也有可能是任意曲线，样条线等。数控机床刀具往往是不能以曲线实际轮廓去走刀，近似以若干条很小直线去走刀，走刀方向一般是x和y方向。

插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等等。

所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线插补方式(直线,也可以用逼近方式把曲线用一段段线段去逼近,每一段线段就可以用直线插补了).首先实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点实际轮廓下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时线段终点还实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段折线拼接而成,是折线,我们每一段走刀线段都非常小(精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓可以近似看成相同曲线--这即是直线插补。

（3）联动与插补。一个点空间位置需要三个坐标，决定空间位置需要六个坐标。

一个运动控制系统可以控制坐标个数称做该运动控制系统轴数。而可以同时控制运动坐标个数称做该运动控制系统可联动轴数。联动各轴运动轨迹具有一定函数关系，例如直线，园弧，抛物线，正弦曲线。直接计算出运动轨迹坐标值往往要用到乘除法，高次方，无理函数，超越函数，会占用很多CPU时间。实时快速控制运动轨迹，往往预先对运动轨迹进行直线和圆弧拟合，拟合后运动轨迹仅由直线段和圆弧段所组成，而计算运动轨迹时，每一点运动轨迹跟据前一个坐标点数据插补运算到，这样就把计算简化为增量减量移位和加减法。

实现多轴联动直线插补并不困难，圆弧插补一般为两轴联动。插补运算可以有多种算法，例如 "DDA 算法"，"逐点比较法"，"正负法"，"小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中小偏差法具有小偏差和较快运行速度。

DVP20PM运动控制型PLC可实现2轴联动，支持直线和圆弧插补，以及相应第三轴处理。

（4）数控软件。DVP20DPM支持复杂运动轨迹控制，那是如何实现呢？简单说，将复杂轨迹AUTOCAD等软件生成图形，再CAM软件转换为G代码，而PMSOFT可以直接导入文本格式G代码，这样就可以完成运动程序下载到20PM中执行。那么怎样完成图形到G代码转换呢，这就需要CAM软件了，以下简单介绍一些常用CAM软件：

目前CAD/CAM行业中普遍使用是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...

• MASTERCAM 是常用一种软件，大多数数控操作员都使用 MASTERCAM ，它集画图和编程于一身，绘制线架构快，缩放功能好。

• CIMATRON 是迟一些进入中国软件，刀路轨迹上功能优越于 MASTERCAM，现已被广泛应用。

• Pro/E 是美国 PTC 开发软件，现已成为全世界普及三维 CAD/CAM 系统。集多种功能于一体，用于模具设计、产品画图、广告设计、图像处理、灯饰造型设计，是好画图软件，一般来说用 PRO-E 画图，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。

当然还有其他同类软件也同样可以使用，这些软件将我们想要加工轨迹曲线数据转换为PLC或数控系统可以识别执行代码，控制我们设备运动。

4.2 运动控制特点

（1）DVP20PM特色。多段速执行及中断定位，利用此项功能实现运动平滑性及准确定位。64K步程序容量,100段运动程序，满足不同加工需求；20PM中大可设置100种运动轨迹，同时利用64K程序容量，预先将需要执行各种不同运行曲线G码存储PLC中，当需要加工某种规格时，可以采用文本显示器、触摸屏等来调用。支持G码直接汇入，当采用CAM软件生成文本格式G码后，可利用PMSOFT汇入菜单直接汇入到PLC运动程序中。脉冲输入输出采用差动方式，高达500KHz，满足了绝大多数应用中速度要求。支持手摇轮应用，这是运动控制中一个基本功能，可做一些手动调整。具备电子原点返回模式，20PM内存中加入了原点记忆功能，设定了电子原点，设备断电，下次上电后也可以轻松找到原点位置。可连结EH2主机与所有扩充模块，20PM可以灵活配置，即可以接EH2主机后作为专门定位扩展模块，也可以做为主机连接其他模拟量等特殊功能模块。支持PLC顺序语言及定位语言(G 码与M码），实现了通用PLC与数控技术一个完美结合。配置运动轨迹离线仿真功能，实际加工前利用该项功能可以检查运动程序是否存问题，可及时解决减少错误发生，参见图6。

图6离线仿真器

（2）轴控方式。准确说，DVP 20PM是实现两轴（X、Y轴）联动插补产品，支持数控程序中G码功能指令，同时可以处理第三轴动作。

20PM支持G 代码功能如下：G0 高速定位；G1 双轴联动直线插补；G2 顺时针圆弧插补（设定圆心位置）；G3 逆时针圆弧插补（设定圆心位置）；G2 顺时针圆弧插补（设定半径长度）；G3 逆时针圆弧插补（设定半径长度）；G4 停顿时间；G90 设定坐标系统；G91 设定相对坐标系统。

第三轴（Z轴）处理方式如下：20PM目前只规划2轴，当G0中指定了Z轴时，此G0指令中Z轴将被拆解独立出来。

例: G0XP1YP2ZP3 G0ZP3

G0XP1YP2

G0ZP3执行时20PM将自动呼叫P255并以D0传递P3，使用者可于P255中处理Z轴动作。

4.3 一个案例

液晶切片机硬件案例。该设备中配置了DVP32EH2+DVP20PM+DVP01PU*4来控制六轴运动，其中两轴采用圆弧插补完成倒角运动，另外四轴为独立运动。实现了设备点动、原点回归、半自动及自动运行，达到jingque位置控制。

5 结束语

DVP20PM00D产品是一款同时具有逻辑控制和位置控制功能强大PLC，可以灵活、高速、jingque完成平面两轴运动控制，可以广泛应用于木工机械、焊接机械、切割设备以及半导体加工设备等等，特别适合有固定加工轨迹平面两轴控制场合。我们有理由相信其出色控制功能具有良好发展前景。

生产工艺
净水厂生产过程如图1所示，主要分为以下几个工艺过程：

图1: 净水厂生产流程

■取水 多台大型离心泵将江河表水抽入净水厂。
■投药 按一定工艺要求投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒。
■ 絮凝 表水投入混凝剂后反应，并排出反应后沉淀污泥。
■ 平流沉淀 与混凝剂反应后水低速流过平流沉淀池，悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀污泥。
■ 过滤 沉淀水颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。
■ 送水 多台大型离心泵将自来水以一定压力和liuliang送入城市管网。
　
控制方案
自来水生产工艺主要具有以下特点：
■ 各生产工艺段相对独立，单体设备多；
■ 采集数据量大且种类多，但上下游相关联生产参数少；
■自来水生产具有连续性、性和不间断性；
■各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。
以上特点，本系统选用OMRON中小型PLC对各工艺段或设备分散控制，OMRON Protocol和Controller bbbb组成网络，各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2所示。

图2：全厂控制网络图

监控系统硬件配置为：上位机选用高可靠性微型计算机，扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F7 CLK211-E, 配置有8套中型PLC OMRON C200HG，1套OMRON CS1H，8套小型PLC OMRON CQM1，8套CPM2A ，全部中型PLC和上位机Controller bbbb线缆通信单元CLK21和操作站上扩展通信单元3G8F7-CLK21-E组成Omron Controller bbbb网络，小型PLCOMRON Protocol与相关功能间中型PLC相联。OMRON公司Controller bbbb网络是OMRON主要FA（工厂自动化）级别网络，是一种使用令牌总线通信网络，网络中每个节点都可作为主站进行数据发送和接收。
设置数据链接，节点间可以自动交换预置区域内数据。该网络中控制通信节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关任务。这种总线型拓扑结构具有大灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。采用了分布式控制技术，可确保Controller bbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，tigao了系统稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controller bbbb网络通信介质，整个网络由网桥分成两段，主满足其对通讯距离要求，同时可适应以后扩展需要。各节点距离较大，传输速率设为500kbps，可满足系统实时性要求。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，tigao了可靠性，是一种经济可行方案。
取水及送水工艺段上，主要设备都为多台大型离心水泵和10kV高压直流电机，每一高压配电柜选用一台Sepam2000 （施耐德生产，专用于配电柜控制小型PLC） 进行数据采集和控制，RS485接口连成网络，由控制室OMRON C200HG中型 PLC利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量数据采集电缆，当某台PLC发生故障时可以方便断开而不影响其他设备正常生产。沉淀池排泥车控制，排泥车长达近百米沉淀池上前后移动，其控制所用小型PLC利用电台与控制室间C200HGRS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围2.4G～2.4835GHz，支持标准异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRON Protocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以较好解决因控制设备故障而造成全部滤池停产问题。

程序结构
本系统全部设备控制都由PLC来完成，PLC程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制。各工艺段及单体设备其控制程序亦相对独立，部分相同工艺采用子程序模式，程序结构比较简单，调试和维修方便。

人机界面
该系统人机界面以组态软件iFix3.0为平台开发，由若干个画面组成：总画面（水厂水处理工艺）、各系统工艺图、报警窗口等。为增加画面可读性和可观赏性，主要画面均采用立体图形式（用3ds、flash等软件绘制），画面相关位置显示该设备所有主要运行参数。设备控制点击该设备进入，shift+鼠标左键可打开该设备帮助文件，包括设备档案、运行规程等。iFix与OMRON PLC通讯由OMRONFinsGateway和Inbbblution 驱动程序OMF或OMR完成，这是整个系统正常运行关键。
■ 总画面：表现是整个水厂水处理工艺（立体图形式），从取水、投药、投氯、絮凝沉淀、过滤到供水。相关位置显示水处理各主要控制参数以及重要设备主要控制参数，可以点击进入各分站。
■ 各系统工艺图：主要有取水工艺图、投矾工艺图、投氯工艺图、絮凝池、排泥车、滤池、送水工艺图、高低压配电图等。除配电图外，均采用立体图形式，画面直观醒目，能够表达比平面图更丰富信息。
■ 报警窗口：所有报警显示同时，喇叭会一直响到确认为至。也可以按需要分类显示。
■ 设备控制参数设定：参数设定时会检查输入参数是否正确（错误参数不能输入）、参数有无正确下载至PLC，出错会报告操作人员。
■ 生产报表：分生产情况（设备运行参数）、生产统计两种报表。老系统没有生产情况报表，生产统计报表能正确生成。针对这种情况，我们全面修改了PLC程序，为节省存储空间和查询方便起见，将平时生产数据都存放历史数据库里，需要时可即时生成报表。
■ 历史曲线：可查询全厂所有主要运行参数历史情况。为便于设备运行情况分析，可以同一画面下同时显示设备历史运行情况与当前运行情况以作对比。
■ 为防止设备控制出错，所有设备分别有中控（中控室上位机控制）、现控（现场车间上位机控制）、自动、就（设备不受PLC控制）4种控制方式，可以随需要随时转换。
■全厂所有工作站都可看到全厂运行情况。

结束语
本项目是由工业计算机和中小型PLC组成集散型控制系统，计算机上能实现对全厂生产设备控制和工艺参数设置、调整与监测，满足大型自来水厂自动控制要求。整个方案经济实用，易于编程、操作及维修，广东南海第二水厂到良好应用。