西门子模块6ES7214-2BD23-0XB8技术支持
一：引言
塑钢门窗近几年在国内方兴未艾，传统塑钢门窗都是推拉窗，但推拉窗气密性和开启方式等方面存在一系列不便和缺陷，而随着人们生活水平的提高，平开翻转窗开始进入市场。平开翻转窗和推拉窗的结构区别在于五金件上，目前国内平开翻转窗五金件主要从国外进口。北新建材(集团)有限公司2001年在国家经贸委的支持下上马条全自动门窗五金冲压线，对于生产出来的五金件质量的寿命检测是一个新的问题。
五金件质量的寿命检测目前国内没有标准，我们参考欧洲的标准主要有以下几方面要求：
1：开启寿命：要求不低于50000次，动作要求模拟人工开启门窗，即先平开，执手在开关位置时（如图1中位置），为起始位置。逆时针转动90。 到平开位置，水平向外平开，窗扇开启大约35。(以平开转轴位置为轴心)，然后关闭窗扇，将执手顺时针旋转90。 到关闭位置；平开动作结束，执手回到开关位置时，再将执手逆时针转动180。 到上悬位置，向外、向下拉平开上悬，窗扇开启大约15。(以平开下转轴位置为轴心)，然后关闭窗扇，将执手顺时针旋转180。 到关闭位置；此平开与上悬为一个动作周期，为一次平开上悬开启。
2：开启频率：检测频率为5次/分
3：开关门窗力不大于100N，开启执手力矩不大于1N.m;
据笔者在国内和欧洲五大五金件生产厂参观的结果看，主要是用气缸来实现以上动作，虽然基本可以实现动作，但如果窗型复杂，这种设备适用的灵活性和方便性极差，我们考虑用伺服电机和滚珠丝杠来实现以上动作并克服其弊端，设备已调试完毕，运行效果良好。
二：系统设计
1． 系统结构
上面如1图是我们要用来做实验的窗体图。
其中1为平开转的方向
2为上悬转的方向
3为执手，如图执手在开关位置，即窗户关闭的位置
下面如2图是设备的结构简图
2图中1，2号为伺服电机，其中1号电机用于转把手，2号电机用于推拉窗户，2号电机的出轴用的是丝杠。1，2号电机的出轴分别加装扭力和拉力传感器，图中3的长杆作用于窗善的执手处，
2．系统工作原理
我们用两台伺服电机，这里我们选用了三菱公司的MR-J2S-A型伺服电机，一台用于开执手，一台用于开窗扇，用三菱公司的FX2N型PLC控制整个系统的协调工作，系统的状态由触摸屏来显示和调整，如工作频率和次数的设定，实际工作次数、系统故障原因及拉力和扭力的显示。拉执手的长杆在执手
接头处有一类似于机器手的万向接，便于换向。
现将系统的工作流程描述于下：
1） 在触摸屏上设定工作频率和次数和窗型大小。
2） 在操作台上选定是要进行平开检测还是要进行平开上悬开检测（以下以平开上悬为例描述），启动任务，系统开始运行。
3） 首先1号伺服将执手逆时针旋转90º到平开位置，即将执手置于水平位置。
4） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往外平开，窗扇开启大约35。(以平开转轴位置为轴心，即1图中的2处)。
5） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往里关上。
6） 1号伺服将执手顺时针旋转90º到关闭位置，即起点位置。以上完成一次平开检测。
7） 1号伺服将执手逆时针旋转180º到上悬位置，即和窗扇平行位置。
8） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往外平开，窗扇开启大约15。(以平开下转轴位置为轴心，即1图中的1处)。
9） 2号伺服沿丝杠方向将窗扇通过执手往里关上。
10） 1号伺服将执手顺时针旋转180º到关闭位置，即起点位置。以上完成一次平开上悬检测。
以上是实验机的工作流程，由于窗型大小不一，窗扇开启35º时，2号伺服
沿丝杠方向行走距离不一样，所以每次实验开始必须要在触摸屏上选定窗型大小，另外有外平开和平开上悬窗户的区别，它们的工作流程也不一样，所以要在工作前选好，否则会损坏五金件。
三：硬件设计
根据系统工作原理和工艺要求，为了使系统具有广泛的灵活性和适用性，电气系统图如图3。
PLC共50点，其中30点输入，20点输出，为了节约成本，考虑到本系统的特性，我们用2块单轴位控模块来控制两个伺服电机，触摸屏和PLC间通过RS232串口通讯，由于工艺要求在开关窗户时需要测量扭执手和拉窗扇的力，便于分析五金件损坏的原因，我们分别在两个伺服电机的出口装了拉力和扭力传感器，传感器的信号给称重仪进行变送输出，称重仪可以设定拉力或扭力的上限值，通过开关点输出给PLC，而工艺要求在触摸屏实时显示拉力和扭力值，我们用触摸屏的RS485口和两台称重仪RS485口实时通讯，方式是根据地址和它们分时进行。另配微打随时打印拉力值和扭力值，微打和触摸屏的LPT口直接相连。
由于伺服电机的特殊性，每工作一段时间我们需要找一次各电机的零点，保证每次工作循环在同一原点，所以用了两个接近开关用作两个伺服的原点检测。
四：软件设计
系统软件分为PLC系统控制程序和触摸屏与称重仪及微型打印机的通讯程序。系统控制程序用梯型图编制，主要完成系统的逻辑控制，使得系统各设备能协调工作.PLC控制程序分为手/自动程序，其中手动程序是将一个完整的自动过程分解成四步：平开打开，平开关闭，上悬打开，上悬关闭，其主要用于调整用。而自动程序分为自动平开和自动上悬。对于本程序来讲控制伺服部份的程序是关键。通常情况下，伺服电机一般用于单一目的送料或单一轨迹的行走，但本程序中，每个程序周期中伺服的行走轨迹每一步都要变化，因此要实时的跟踪伺服所处状态，即伺服是处于运行还是到位状态。本例中我们用了八个数据寄存器D0-D7，D0到D7中分别是伺服每步移动的距离值，程序流程图见图四。伺服控制器中有一个专门的缓冲区存取伺服马达每转一圈所需脉冲数，伺服马达每转一圈移动的距离，伺服马达的高速度和运行速度，伺服马达目标移动距离等系统数据。程序运行的每个分步完成后，将D0—D7的值分别送到伺服的缓冲中去，同时D0—D7的值要在触摸屏上能显示和修改，因为对于不同的窗型D0—D7的值不同，同时在触摸屏上也要求能修改伺服的运行速度和工作循环次数，这样大大的提高了设备的工作效率和灵活性。
另外本系统中有两台称重仪要和触摸屏通讯，由于是采用RS485串口通讯，触摸屏一个时刻只能和一台称重仪通讯，因此我们采用分时的方式分别和1＃，2＃称重仪通讯，从而将拉力值和扭力值在触摸屏上显示。
本系统成功地克服了用气缸进行的门窗实验机的缺陷，具有很高的灵活性和广泛的适应性，填补了门窗实验机的空白。
1 引言
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，因此采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱 FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。
2 系统结构
本系统结构图如下：
其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮；还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。因此，一方面输入点增加很多；另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。
由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，同时，主电机速度也需要变频器调节。因此，为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。
在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm ,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，而且精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。
触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。
3 软件设计
3．1 给纸设计
印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：
在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，即使在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。
3．2离合压设计
离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便；离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。
在设计中，离压，合压的程序流程如图所示：
印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。但是，气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，因此，机器速度不同时，合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。
3．3 人机界面设计
在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，同时也可方便监控。如图所示：
4． 结束语
印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏>监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。
