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1 引言

磨床属于金属工件表面精密加工机床。磨床基本原理是用砂轮或油石（刃具）对零件表面做浅深度微量切削加工。磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。磨具旋转为主运动，工件或磨具的移动为进给运动。磨床加工精度高、表面粗糙度Ra值小。磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料如陶瓷与硬质合金等。

数控磨沟机属于磨床的一种，主要用于磨制丝锥钻头等硬质合金工具排屑槽，属于比较冷僻的专用机械加工设备，用量不大，生产厂家也比较少，以进口设备为主。由于数控磨沟机对控制系统的要求较高，难度也比较大，本项目研发几乎用到了艾默生CT EC20H型高速运动控制专用PLC的全部重要功能。数控磨沟机外形参见图1。

图1 数控磨沟机

2 数控磨沟机概念设计

2.1 系统需求分析

（1）工件进给分度控制。当加工工件进给时，分度轴旋转分度主要有两个工艺要求，一是在加工过程中不允许改变分度方向，只能单向旋转用以消除机械设备的反线误差；二是分度加工时对沟槽加工的顺序有特殊要求，而且刃数为偶数或奇数还有所不同。

偶数以一个8个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，5，2，6，3，7，4，8。即刃加工完成后，刃的起刀点与下一刃起刀点角度差为A，下一刃加工完成后这一刃的起刀点与后一刃的起刀点角度差为B，以此类推直到加工到后一刃完成，如图2所示。

图2 偶数分度

奇数以一个5个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，3，5，2，4，如图3所示。

图3 奇数分度

（2）砂轮渐增量进给控制。工件在加工过程中，沟槽深度是逐渐变浅的一个过程。渐增量是指工件送进100mm时，砂轮提升的高度，如图4所示。

图4 砂轮渐增量

（3）砂轮修整补偿控制。砂轮修整是因加工工艺的需求，而将砂轮的横截面修整成所需要的形状，常用砂轮载面形状，有两直线一圆弧，一直线两圆弧，三圆弧，如图5所示。

图5 砂轮载面形状

2.2 系统功能设计

（1）产品加工功能：送料轴用于控制产品的进给，旋转轴通过直线插补功能，实现与送料轴的同步旋转，用以生产出固定螺距和导程角的产品，砂轮进给轴通过电子齿轮功能，实现与进料轴固定比例的提升。

（2）修整砂轮功能：为了提高产品质量，不同的用户会将砂轮修整成不同的截面形状，该功能通过Y轴与Z轴的直线或圆弧插补实现该功能。

2.3 系统概念设计

按自动化程度可分为三种机电组合自动化方案。

（1）纯液压控制型：PLC仅提供逻辑控制，产品的制作和砂轮的修整完全靠液压和机械进行。

（2）普通PLC+液压控制：PLC控制一个旋转轴(A轴)实现工件的分度功能，工件的进给和磨削等功能靠液压及机械完成。

（3）NC（数控加工中心）系统：例如采用三菱的NC E60系统，控制三个轴(X+Y+A)实现产品的制作，主要实现了工件的进给和工件分度功能，砂轮的修整完全靠液压系统完成，是目前自动化程度较高的解决方案之一。

3 艾默生CT EC20H解决方案

3.1 原理设计

本项目应用艾默生CT EC20H型高速运动控制专用PLC实现X+Y+Z+A轴全轴伺服控制，实现的功能高于数控加工中心。项目增加了砂轮的修整和砂轮磨损补偿功能，也是该项目中难度大的部分。基于艾默生CT EC20H型PLC解决方案的系统原理如图6所示。

图6 艾默生CT PLC全轴伺服系统框图

3.2 电控系统设计

电控系统配置如图7所示：触摸屏HMI用于参数设定、设备状态显示等功能。伺服用于工作进给轴、旋转轴、砂轮进给轴、磨头轴的控制。永磁无刷电机用于控制磨头的转动。普通电机用于控制砂轮的转动。

图7 电控系统

3.3 EC20H伺服控制设计

（1）各轴的单独控制：实现X、Y、Z、A各轴的手动控制功能，可以让用户单独控制各轴的运行。主要是用于对刀，手动调试等功能，使用DRVI指令实现该功能。

（2）插补功能：X轴与A轴：线性插补，用于实现产品的螺距和导程角度；螺距和导程角度是加工产品的两个重要技术参数，通过X轴与A轴的线性插补实现该功能。X轴以一定的速度前进，A轴通过涡轮涡杆实现工件的旋转，以一定的角速度旋转，这样就可实现工件按所设定的螺距和导程角度进行运行。通过LIN指令实现该功能。

（3）X轴与Y轴：电子齿轮，用于实现磨沟深度的递减，在磨削过程中，磨沟深度是与进料长度成线性递减的；通过GEARBOX指令实现该功能。

（4）Y轴与Z轴：线性及圆弧插补，根据用户的要求，可以实现修整出不同截面形状的砂轮；首先通过AUTOCAD导入该截面形状，然后将对应的坐标用D元件替代，以便用户可以通过触摸屏进行设定。主要用到LIN和CCW指令。

（5）原点回归：该设备在初始上电时，要进行圆点回归，以实现设备开始运行时都会在一个同样的初始状态。同时，所有的坐标归零。使用DSZR指令实现该功能。

4 结束语

目前该项目的主要功能已经实现，和数控加工中心相比，增加了砂轮载形修整功能，显现出EC20H运行控制型PLC所具有的优异的技术特点。对于需要多轴插补功能的应用场合，基于艾默生CT PLC的机电一体化系统集成产品将表现出强大的技术优势

像大多数吹塑设备原始制造商（OEMs）一样，基于多元智能的R&B塑料机械有限公司（R&B）必须jingque协调各种机械的运动。他们的机器使用过闭环液压驱动器搭配专用运动控制卡件。这套方案不仅价格昂贵，而且难于协调。近，该公司成功地用常规PLC实现了吹塑机运动控制功能，这样做既提高了产量，又缩短了机器运转周期，还削减了生产成本。

R&B能够提供塑料机械、铸造、加工、以及切割系统的解决方案。他们提供的产品包括可编程控制器、触摸屏式操作界面、独立的型坯控制器、倾斜或水平机械、模件表面补偿压盘、机械切割机、单螺杆挤出机以及高精度的吹塑加工设备。

该公司还可以根据客户要求设计并定制设备，以满足各种生产需求。此外，他们还提供机器检验、安装/拆除、维修以及金属切割服务。

将运动控制集成到PLC程序使编程变得简单，
而且提高了R&B塑料机械公司系列吹塑机的性能

用PLC实现运动控制

一种特殊的R&B吹塑机器有9根伺服液压驱动轴——3根用来控制型坯（把材料挤压成空心管或半球体，这是吹塑工艺的步），6根用来控制运动。这种机器包含2个梭子，2个模具，以及2根吹管。运转时，夹具反复打开和夹紧模具，吹管反复做上下运动，传送装置带动夹具至型坯正下方，到达吹气位置。

David Chin是NDC Technologies的技术人员，该公司是Siemens的战略合作伙伴，一同参与了R&B控制系统升级项目。Chin说：“R&B使用了标准的Siemens Simatic S7 PLC来控制这些位置运动。我们提供了一套功能模块，使R&B能运用PLC进行位置控制。其它的机器可能要使用运动控制器来控制运动，这是一种专用于伺服控制和定位的控制器。我们定制的功能模块能够达到与独立控制器相同的功能和性能。”

Chin说：“PLC通常很难做到高精度的伺服控制，这是专用运动控制器被广泛采用的原因。但是在我们的应用中，标准的Siemens S-7 PLC承担了运动控制功能，它通过液压驱动装置对各个部件进行定位。”

PLC还对30多个区域进行温度控制，这些区域包括加料斗、挤出机以及型坯顶部，其中12个区域既能加热又能冷却，另外18个只能加热。温控系统必须将机器各部分的温度误差范围控制在1度以内，型坯顶部要能够将料斗传来的冷塑料加热到415 °F。

常规PLC采用IEC-61131标准语言编写的功能模块控制所有的伺服液压系统驱动轴，它不需要特殊的运动控制环境。加入运动控制功能的PLC相对于专用PLC和独立的运动控制器而言，具有更出色的性能和更高效的处理能力。

集成型坯控制

R&B初希望通过PLC实现型坯控制。通常，吹塑机由机械控制器或基于PC的自动化设备控制，前者带有独立的型坯程序单元以及专用运动控制卡件；后者通过专用代码达到运动控制的要求。

然而，R&B希望将型坯程序集成到主机器控制器中。如果PLC的运算速度足够快，就能够实现这一目标。用于型坯控制的模拟数据直接从一个位置检测器输入，所有的处理过程都和普通PLC程序一样。终，驱动型坯吹塑的液压阀由PLC输出的模拟信号控制，整个过程不需要借助任何专用设备。

该公司随后把其余的伺服液压轴控制程序也集成到PLC中。位置检测器通过SSI模块把数据传送到PLC，如有需要，可以通过Siemens的Profibus Isochrone（等时）模式将SSI模块传来的位置数据与PLC程序同步，同样，液压阀都由标准的模拟输出信号控制。

另外，R&B还把控制吹管与传送装置运行的程序集成到PLC中。当传送装置将模子带动到吹管位置时，吹管就会按程序设定向下运动。由于两者（传送装置与吹管）的转轴实现了协调控制，这个过程很少出错且不用担心会产生碰撞。

在把这项功能集成到PLC之前，由于吹管和传送装置之间无法通信，R&B无法实现两者的同步。PLC的通信协议使两者首度实现了同步。

减少空循环时间

吹塑过程中，所有机器吹制或冷却一个瓶子的时间都相差无几。但是，在循环时间，尤其是空循环时间（机器不在吹瓶的时间）方面，机器之间存在差异。循环时间是指开始吹一个瓶到准备吹另一个瓶之间的全部时间。

PLC中的运动控制功能提升了协调空循环动作的水平，从而减少了特定动作之间的间隔时间。它们能依据位置而不是时间协调各种动作，这样就能大大减少空循环的时间，为R&B赢得了循环时间上的优势，其结果是可以节省下大约20%的空循环时间。

事实证明，采用基于常规PLC的自动化吹塑解决方案代替专用运动型坯控制器可以获得巨大的优势。由于所有的伺服功能都由一个功能模块控制，这意味着更好的协调性、更快的机器循环时间、更简洁高效的程序以及更精简的设备；另外，由于专用硬件都是小规模生产的，势必会产生质量控制和长期技术支持方面的问题，而且需要根据出现的问题修改设计，所有这些都会增加额外的经济投入。

事实证明，与基于PC的控制相比，基于PLC的自动化解决方案能为吹塑提供更有吸引力的成套控制设备，它们拥有更好的模块，使用了固态存储器，不需要第三方操作系统，使用寿命更持久，长期支持更出色。与PC相比，PLC的关键优势之一是在突然关闭的情况下依然能够保存数据（如断电情况）。

R&B Plastics的Jake Losee说：“现在我们采用一个控制器控制PLC功能和运动控制功能，以前使用独立运动控制卡时的通信延迟已经不存在了；而且，我们能记录每根轴的转动，以前我们使用独立软件时，需要了解专用运动控制卡的技术人员对其进行编程，现在，用户可以通过人机界面（HMI）自行完成这些工作。”

Losee还说：“我们的一个目标是精简设备。额外的设备意味着更高的成本、更繁琐的维护以及更多的配套软件，这就要求我们对维护人员进行更多的培训。用PLC集成运动和型坯控制确实是一个高度优化的控制方案。

引 言

物料包装输送系统的工作环境通常比较恶劣,设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送包装控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难,维护量大，严重影响了正常生产。因此，物料输送控制系统成了制约生产的瓶颈。而采用可靠性较高的PLC及其WINCC监控软件组成的控制系统作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备。实现包装系统的皮带过程控制和输送工艺流程的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。

1 系统介绍

包装输送控制系统分为散库和包装库两组。散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。主要包括：1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。各线工艺流程如图1所示。在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处理。

图1 工艺流程

2 PLC控制系统的硬件设计

2.1硬件配置

根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PC机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为工程师站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能，且下位机 分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示，其具体组成如下：

图2 系统硬件结构配置图

（1）中央控制单元

中央控制单元选用 CPU315-2DP作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。

（2）电源单元

电源单元采用1：1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电，采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。

（3）输入输出单元

系统采用两块8点的模拟量输入单元AI8×12Bit、两块32点输出单元DO32×DC24V/0.5A、一块16点输出单元DO16×DC24V/0.5A、五块16点数字量输入单元DI16×AC120/230V。

（4）通迅模块

为了确保包装库操作站与散库操作站通信正常（距离约300米），在本系统选用了CP 342-5通迅模块，通过PROFIBUS 进行配置和编程。

2.2 变量分配

控制对象的PLC变量分配情况表1所示。

3 包装输送控制程序设计思想

3.1 系统控制方式

包装输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。单机启动方式是指在上位机的连锁图中, 设有启动及停车按钮, 在未进入联锁状态时，皮带可以独立启动/停止。

3.2 控制程序设计

该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：1#～8#线与A~F线。

根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：

（1）选择控制方式：远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。
（2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。
（3）根据料槽料位控制A~F线启动、停止。

本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。功能块根据控制任务用于建立用户程序。将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A~F线起/停、3~8#线皮带起停、

总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1~6#皮带速度处理、1~2#皮带起停和分料器选择等程序块。针对工艺流程的具体情况，用语句表(LAD)形式编程。图3给出了3#~6#皮带控制流程图。数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。

3.3控制设计思想

（1）回路启动顺序由下游向上游(来料方向为上游) , 按一定延时, 逐个启动, 若回路启动过程中无故障, 则为正常启动; 若有故障则为异常启动, 程序启动遇到故障时, 就不再继续往下启动。

（2）回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。

（3）在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。

（4）上位机能显示出整个皮带运行状态。 亦能显示单条回路运行的设备。

4 WINCC组态软件结构设计

工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的软件。组态软件能充分利用bbbbbbs强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便的构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史趋势等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。西门子公司开发的WINCC是运行在bbbbbbs2000上的一种组态软件。它的功能是建立动态显示窗口，通过提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史曲线图和报警记录显示。在画面窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。根据包装控制系统的要求，图4是监控软件的结构。

WINCC与S7-PLC同属西门子产品，属于无缝集成且自带通讯协议连接。该控制系统和上位机组态软件实现了物料输送测控系统的要求。简洁且形象的模拟了整个系统的工艺流程，操作人员能在控制室的计算机屏幕上观察到输送的全部情况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在控制室对任何一条皮带单独操作或连锁操作，并进行手动与自动切换。

5 监控系统主要实现的功能

（1）显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；

（2）报警处理和报表生成功能：纪录报警发生时间、故障内容等信息，并对报警信息进行管理，系统报表有时报、日报、月报等；

（3）历史趋势功能：对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等；

（4）画面系统对系统料位参数进行修改，实现对系统自动/手动的切换；

（5）管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以对监控软件和下位机软件进行修改。

（6）操作控制功能：根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作，比如：启动、停止；对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。

6 结束语

本文所述物料运输自动控制系统在工业现场已经正常运行一年。由于整个物料传送工艺均在一个完整的控制系统控制下，各个分工艺之间的协调及互锁设计严密。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速的查找故障点，及时处理故障。并且对于每一个关键操作命令都设有相应确认提示，消除误操作的可能性。该控制方法提高了现有系统的自动化水平，降低了工人的劳动强度