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1、引言
传统的普通钻床钻孔的精度和效率受到工人的熟练程度、疲劳程度等人力因素影响较大，要想达到高精度和高效率就十分不容易。基于此问题，我们开发了数控钻床，它可以按照输入的进刀曲线连续工作，始终保持高精度和高效率。
2、控制要求
数控钻床的控制要求为:（1）控制系统应可调整钻孔加工程序选择;（2）不同的加工阶段可以选择不同的加工速度和加工深度。空程的时候的进刀曲线如图1所示，加工的进刀曲线如图2所示:（3）主轴转速应可调节，且范围应宽广。（4）加工精度高，加工深度误差小于0.05mm。
图1 空程时候的进刀曲线图
图2 加工的进刀曲线图
3、系统的硬件设计
根据系统的控制要求配置硬件如下：
•控制器:1个西门子公司的s7-200系列cpu222plc;
•人机界面:一个dp210;
•外设:2个步进电机、2个步进电机驱动器、2个三相电机、1台变频器、1个em222、8个电磁开关、4个光电传感器和1个霍尔传感器。系统的硬件结构如图3所示。
图3 系统的硬件结构图
表1 输入端子分配
表2 输出端子分配
3.1 系统的i/o点分配
由硬件结构图可知，系统需要5个输入点和14个输出点。cpu222plc有8个输入点和6个输出点，因此需要增加一个扩展模块，选用有8点输出的数字量扩展模块em222。输入点是i0.0～i0.7;输出点是q0.0～q0.5和q1.0～q1.7。分配情况见表1和表2;
3.2 控制器
系统的关键设备是plc。plc是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的电脑器件，具有极高的可靠性和稳定性。本系统选用西门子公司的s7-200系列cpu222plc作为控制核心，利用cpu222的2路独立的20khz的高速脉冲输出来控制步进电机的运动。此高速脉冲信号不能用来直接驱动步进电机，需通过步进电机驱动器将功率放大后才能起作用。5路数字量输入分别与5个传感器相连接，用来判断钻头位置，步进电机位置，工件的位置。14路数字量输出中，有6路用来控制步进电机驱动器，8路用来控制电磁阀开关。
plc本机有一个通信口，为标准rs-485接口，在plc与上位机进行通信时需将rs-485接口转换为标准rs-232接口，可以采用西门子提供的隔离型pc/ppi电缆进行转换。该电缆有拨码开关可以进行设置。在上位机上将控制软件编写好后，通过此线下载程序并监视程序的运行情况。为了降低成本，在程序调试好以后就可以不必用上位机进行操作和控制，而是用简单的操作面板即可，本系统选用的是dp210操作面板。
3.3 系统的外设
根据系统对钻孔精度的高要求，选用步进电机来控制孔的加工。步进电机可以jingque到一个脉冲，在本系统中一个脉冲的精度是0.005mm。步进电机驱动器用于驱动步进电机，从而控制钻头的动作，完成钻孔。步进电机驱动器接收plc的信号，包括cp步进脉冲信号，dir方向信号，free脱机信号，经过其内部的功放电路和处理电路后输出到后面连接的两相步进电机。步进电机根据信号的变化来产生相应的动作。电磁阀直接接受来自plc的控制信号产生动作。另外，plc直接接受传感器的信号，通过内部程序的运算和逻辑判断来决定输出。
变频器用来控制主轴三相电机的转速。本系统中变频器采用基本参数运行模式，由电位器来设定运行频率，变频器的启动和停止由外部端子控制。根据不同工件的特点，通过旋转电位器来改变主轴电机的转速，外部端子的信号由plc的第12路数字量输出控制。
4、系统的软件设计
系统的软件包括人机交互界面dp210程序和系统的主控程序plc程序。dp210程序完成操作人员同plc之间的对话，主要是各个操作画面之间的相互切换和每个操作画面当中各个按键动作所对应的plc程序的控制位。程序画面要与生产现场的工作流程相适应，越是前面的画面就越是使用频率高的画面。
plc程序接收到dp210的操作信号后，按照工作要求进行整个钻孔工作的控制。主程序的流程图如图4所示。
plc主控程序中的核心控制是对步进电机的控制，启动1#步进电机的程序如图5，控制步进电机方向的程序如图6。
图4 主程序的流程图
图5 1#步进电机的程序图
图6 控制步进电机方向的程序图
5、结束语
本文所设计的系统操作简单，加工产品范围广，加工精度高，已经成功应用于生产实践当中。该钻床目前已经在某表带生产厂进行表带钻孔生产。自从开始生产以来，系统运行稳定，产品质量显著提高，废品率明显下降。同时，极大的减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。还可以用于其它精密器件的钻孔，小孔径可达到0.5mm。
1、引 言
可编程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）是采用微电脑技术制造的自动控制设备。他以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。
随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，PLC与上位PC机联网形成的PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，PLC集三电与一体，具有良好的控制精度和高可靠性，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法，本文拟就用日本立石公司生产的OMRON C20p型PLC，设计几个PLC在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习PLC的控制技术的参考，也可作为工业电机的自动控制电路。
2、PLC在电机控制中的应用
2.1 三相异步电机的正反转控制
要求当按下正转按钮，电机连续正转，此时反转按钮不起作用（互锁），按下停止按钮电机断开电源，按下反转按钮电机连续反转，正转不起作用。图1所示为三相异步电机的正反转控制原理图。
图1 三相异步电机正反转控制原理图及程序
2.2 三相异步电机的Y-△启动
要求起动时电机接成Y型，经过一段时间自动转化为△形运行，要求Y形断开后△形才能启动，防止Y形未断△形启动造成电源短路。图2所示是三相异步电机Y-△启动控制原理图。
图2 三相异步电机Y-△起动控制原理及程序指令图
2.3 三相异步电机时间控制
要求第1台电动机M1启动5 s后，第2台电动机M2自动启动，只有当第2台M2停止后，经过5 s延时，M1自动停止。图3所示是三相异步电机时间控制原理图。
图3 三相异步电机时间控制原理图及指令语
3、程序的写入与运行
将PLC联上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD！这时依次按Clr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。
在输入程序前，需清除存储器中内容，依次按Clr、Play/Set， Not，Rec/Reset和Montr键，即将全部程序清除。按照以上3种控制的梯形图或程序指令将3种控制程序写入PLC，当上述3部分程序输入到PLC机中后，用上下方向键读出所写程序，如程序有错，可用插入指令和删除指令修改程序。
程序输入正确后，分别按图1（a）和（c）连接PLC外部接线及主回路线路实现电机正反转控制，按图2（a）和（c）连接线路实现电机Y-△启动，按图3（a）和（c）连接线路实现电机的时间控制。此设计可以一次性把3种控制电路的程序全部输入，同时控制3种电路，运行时，按下SBF，SBR电机正反转启动，按下SB1，SB2控制电机Y—△启动，按下SB3，SB4电机顺序启动，互不干扰，事半功倍，实现了一台PLC同时控制多种电路形式。
1 引 言
可编程控制器由于其可靠性高、编程简单、功能完善、使用方便等诸多优点在石油、钢铁、电力、机械等各个行业得到了广泛的应用,在橡胶工业中也得到了很好的应用。PLC 在轮胎生产线中的应用极大的提高了生产的自动化水平、生产效率和产品的质量。本生产线控制系统就是西门子S7 - 300 PLC 的一个典型的应用。
2 系统设计
本生产线控制系统根据某橡胶厂轮胎生产线的工艺流程、技术要求进行了系统的设计。在系统的硬件设计上考虑到本控制系统的规模、特点结合生产线的工艺和控制要求选用了西门子公司S7 - 300 系列PLC,通过PROFIBUS总线实现PLC 与PLC和上位机之间的网络通讯；在软件设计上，采用西门子SIMATIC Safety组态和编程软件STEP7，考虑到系统的工艺流程较为复杂，程序的编程量较大采用了模块化的编程思想,将整个程序分解为若干个子程序和功能块由主程序开始依次调用,这样就方便了程序的编写、修改和维护。
2.1 生产工艺
轮胎生产包括：密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等多个复杂的工序。每一个工序都包括非常复杂的工艺过程。
图1 轮胎生产工艺流程图
系统原理：在轮胎生产的过程中，轮胎制造工控主机在接收到工艺参数后，将信号传给密炼机、挤出机、压延机、胎圈成型机、帘布裁断机、硫化机等机器的可编程控制器（PLC），各可编程控制器再将信号通过其输出口传出，使机器在系统控制下执行整个密炼、挤出、压延、胎圈成型、帘布裁断、硫化等过程，完成工作。在密炼周期中的每个阶段，主电机的速度由工艺参数设定。在密炼过程中可编程控制器记录一些工艺数据及设备是否完好的情况，并将密炼数据传给PLC作为PLC控制密炼动作及密炼周期结束的依据。同时，系统根据密炼情况自动调整挤出机的速度并自动将压辊和挤出机头间的压力调整到设定值，随着料斗中胶料的增加，挤出机的速度也加快，机头压力增加，压延机也会自动增加速度，使压力保持在设定值，直到挤出机的速度增加到大，压延机速度大。当挤出机料斗的料位上升到上限时，挤出机会要求密炼机暂时停机，等料位下降到中位后，密炼机继续工作。在胶部件准备工序中，压延机将轮胎所需骨架材料压入橡胶中，并根据PLC主机预设定参数将橡胶压制成一定形状。在轮胎成型过程中，机器根据设定参数自动完成定长、裁断、同步贴合、整形等工序，这样轮胎就基本成型了。为了加强轮胎的耐磨、抗轧能力，需要进行硫化以增强轮胎的强度。轮胎在进行硫化时的压强和温度的变化直接影响轮胎硫化的质量，这就要求在轮胎进行硫化时，控制系统严格监测和控制硫化的温度和压强使之按照预设值进行，并在温度和压强不足时，采取自动延时硫化的方法进行温度和压强的补偿。
2.2 系统硬件设计
控制系统以PLC和工控机为硬件基础，以Setp7为开发平台开发其数据通道，完成数据总线的软硬件设计，从而将工业现场的各种需要采集的信号通过各种传感器进行采集，然后输入给现场监控节点，在通过总线向上位机传递，上位机发送数据信息和控制命令，监控节点根据控制命令对现场的执行器进行控制操作。
图2 系统网络结构图
系统功能：
控制密炼过程中的压强、温度、时间、功率等。
控制挤出的速度、压力、料斗料位等。
控制压延的形状、速度、质量等。
控制裁剪的长度、同步贴合等。
控制硫化的时间、温度、压强、质量等。
可检查断线、保险跳闸、中线断线等故障，并可检测线电压。
可对系统数据进行修改，进行数据热备份。
可进行故障报警，并能输出实时数据。
由于SIMATIC S7-300 能够承受高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有高的工业环境适应性，所以本系统采用SIMATIC S7-300。
SIMATIC S7-300 PLC系统配置：
硬件: SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP；
伺服电机定位模块：SIMATIC 6ES7 354；
继电器输出单元：SIMATIC 6ES7 322；
高速计数模块：SIMATIC S7-300 6ES7 FM350；
电源模块：SIMATIC S7-300 PS3075A；
接口模块：IM153；
数字量输入输出模块：SIMATIC 6ES7 321；
人机界面：TP170A；
通讯处理器：CP342-5。
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一种高速（数据传输速率9.6kbit/s～12Mbit/s）的经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；PROFIBUS-PA采用IECII58-2标准，传输速率为31.25kbit/s，并提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；PROFIBUS-FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。
本生产线控制系统采用PROFIBUS现场总线技术的分布式系统，将控制模块安置在工业现场，通过总线传输数据，比传统的控制系统更具有灵活性，同时可以节省大量的布线，以及降低成本。西门子SIMATIC S7—300集成了PROFIBUS分布式系统的组态功能。基于PROFIBUS的分布式I／O可实现全集成自动化。通过组态可以方便地由PLC中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。可以实时监测各个现场数据、报警状态；显示与打印测量数据等各种曲线及报表，并将数据存人实时数据库中。
2.3 系统软件设计
该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统启停周期和运行时间。主要实现以下功能：
（1）控制操作： 能对被控设备进行在线实时控制，如：启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
（2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
（3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化生产线的控制系统，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
（4）报警功能： 当某一模拟量测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
（5）打印功能： 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。
3 结束语
本控制系统充分利用了PLC、PROFIBUS现场总线技术等先进技术，系统采用分布式开放结构，响应速度快，组态灵活，控制功能完善，操作简单规范。该套基于PROFIBUS现场总线的控制系统安全可靠，故障率低，产品完全满足高标准要求，具有较高的生产和管理自动化水平，提高了生产效率，创造了较好的经济效益。
