西门子6ES7231-7PF22-0XA0诚信交易
1 引言
自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合。大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。采用PLC与变频控制相结合的节能控制系统，已成为自动扶梯控制技术的发展方向。
带有节能效果的自动扶梯具有以下特点：
（1）无人乘梯时，扶梯自动平稳过渡到节能运行，以1/5额定速度运行（可以选择当无人乘梯时，扶梯自动停止的功能）;
（2）有人乘梯时，扶梯立即自动平稳过渡到额定速度运行;
（3）由于节能运行时速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命;
（4）变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击。
目前节能扶梯大多形式和功能单一，仅能实现简单的快慢循环或快停循环。本系统设计的亮点是快慢循环和快慢停循环是可以通过程序进行自由选择的，系统同时集成了上下梯级遗失、防驱动链断链、防逆转及故障保护输出等功能，并可通过程序内部辅助继电器的状态监控扶梯运行状态，现场调试十分方便。
2 自动扶梯变频节能控制方式
2.1 变频非自启动（快慢循环）
2.1.1 功能描述
通过增加变频器来控制扶梯运行的速度，当梯上有乘客时，扶梯以高速运行（例如额定速度），提高客流量，当乘客检测装置在一段时间内没有检测到乘客通过时，扶梯开始减速转为低速运行（例如0.2m/s，参数可设置），此时一直处于待机运行中，即为非自启动节能。
2.1.2 运行状态描述
变频控制，无人时低速，有人时高速。高速运行时间记为TQ，可通过PLC程序进行设置，具体时间根据梯的提升高度和速度而定。
2.1.3 运行步骤
（1） 当扶梯上电停止等待，有方向（比如上行）开始运行时，此时扶梯以低速开始节能运行进入待机等待。
（2） 下机房乘客检测装置检测是否有人通过，当有人通过时，控制器内部的高速运行时间计数器（记为TC）清零，此时扶梯开始缓慢加速至高速运行。
（3）高速运行时间计数器（记为TC）开始计数，当TC
（4） 当有一段时间没人乘梯即TC≥TQ时，扶梯又开始减速进入低速运行待机等待状态，如此循环往复运行。
图1为自动扶梯快慢循环控制时序图。
图1 自动扶梯快慢循环控制时序图
2.1.4 功能实现
安装在扶梯入口处的乘客检测装置检测是否有人乘梯。
2.2 变频自启动（快慢停循环）
2.2.1 功能描述
通过增加变频器来控制扶梯运行的速度，当梯上有乘客时，扶梯以高速运行（例如额定速度），提高客流量，当乘客检测装置在一段时间内没有检测到乘客通过时，扶梯开始减速转为低速运行（例如0.2m/s，参数可设置），当乘客检测装置在一段时间内又没检测到乘客乘梯时，扶梯开始进入停止运行等待状态，即为自启动节能。
2.2.2 运行状态描述
变频控制，长时间无人乘梯时停止，有人乘梯时高速运行。高速运行时间记为TQ，低速运行时间TS，两个参数可通过PLC程序进行设置，具体时间根据梯的提升高度和速度而定。
2.2.3 运行步骤
（1） 当扶梯上电停止等待，有方向（比如上行）开始运行时，此时扶梯进入上行停止等待运行中。
（2） 下机房光电检测装置检测是否有人通过，当有人通过时，控制器内部的高速运行时间计数器（记为TC）清零，此时扶梯开始缓慢加速至高速运行。
（3） 高速运行时间计数器（记为TC）开始计时，当TC
（4）当有一段时间没人乘梯即TC≥TQ时，扶梯开始减速进入低速运行状态中。
（5） 低速运行时间计数器（记为TSC）开始计时，当TSC< TS时，若此时有人进入，TC清零重新开始计时，扶梯加速至高速运行状态，又进入高速运行状态中。
（6） 当一段时间内没人乘梯即TSC≥TS时，扶梯停止运行进入等待中，如此循环往复运行。
图2为自动扶梯快慢停循环控制时序图。
图2 自动扶梯快慢停循环控制时序图
2.2.4 功能实现
安装在扶梯入口处的乘客检测装置检测是否有人乘梯。但是为了确保乘客的安全，按照GB16899-1997《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》的要求：自启动的扶梯，应在该使用者走到梳齿相交线之前启动运行，故乘客检测装置应满足以下要求：
（1） 检测装置应满足的要求
·光束，应设置在梳齿相交线之前至少1.3m外;
·触点踏垫，其外缘应设置在梳齿相交线之前至少1.8m处，沿运行方向的触点踏垫长度至少为0.85m。施加在其表面为25mm2的任何点上的载荷达到150N之前就应作出响应。
（1） 在实际设计时可选择
· 安装在扶手进出口处的光电漫发射装置;
·安装在盖板进口处的光柱;
·安装在盖板下的踏垫自启动装置来实现。
本系统设计时选择光电漫反射装置，能够确保每一个从不同方向走过来的乘客都能被有效的探测到，从而实现自启动的功能。
3 系统设计
3.1 控制系统组成
图3 控制系统框图
由图3可知，该系统主要由以下几部分组成：电源、PLC、变频器等。PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的光电信号是否有效确定高速运行指令的输出，变频器根据PLC的高速运行指令控制扶梯的运行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循环运行。
3.2 硬件选型
以自动扶梯变频非自启动（快慢循环）为例，其扶梯控制系统实际需要输入11点，输出7点，PLC主控制器采用欧姆龙CPM1A-20CDR-A-V1型PLC。这种机型的PLC配有相应的编程软件CX-Programmer进行编程及监视，不仅可以通过手持编程器对PLC编程，也可在个人PC机上进行编程。在扶梯运行过程中，可通过程序内部辅助继电器的状态监控电梯运行状态，现场调试十分方便。[1]
变频器采用汇川公司的MD320变频器。MD系列变频器具备完善的输入输出接口，全系列独立风道和散热器柜内柜外安装可选，可以提供接近IP54防护要求的解决方案，其系统设计尤其适合恒转矩负载使用。[2]
4 系统设计
4.1 变频控制主电路
图4 变频控制主回路
图4示出主回路主要由主空开ZK、相序保护继电器JXW、安全接触器JAQ、运行接触器JYX、主电机MT等组成。
4.2 PLC输入输出口分配
输入输出口分配如附表所示。
附表 输入输出口分配表
4.3 运行控制回路
图5为运行控制回路。
图5 运行控制回路
扶梯的运行控制由PLC与变频器一起完成。下面以变频非自启动（快慢循环）为例介绍扶梯节能运行工作原理。
变频器实时监测PLC的输出信号，从而决定扶梯的下一步运行。例如（1）扶梯的方向控制：当变频器的端子DI1接收到PLC的信号时，输出正转，扶梯实现上行运行;反之，端子DI2有效时，输出反转，扶梯实现下行运行。（2）高速运行的控制：变频器内预先设定好多段速控制的速度频率，扶梯以节能低速待机运行时，只有运行接触器（JYX）吸合，当PLC检测到光电信号时，输出高速运行指令信号，此时高速运行接触器（VN）吸合，变频器端子DI3有效，扶梯立即平稳的加速到设定频率高速运行。
4.4 典型控制程序设计
下面针对程序中的运行方式、节能时间控制两个子程序作重点介绍。
4.4.1 变频非自启动（快慢循环）和自启动（快慢停循环）方式的选择
方式的选择见图6。
图6 快慢循环和快慢停循环子程序
只需修改程序中的SET和RSET 的组合，即可实现两种不同运行方式的切换。
快慢循环，设置为SET 212.00和RSET 212.01。
快慢停循环，设置为SET 212.00和SET 212.01。
4.4.2 节能时间的控制
图7 节能时间的子程序
快车运行保持时间，可由上述计数器设定，从而能够满足不同提升高度和速度的扶梯使用（见图7）。
4.5 试验数据
为了验证本系统的节能效果，我们选择某现场进行测试。现场曳引电机功率为7.5kW，对比变频节能控制与普通Y-△控制的扶梯电量消耗。扶梯有乘客使用与空载运行时，各测试4个小时。实际测试下来采用节能的扶梯，满载运行时，耗电25.3kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗电26kWh;空载运行时，耗电1.8kWh，而使用普通Y-△控制扶梯耗电8.4kWh。从这个实例可以看出，变频节能控制的扶梯比普通Y-△控制的扶梯节能22%。
而如果采用无人乘梯时让扶梯停下来，与改造之前相比可节能约30%。实际使用中，如果扶梯慢下来或者停下来的时间越长，节能效果越明显。
5 结束语
该设计已经广泛应用于扶梯的节能改造，目前已在武汉、上海等大城市有三百多台被安装使用。实践证明，采用基于PLC及变频器控制的扶梯节能系统可靠、运行稳定，很有效的节约了用户的使用成本。
本文提出了一种适用精密切割的数控车床设计方案。该方案采用机械触发式传感器，通过控制车刀运动来触发传感器，PLC把传感器得到的信号传给数控系统，再由系统来进行相应的数据处理。机械触发式传感器与PLC的输入扩展端的连接线简单，而且易于维护，比用其它的传感器降低了成本。
关键词: PLC;数控机床;精密;NUM;传感器
1 前言
随着科学技术的发展及制造技术的进步，社会对产品多样化的需求越来越强烈，产品的更新换代周期也越来越短，中小批量生产的比重明显增加，从而对制造设备提出了更高的要求。为满足市场的需要，要求制造设备具有高效率、高质量、高柔性及低成本的性能，数控机床作为一种自动化的加工设备而被广泛采用。同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也必将成为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）的基础装备。计算机数控系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备，己成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。
PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC作为计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品，也是开放式数控系统中不可缺少的重要组成部分。它在处理开关量的控制问题时起着重要作用。现代先进的数控机床一般可分为机床床体（MT）、NC和PLC三部分。数控机床中NC和PLC协调配合共同完成对数控机床的控制，其中NC主要完成管理调度及轨迹控制等“数字控制”工作，PLC主要完成与逻辑有关的一些动作，如刀具的更换、工件的夹紧及冷却液润滑液的开停。PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制中得到极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。
在数控机床上有两类控制信息:一类是控制机床进给运动坐标轴的位置信息，如数控机床工作台的前、后、左、右移动;主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。这些控制是用插补计算出的理论位置与实际反馈位置比较后得到的差值，对伺服进给电机进行控制而实现的。这种控制的核心作用就是保证实现加工零件的轮廓轨迹，除点位加工外，各个轴的运动之间随时随刻都必须保持严格的比例关系。这类数字信息是由CNC系统（专用计算机）进行处理的，即“数字控制”。另一类是数控机床运行过程中，以CNC系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号的状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴的开停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系系统的运行控制。这一类控制信息主要是开关量信号的顺序控制，一般由PLC来完成。
2 精密切割数控机床的功能分析
精密切割数控机床是通过数控系统以数字方式控制刀具的运动以实现对工件的切削，在编写数控车削加工程序时，并不考虑刀具。在加工前，用户必须将刀具的X轴补偿量、Z轴补偿量、刀尖圆弧半径、刀尖形式共四种补偿参数输入数控系统，由数控系统根据程序，进行补偿运算。这四种参数中，刀尖形式按数控系统的规定予以确认，刀尖圆弧半径可由R规测量，而刀具的X,Z轴补偿量的测量则相对困难一些，使用自动对刀仪能很好地解决这个问题，为此，数控机床及加工中心大多配置了各种不同类型的对刀装置，如机外对刀仪、机内光学对刀仪、接触式自动对刀装置等。由于车削中心对一般的数控车床刀具夹持标准化程度不高，因此采用机外对刀仪的对刀精度相对较低，而且专用机外对刀仪成本较高，操作复杂，需要专门的操作空间，所以实用性较差。而采用机内接触式自动对刀装置无疑是一种简便、快捷的对刀方法，它能方便地自动测量刀具的固定刀补值，大大减少对刀时间，提高机床的加工效率。所以本文旨在设计一种机内接触式的数控车床，实现数控车削前的精密对刀，提高生产率，降低加工成本。需要解决的问题主要有以下方面:自动对刀仪需有高精度的电子测头（传感器），能够准确在触发点触发，有较快的反映时间;对刀仪的测头与刀尖刚性接触，需加缓冲装置，对测头表面保护，压力需控制在1～10MPa左右，这样才不会对传感器的测头造成损坏，形成凹坑;系统能利用机床本身的位置测量装置进行测量，通过对不同刀尖触发点坐标（X,Z）的记录，可以方便地得到一组坐标值，分析计算后便可确定各刀刀补值;安装和固定对刀仪的装置（联接臂）应达到相应精度要求，满足平行度与垂直度要求，且要有较好的刚度和易操作性。
3 精密切割数控机床总体设计
对精密切割的功能，主要需保证刀具切割精度，因此要求对数据机床的主要部件一一传感器的精度得到保证，传感器的作用是感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息，将被测量（刀尖位置这个物理量）按照一定的规律转换成可用输出信号（电流、电压）表示的物理量。 精密切割的数控机床传感器由以下几部分组成：
图 一：数控机床传感器组成
在本文中，传感器的选用应有相当的精度，完成以下功能:1）、实现对X轴和Z轴两个方向的传感，对刀仪要得到X轴和Z轴的坐标值，必须使不同刀具在相同的点触发传感器，进而运用机床数控系统的功能再结合编程实现该点坐标值的获取。实际上传感器要完成的功能是一个开关量，不同的刀具在相同点触发即可。2）、由于刀具偏角的不同，传感器不能做成X轴向和Z轴向相互垂直的两对传感器，这样对Z向坐标的时候，得到的刀尖点可能不是真实的刀尖点坐标。
本文采用的是机械式开关传感器，用机械触发的方式得到一个开关量的输出，当刀尖与传感器触发并行进到预设位置时，电路接通得到触发信号。机械式传感器相对来说精度是差一些，但只要设计合理，也能将误差控制在合理的范围内。另一方面，可自行设计以兼顾刀具刀偏角的不同和传感器的大小及联接方式。此种传感器简单适用，成本较低，具有很大的市场推广价值。
4 PLC与数控系统编程
NUM1020/1040数控系统是NUM于1995年开发出的全新数控系统，是紧凑且功能完善的32位数控系统，并且和NUM1060系列系统完全兼容。它特别适合于1～6轴的数控机床，其硬件特点如下：采用CISC（ 超大规模集成电路）技术的GSP主板;主板上连接可插接（分离的）小模板，由于考虑到数控系统和系统外部的联系，NUM把和外界联系的功能模块制造成可插接小模块，便于用户将来的维护。具体分为轴模块、显示模块和通讯模块;NUM1020/1040采用+24VDC为其电源输入，由于数控系统是弱电电路，采用+24VDC为电源输入，可以大大降低其热源和不稳定因素的影响。用户可以把+24VDC稳压电源放在电气柜内，大大提高了整个数控系统的可靠性;PLC功能的内部集成，PLC功能的内部集成化，提高了PLC和CNC的内部通讯能力，增强了数控机床的逻辑控制;PLC的32输入和24输出模块，NUM的32输入和24输出模块可以和外围的电路相连接，而这种模块通过NUM提供的电缆和NUM数控系统连接，提高了整个机床的可靠性。（如果有问题，只能损坏这种模块，不会对数控系统造成损坏）;光纤技术的通讯，PLC输入输出点的扩展，通过光纤进行连接，简化了线路的连接;轴转接模块，机床的编码器和到伺服的线路可以直接联到此模块上，并通过它和数控系统的轴板进行连接，提高了数控系统的可靠性。另外，NU M的轴连接和其它数控系统不同，NUM的轴模块连接此轴的所有信息（如编码器、速度信号、回零开关）。如果机床的轴有问题，可以直接把轴模块上的插头相对换，就能很快地查出问题所在（系统内部或外部）;轻巧实用的紧凑型操作面板。其上显示器和计算机的CRT有可兼容性，与NC相通的功能键共有47个，有6个用户自由定义键及串行通讯接口，可以连接PC的键盘（直接插拔）。
按照设计要求，当传感器检测到信号时，数控系统的程序并未监控，此时是不能记录刀尖坐标值进行数据处理的。必须先使进给电机停下来，等候操作者发出指令，然后进行下一步的操作。所以应该通过PLC的控制来实现这一功能，将Q001.0和Q001.1两个端子分别与两两个进给电机相连，实现单独控制。其次，传感器共有四个测头，但对进给电机的控制都是一样的：任何一个传感器得到信号都必须使相应的电机同时停下来，然后进行相应的数据处理。
数控机床的传感器得信号后通过接口电路传给PLC，PLC将得到的信号通过交换区与CNC进行数据的传输，CNC将信息运算处理后再传递到PLC中，PLC控制X向电机和Z向电机运动。数控系统与传感器的接口电路如图2所示：
如图所示为PLC的接线示意图，将%I001.0、%I001.1、%I001.2、%I001.3 四个输入口分别与四个传感器相连，然后再与COM口连接。传感器得到信号后，相当于开关闭合，由原先的+24VDC电压跳变为零，从而给PLC的相应的输入端口一个信号。输出口%Q001.0控制X方向进给电机的使能，%Q001.1控制Y方向进给电机的使能。
图 二 ：数控机床接口电路
NUM1060CNC是一种多功能、多处理器的系统，它提供与数控机床连接的各种自动控制功能。用梯形图语言编制的自动控制功能包括安装在机床上的传感器和执行机械以及与CNC的数据交换。自动控制功能设置在中央处理单元之中，它包括一块或多块功能卡，CNC通过它们实现图形显示，自动控制和信息存储功能。CPU与系统的数据交换可以分为二种类型：通过交换区的通讯和通过协议的通讯。
自动控制功能由一个监督程序进行管理，它包括处理初始化，将输入/输出点分配到不同的框架以及输人输出接口和监视器的管理等多种基本任务。监控程序与用户程序一起对系统进行整体的监督管理。用户程序是在监督程序控制下受一个20ms周期的实时时钟（RTC）支配循环运行的。
机床处理器的存储器空间安排如下：
（1） 有备份功能（掉电保持）的32K静态RAM。
（2） 在电源接通是复位（清零）的32K动态RAM。
（3） 机床处理器（1MB V1）的用户程序使用的180KB动态RAM。
（4） 机床处理器（4MB V1）的用户程序使用的2.5MB动态RAM。
（5） 机床处理器（4MB V2）的用户程序使用的3.5MB动态RAM。
（6） UCSII模块上的用户程序使用的64KB动态RAM。
自动控制功能如下：
（1） 对DACs（12位）直接存取。
（2） 对ADCs和输入/输出点间接读和写存取，这种存取是经由虚拟存储空间（每20ms刷新）实现的。
5 创新点总结
本文的创新点是针对数控车床对刀具jingque切割中，对刀时间长、精度差这一问题，设计了精密切割数控车床，通过对刀尖位置的jingque捕捉运用NUM数控系统自身的测量装置得到了刀尖点的坐标，经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差得出并再存入数控系统，实现了自动对刀，有效地提高了对刀的效率和精度，具有可推广性。可为生产效率的提高，制造成本的降低起到积极的作用。
