茂名西门子PLC总代理商

在某污水处理站的自动控制工程中主要包括预处理站、生物处理站、污泥处理站、出水及雨水处理站和污泥消化干化站五个站点的控制系统以及变电站仪表数据的采集工作。

在系统网络上我们采用以太网容余光纤环网以满足系统高速通讯的要求，控制系统设计采用五套西门子S7300控制系统用来负责五个站点的控制，每套S7300控制系统通过NL-MPI和就地光电交换机接入环网；变电站的仪表数据采集通过NT40-EN网关将其ModbusRTU协议转换为ModbusTCP协议，然后通过光电交换机接入环网。上位计算机操作员站运行iFIX监控软件，通过OPC-NL-S7服务器来读写所有S7300控制系统的实时数据，工程师站可以通过STEP7对所有S7300站点CPU进行编程和监控，变电站的仪表数据通过ModbusTCP OPC服务器来读取。

整个控制系统结构图如下：

本工程在设计中充分利用了netTAP和netbbbb网关的优点，在实际调试中避免了西门子以太网通讯方案繁琐的硬件组态，也大大降低了控制系统成本，同时为以后系统的维护带来了方便。

一、项目简介

1. 江苏新瑞机械有限公司坐落于江苏常州，是一家从事数控设备的研发、生产、销售和服务的现代化制造型企业。公司主要产品覆盖立式加工中心全部系列、数控车床全部系列、SR系列压铸机全部系列，具有高速度、高精度、高可靠性等特点。新瑞机械秉承“务实敬业、合作高效、锐意进取、精益求精”的企业精神，把的产品贡献给客户，把yongbu满足留给企业，把信心、技术和竞争力来实现“构筑业界企业，争创业内品牌”的承诺。

2. 压铸机的主要工作原理是压铸成型。在高压的作用下，使液态或半液态的金属，以较高的速度填充压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。系统有2组比例阀：比例压力和比例流量，用来控制机器的液压动作，如动芯一入、动芯二入、静芯入、动芯一出、动芯二出、静芯出、开模、合模、顶针进、顶针退;压射动作分3步：慢压射、快压射和增压射，由3个独立的步进电机调节油泵的开口;辅机由喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手组成，动作速度由画面设定，由相应的变频器控制输出。

3. 项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、何种控制对象

4. 照片

新瑞SR150型压铸机

二、控制系统构成

1. 硬件配置、系统结构及选择依据

　　　系统由HMI和S7-300型PLC构成。因为有位置、压力、速度等曲线需要显示，所以选择了OP270 10。显示效果比较好，有操作按键，容易维护;由于需要3路PWM输出控制步进电机，所以选择了CPU313C，几乎全部利用该CPU的数字量输入输出及模拟量输入输出，性价比非常好;另外，由于压射过程非常快，通常为10-50m/s，有时甚至可以达到100m/s以上。系统需要高速采集大量的数据进行显示、分析和比较，因此选择了SM335模块，它的模拟量输入输出速度快、精度高，还可以产生硬件中断。

2. 附加系统的硬件配置图，网络结构图，应用中的监视画面。

辅机系统主要是由3个机械手构成：喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手。他们根据压铸机的动作循环，在相应的位置进行动作。

3. 多种可选方案的比较：由于有3个步进电机需要控制，在选择方案时考虑过用CPU313C加3个FM353模块，该模块是1轴步进电机定位模块，高脉冲频率可达200KHz，但此方案成本太高;考虑到本机器对脉冲频率要求不高，CPU313C模块中集成的3路PWM输出脉冲频率可达2.5KHz，已经完全可以满足系统的要求。因此只用1个CPU313C就完成控制要求，性价比很完美!

三、控制系统完成的功能

1. 整个控制系统可以分为人机界面显示部分和PLC控制部分。其中PLC控制系统可以分为以下几个部分：压铸机动作顺序控制、压射曲线显示、PWM输出控制和机械手控制。压铸机的动作控制如开模合模，是根据不同的位置送出不同的压力和流量，通常合模分4级，开模分3级。考虑到液压动作的平滑，本系统加了软件斜率，在每个动作的开始、切换和结束时都要通过斜率平滑过渡，使动作很流畅而且声音很小。在机器的使用过程中模具的调整很麻烦，自动调模功能自动完成的繁琐的调节过程，简化操作;压射过程对机器的成型非常重要，需要采集大量的位置、压力和位置数据，压射动作分3步：慢压射、快压射和增压射，由3个独立的步进电机调节油泵的开口控制压射的速度;PWM输出是控制3个独立的步进电机，分别对应慢压射、快压射和增压射的速度。控制上由PLC调用系统功能块SFB49来实现;本机器配备了3个机械手：喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手，他们是可选的。根据压铸机的动作循环，在相应的位置进行动作。

　　　脉宽调制功能是系统集成功能，仅需在硬件配置中作简单设定后，即可在PLC程序中调用SFB49，使用非常方便。

CALL SFB 49 , "DI_PULSE_1"
// 慢压射
LADDR :="DI_PULSE_1".LADDR
// Count Address:768
CHANNEL :=0
SW_EN :="DI_PULSE_1".SW_EN
MAN_DO :="DI_PULSE_1".MAN_DO
SET_DO :="DI_PULSE_1".SET_DO
OUTP_VAL:="DI_PULSE_1".OUTP_VAL
JOB_REQ :="DI_PULSE_1".JOB_REQ
JOB_ID :="DI_PULSE_1".JOB_ID
JOB_VAL :="DI_PULSE_1".JOB_VAL
STS_EN :="DI_PULSE_1".STS_EN
STS_STRT:="DI_PULSE_1".STS_STRT
STS_DO :="DI_PULSE_1".STS_DO
JOB_DONE:="DI_PULSE_1".JOB_DONE
JOB_ERR :="DI_PULSE_1".JOB_ERR
JOB_STAT:="DI_PULSE_1".JOB_STAT

2. 在压射过程中如何高速采样位置、压力和速度数据是项目的难点。在硬件上，我们选用SM335模块，它的模拟量输入处理速度约为每通道200us，精度为14位，并产生硬件中断OB40。系统中设定了2ms的硬件中断，在压射过程中采集位置、压力和速度数据;在PLC程序方面，我们使用了变址寻址的编程技巧，压缩程序空间，提高运行效率，使系统可以在2ms的中断周期内完成运算;在HMI方面，配置了TREND曲线，在压射过程结束后可以马上更新曲线。

根据工件加工的需要，以独立的通用的部件为基础，配以部分专用部件组成的专用机床，称之为组合机床。回转工作台式组合机床是多工位组合机床的一种，它通过回转工作台进行加工工件的输送，夹具安装在工作台面上，被加工工件一次装夹后，从一个工位输送到下一个工位，工作台转一周，即完成在该机床上的全部加工工序。并且，装卸工件的辅助时间与机床的加工时间是重合的。本组合机床全称为回转工作台式六工位组合机床，有一个上下料工序、五个加工工序，分别为：上下料工序；铣端面工序；钻中心孔序；钻的盲孔工序；钻通孔工序；扩孔工序。组合机床外形参见图1所示。

图1  组合机床外形案例图片

2  系统控制说明

本组合机床控制系统主要采用siemens s7-200系列plc和西门子触摸屏ktp-178micro构成，plc完成整个机床的信息采集、信息处理、各种驱动的控制等功能，人机界面完成智能化的后台管理、各轴加工参数的设定、信息监视等功能。

2.1 系统控制主要部件清单(见表1)

2.2 系统控制主要部件介绍

cpu226是siemens公司生产的s7-200系列中性能高端的cpu模块，本机集成24输入/16路输出数字量通道，六个高速计数器，2个20khz的高速脉冲输出，大可扩展7个模块，两个通讯端口。

cpu221是siemens公司生产的s7-200系列中的低端cpu模块，本机集成6输入/4路输出数字量通道，4个高速计数器，2个20khz的高速脉冲输出，不可以扩展模块，一个通讯端口。

em223是siemens公司生产的s7-200系列中数字量混合模块， 4输入/4路输出数字量通道。

ktp-178micro是siemens公司根据国内用户使用习惯和需求而专门开发的人机界面， 是一款性价比较高的人机界面。

步进电机是采用研控自动化科技机电有限公司推出的系列产品，配套yka2404ma细分驱动器，高细分数为200。主轴电机采用三相异步电机。气缸采用smc系列。

2.3 系统控制架构(图2)

图2  系统控制架构

2.4 系统控制主要特点

(1) 输入信号的处理：本套机床的检测信号有：回转工作台用机械式形成开关、气缸用磁环开关、滑台用磁性开关，这些信号的采集利用plc的通用数字量输入信号作为信号采集处理。

(2) 输出信号的处理：步进电机单元，利用plc本身集成的高速脉冲信号作为步进电机驱动器驱动信号，每台plc集成两通道高速脉冲信号，本套系统有四台plc主机，多可控制八轴驱动，控制采用脉冲+方向的控制方式。三相电机单元，利用plc本身集成的通用数字量输出信号作为电机驱动控制信号。气缸单元，利用plc本身集成的通用数字量输出信号作为气缸驱动控制信号。

(3) 人机交换：本套机床的加工参数通过上位机触摸屏来完成，操作人员根据加工需要可以更改相应加工参数。本套机床可通过上位机触摸屏进行机床的手动控制与自动控制，如：电机的运行、气缸的动作、滑台的点动运行。可通过触摸屏察看设备信息，察看设备信号是否正常。

2.5 系统运行模式

单机运行，通过触摸屏操作机床。该模式下又可实现单轴加工、全自动加工两种加工方式。

联机运行，通过终端调度软件给机床上下料，控制组合机床。

3  软件设计

本套系统采用了ktp-178micro触摸屏一台、cpu226一台、cpu221三台，cpu226作为系统的主站。ktp-178通过cpu226的port1口进行数据的读写，cpu226作为ppi主站通过port0口与下位机的三台cpu221进行数据的读写。所用到s7-200的主要控制命令有：网络读写命令(实现cpu226与三台cpu221之间的通讯、高速脉冲输出(实现步进电机的控制)、高速计数(实时读取各个进给轴的坐标)，本套系统大可控制轴数为八轴，为了方便与其它设备联机作业，该系统在控制架构设计上增加了联机接口。

3.1 网络读写指令

网络读指令(netr)初始化通讯操作，通过指令端口(port0)从远程设备上接收数据并形成表；

网络写指令(netw)初始化通讯操作，通过指令端口(port0)向远程设备写表。

本套系统中，cpu226定义为2#主站，其它三台cpu221分别定义为3#从站、4#从站、5#从站。

本套系统中利用了网络读(netr)三项，共有三十个字节。(见表2)

本套系统中利用了网络写（netw）指令三项，共有二十六个字节。(见表3)

在cpu226中通过向导功能进行网络读写的配置，此配置可在ob1主程序进行循环调用，也可通过中断的形式调用。

ld   sm0.0

call    net_exe:sbr8, 0, m7.0, m7.1

3.2 组合机床的联机接口定义(见表4)

该组合机床有单机/联机运行功能，并对联机运行时提供了i/o接口定义。

s1为电平信号，上位机通知机床回零，回零结束时上位机收到机床就绪信号，再切断该信号。

s5为电平信号，上位机通知机床全自动运行，切断该信号，机床自动运行结束。

s6为脉冲信号。上位机上下料完成时通知机床继续运行。

3.3 高速脉冲输出指令

从站的三台cpu221每台控制两轴的步进电机，利用cpu本身集成的两通道高速脉冲输出信号作为步进电机驱动器的脉冲输出，其脉冲输出频率高达到20khz，根据各轴加工的特点，其控制程序要求步进滑台在作加工时有以下特点：

零点(原位)→快进(快速)→攻进(慢速)停留→快退(快速 零点(原位)

根据此特点该程序在设计时采用多段pto功能，以下为单轴进给事例程序：

///网络1

ld   sm0.0

movb     16#a0, smb77

movw 700, smw178

movb 4, vb700

///网络2

ld   sm0.0

movw 1000, vw701

movw -5, vw703

movd 100, vd705

///网络3

ld   sm0.0

movw     500, vw709

movw 0, vw711

movd     500, vd713

///网络4

ld   sm0.0

movw 500, vw717

movw 15, vw719

movd 200, vd721

///网络5

ld   sm0.0

movw     15000, vw725

movw    0, vw727

movd vd524, vd729

atch y轴脉冲完成:int1, 20

eni

pls  1

s    q0.3, 1

脉冲发送完成后产生中断：

ld   sm0.0

s    m0.1, 1

creti

3.4 高速计数指令

由于本套系统为切削加工，同时又有深孔加工工序，其加工深度以及切削速度根据材料、刀具的不同可随时更改，为了快速、准确地对刀并减少刀具磨损，在软件设计上增加了深孔加工时的循环加工次数、滑台的坐标标定等功能。循环加工：由于刀具磨损、刀具摩擦发热，在进行深孔加工时需采用循环加工方式，此套软件严格遵循加工标准进行深孔加工软件设计，即减少了进刀时间，又排除了深孔加工排削难的问题。坐标标定：每次更换刀具、工件后都要进行对刀调试，该软件设计利用s7-200的高速计数功能实现了此项功能。

///网络1判断运行方向分别计数

ld   sm0.0

lps

a    q0.2

lps

ad= vd4, 0

movd hc0, vd0

movd vd0, vd8

lpp

ad<> vd4, 0

movd hc0, vd8

lpp

an   q0.2

movd hc0, vd4

///网络2将计算结果反馈给cpu226，并通过串口反馈给触摸屏

ld   sm0.0

lps

ad<> vd4, 0

lps

ad>  vd8, vd4

movd vd8, vd12

aeno

-d   vd4, vd12

aeno

movd   vd0, vd16

+d     vd12, vd16

lpp

ad<  vd8, vd4

movd vd4, vd12

aeno

-d   vd8, vd12

aeno

movd vd0, vd16

-d   vd12, vd16

lpp

lps

ad=  vd4, 0

movd vd8, vd16

lrd

movd vd16, vd20

/d   +8, vd20

lpp

movw vw22, vw106

3.5 软件流程(图3)

图3  软件流程

4  结束语

该组合机床一经推出，已经得到大量用户的认可，并投入使用，运行稳定，高速，成为了我们公司的利润产品。原来的多路高速脉冲输出控制多轴步进的功能一直是日系plc的主要强项，而西门子如果通过更大型的plc来实现的话，在这类机器里的成本又过高。现在采用的s7-200的联网实现了多路高速输出功能，成本还低于日系的plc，可以说欧美plc的强大数据处理方面的功能在这个组合机床的oem设备市场得到了好的应用，对我们用户来说，既节省了成本，功能上又大大增强。

随着工业自动化的不断发展，高品质的自动化产品和方便快捷的组网实现更复杂的功能， 将使自动化进入一个新的发展阶段。总线和网络技术、人机界面等产品将在工业和生活中得到越来越广泛的应用。西门子高品质的自动化产品和完整的解决方案，为满足机床自动化的各种需要提供的技术平台。