西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8功能介绍

西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8功能介绍

　大型构件压力试验机广泛应用在各种材料试验、建筑构件耐火试验设备等场合,其主要特点是要实现对超大工作力控制,目前国内大加载载荷可以达到15 000 kN,如建筑构件耐火试验设备中对柱梁加载。这种超大力控制难度在于控制精度、稳定性方面要求高,一旦出现偏差,极易造成重大事故。为满足超大力控制,本文设计了电液比例溢流阀和带力反馈控制的**伺服比例阀的电液伺服控制系统。

　　由于PLC控制成本低,控制能力强、体积小、抗干扰强等优点,特别是在系统中集成了PID运算指令供用户使用,只需一句指令即可执行,其结构简单,运算速度快。因此本文采用S7-200 PLC为控制核心,同时对控制系统硬件及软件设计方面做了详细介绍。

　　1　液压伺服控制系统工作原理

　　液压系统原理图如图1所示。为保证系统的控制精度与稳定性要求,系统由2个闭环控制回路组成:(1)泵源控制,保证系统压力的稳定。系统工作时,首先由比例溢流阀1控制泵恒压向系统供油,溢流阀2起到安全阀作用,当系统压力较低时,比例溢流阀根据压力反馈信号调节系统压力,此时比例溢流阀主控。(2)系统工作力控制回路。伺服比例阀3主控,实现对试验力的**控制。此时比例溢流阀的作用是保持系统的工作压力稳定。

　　方向阀4的作用是快速卸压作用。当工作过程中遇到试件被压断或异常情况,由方向阀4快速卸荷,保证系统不受损害。

　　2　力控制系统PLC设计

　　液压控制系统控制和调节PID运算由PLC完成。PLC采用目前流行的、性价比较高的S7-200系列中的CPU224。

　　S7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性价比的微型PLC,其结构小巧,运行速度高、价格低廉、功能多、用途广。S7-200系列中的CPU224/226具有32位浮点运算指令和内置PID调节运算指令及高速计数等特殊功能,非常适合电液伺服力控制系统。由于S7-200提供了PID运算指令,因此在使用时只需在PLC的内存中填写一张PID控制参数表,再执行命令PIDTable,Loop即可完成PID运算。

　　本项目选用S7-200系列型号为CPU224XP的双串口可编程控制器,模拟量输入模块选择EM231,输出模块选择EM232,可通过计算机和TD200文本显示器进行控制操作。

2.1　输入/输出地址表

　　本系统的输入信号有电机启动按钮、停止按钮、系统压力传感器、负载力传感器、试验力设定、油箱温度传感器、控制电源状态等。输出器件包括:比例溢流阀、伺服比例阀、电磁换向阀、冷却电磁阀、电机控制继电器、指示灯、油箱加热、报警等。其输入/输出地址如表1所示。

　　模拟量选用了EM232、EM231特殊功能模块。

　　2.2　电气接线图

　　根据系统控制要求,其I/O接线如图2和图3所示。

2.3　软件设计

　　(1) S7-200 PLC内置PID算法

　　连续PID控制算法为

　　式中MX———积分项前值(在第n-1采样时刻的积分项);

　　MPn———第n采样时刻的比例项;

　　MIn———第n采样时刻的积分项;

　　MDn———第n采样时刻的微分项。

　　将比例项、积分项和微分项分别代入式(3)中,得

　　式(4)中包含了9个用来控制和监视PID运算的参数,在PID指令使用时构成回路表。

　　(2)系统软件设计流程

　　PLC程序可以采用梯形图、语句表、程序块等形式表示。程序在软件STEP7-Micro/Win32中编制调试,通过PC/PPI电缆传输到PLC中。实际工作中人机交互可以通过计算机显示器进行操作,也可以通过TD200文本显示器进行操作。

　　根据系统要求,结合PID控制,基本流程如图4所示。

　　3　结语

　　经过在试验机上试验表明:该PLC控制系统能实现对系统压力及试验力的恒定控制,能满足控制精度与稳定性要求。另一方面,该控制系统可采用PLC和工控机相结合的上下位机方式,具有较高的可靠性和远程操作性,也便于系统的使用、调试和维护。

：预灌封注射器 托盘 数控装巢机 定位模块PLC

　　预灌封注射器作为一种新型的注射器，药液直接灌装在注射器中，使用十分方便。它的生产流程一般是注射器针管成型、退火、插针、清洗硅化、装巢、消毒灭菌、成品库等几个工序。目前，预灌封注射器生产线主要由 BD 公司、INOVA 公司、博世集团、Groninger 公司等几大公司生产[1]，但是他们供应的生产线中注射器针管成型机、装针机、清洗灭菌机、灌装机都是独立的，这就造成在注射器针管成型、清洗硅化工序完成以后需要工人首先对自己双手以及夹持注射器针管的夹具进行严格的消毒与灭菌，然后人工把无菌的注射器半成品放到蜂窝状的托盘中，效率较低，工人的劳动强度较大。

　　针对上述注射器装巢工序中存在的问题与不足，开发注射器针管自动装巢机就变得十分的必要与迫切，为了实现玻璃注射器自动装入蜂窝状托盘中，笔者设计了注射器针管数控装巢机，它能够**注射器针管摆放效率、降低人工劳动强度，满足注射器安全、高效、无污染的生产。

　　1工作原理与参数计算

　　1.1 工作原理

　　数控装巢机主要包括以下几个部分：机床床身、落料机构、工作台运行机构、数控系统、动力源等。数控装巢机的工作原理是装巢机的伺服机构在数控系统的控制下带动工作台按照程序预定轨迹运行到落料机构的出料口，然后落料机构再把注射器针管从进料口送到出料口下放到蜂窝状托盘的巢孔中，然后工作台与落料机构重复上述动作实现自动装巢，X、Y 工作台采用脉冲加方向的控制方式[2]。

　　1.2 参数计算

　　数控装巢机的技术指标：(1)X 轴工台行程 380mm;(2)Y 轴工作台行程 350mm;(3)机床运行速度 3m/min，加速度不小于 0.3 m/s2。针对上面的技术要求，对于电机的控制我们采用位置控制模式，我们知道在伺服电机控制中方向和转角的控制较简单，但是速度控制是很复杂的，在设计时需要计算发送脉冲的频率。为了使电机在运行中不出现失步或超步的现象，控制脉冲的频率一般要小于(或等于)电机的响应频率[2]。一个静止的电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，一般来说，升频的时间约为0.1~1s 之间。同样，在降速时也不可能马上就停下来。因此，在控制的过程中运行速度我们采用 T 型曲线模式即升速—恒速—降速—停止模式。由于托盘 X 方向相邻两个巢孔的间距为 18.5mm，Y 方向相邻两个巢孔的间距为16.5mm，这就要求**计算装巢机每走一个工步 PLC 定位模块发送脉冲的数量、高速度下发送脉冲的频率以及加速度计算。下面给出每走一个工步 PLC 定位模块发送脉冲的具体的计算过程：

　　(1)脉冲数量计算：首先根据脉冲计算公式(1)：

　　其中：pos 为 PLC 定位模块发送的脉冲数;m 为伺服驱动器的指令脉冲倍频;p 为电机每转脉冲数;s 为巢孔间距;L 为丝杠螺距。

　　由于我们选用松下 A4 系列 MADDT1205 型号的驱动器与松下的 MSMD022P1 型号的交流伺服电机，通过查询我们知道 m=4;p=2500，丝杠螺距为 5mm/r，经过计算可得到 X 轴方向与Y 轴方向每一步 PLC 发送的脉冲数posx=37000，posy=33000。

　　(2)脉冲频率计算：为了**效率，我们把 X、Y 轴的速度设置一样，根据设定速度 V 与丝杠导程 L 通过公式(2)计算出丝杠速度 V

　　其中：Vs为丝杠转速。又由于电机与丝杠的变比为 n，电机每转脉冲数为 p(pulse)，伺服驱动器的脉冲倍频为m，可以通过公式(3)计算出控制器脉冲发送频率 Vel。

　　其中：Vel 为脉冲发送频率。由于电机与丝杠的变比n=1;m=4;p=2500;设计速度 V=3m/min，丝杠 螺 距 L 为5mm/r，把数据带入公式(3)可计算的：Vel=100000。

　　(3)脉冲加速度计算

　　根据技术要求，折算到电机轴的大负载转矩是 TL是 0.1N·m，电机产生的大转矩 TM 是 1.91 N·m，折算到电机轴的转动惯量是 J 是 0.15×10-4kg·m2，所以根据机电传动运动方程式：

　　其中：TM为电机产生转矩;TL为折算到电机轴上的负载转矩;J 为传动系统的转动惯量;ε 为角加速度。可以计算出电机的允许的大角加速度 ε 为 80m/s2。根据公式(5)可以计算出丝杠轴的加速度 as。

　　其中：a 为系统加速度。由于电机与丝杠的变比为 n，电机每转脉冲数为 p(pulse)，控制器的脉冲倍频参数为m，所以控制器发送脉冲加速度 acc 为：

　　为了保证加工的效率，根据我们的设计要求加速度不小于 0.3 m/s2，我们选取加速度 a 为 0.495m/s2, 带入公式(6)求得 acc 为 990000。加速度这个参数是用户不能够改变的，只有设计人员可以设置改变。

　　由于我们选用 DVP12SC11T 型号的 PLC 作为控制核心，该型号 PLC 内部集成定位模块，该定位模块速度走梯形曲线，加速和减速时是同样斜率，加速和减速阶段分成十段来完成，通过分析上面计算结果与 PLC 定位模块的性能，我们可以绘制速度 T 型曲线图如图 1 所示，由图 1我们可以得到加速度和减速时间都是 0.1s，脉冲高发送频率为 100000Hz。

　　2设计方案

　　设计方案采用 PLC 为数控系统的核心控制器件，机械部分采用龙门式结构与 X、Y 工作台的形式实现注射器针管的自动装巢。为了实现托盘与落料机构的相对直线往返运动，将落料机构固定在龙门上，托盘放置在工作台上，由工作台带动托盘作直线往返运动;落料机构采用旋转电磁铁带动旋转机构旋转，实现注射器针管下放。设计方案框图如图 2 所示。

　　3机械部分设计

　　数控装巢机所要实现的是将送料机构送来的注射器针管逐个装入托盘巢孔中。其机械结构装配图如图 3 所示。X 轴电机 5 通过联轴器带动 X 轴丝杠运动，然后带动X 轴工作台 2 运动，由于 X、Y 轴组成一个十字滑台机构，所以它们一起运动，当需要 Y 轴运动时 Y 轴电机 6 通过联轴器带动 Y 轴丝杠运动，从而使 Y 轴工作台运动，由于托盘是固定在 Y 工作台 3 上，所以工作台的运动使托盘的巢孔到达落料机构出料口下方，实现巢孔准确运动到落料机构出料口。落料机构 1 是通过旋转电磁铁带动落料桶中的旋转架旋转拨动注射器针管使其从落料口落下。

　　4硬件电路设计

　　装巢机的控制部分主要是 PLC 控制伺服电机带动工作台运动，以及控制旋转电磁铁带动落料机构运动实现落料。装巢机的硬件电路连线图如图 4 所示。在装巢机电路设计中定位控制是关键， 我们选用台达公司的DVP12SC11T 型号的 PLC 作为控制核心，DVP12SC11T 型号的 PLC 为 12 点 (8 输入点、4 输出点)PLC 主机并具有高速脉冲输入(X10、X11)及输出(Y10、Y11)，单一输入或输出高可达 100KHz，提供定位控制及原点复归指令[3]。

　　根据装巢机的硬件连线图我们可知道 PLC 主机的输入输出点数不够用，我们扩展一个 I/O 模块 DVP16SP11R，该模块具有 8 输入点 8 输出点,PLC 的 I/O 地址分配表如表 1所示。由于工作台上只放蜂窝状的塑料托盘，负载很小，我们就选用松下 A4 系列 MADDT1205 型号的驱动器与松下的 MSMD022P1 型号的交流伺服电机。在伺服控制器的控制模式我们选择位置控制模式，接线如图 4 所示，主要控制信号线有伺服使能 SRV-ON、伺服报警 ALM+、报警清除 A-CLR、指令脉冲 PULSE+、PULSE-、指令方向 SIGN+、SIGN- 等信号线[4]。上位机我们采用台达的 DOP-B07S201型号的上位机触摸屏，它支持多种厂家的 PLC 控制器、支持 bbbbbbs 风格的界面编辑、支持 USB 上下载、便利的配方功能等，使用十分方便。

　5软件设计

　　装巢机的控制我们采用 PLC 程序与上位机触摸屏联合控制，上位机触摸屏主要是命令按钮操作、显示操作信息等，PLC 程序主要是控制工作台的运动与旋转电磁铁的运动。

　　5.1 主程序设计

　　装巢机程序流程图如图 5 所示。机床通电以后首先进行初始化，主要包括设定 X、Y 轴的加减速时间、X、Y轴电机小启动频率、上位机组态界面初始化等。然后判断机床是否回原点，当回原点时执行回原点程序，当不需要回原点时，直接跳到下一个流程，然后再判断程序执行，当需要执行装巢时，就会运行装巢程序实现装巢机自动把注射器针管装入托盘巢孔中，然后再判断程序是否执行完毕，当程序执行完毕，程序流程结束;当不需要装巢时，直接程序结束。

　　5.2 主加工程序设计

　　装巢机的托盘是一种拥有10*10 的巢孔的托盘，巢孔直径为 10mm，如图 6 所示。由于 X、Y 方向上各有 10 个巢孔，在程序执行时我们先控制 X 轴电机带动工作台在 X 轴方向运动十步，然后 Y 轴再运动一步，接着X 轴再运动十步，依次按照 S型曲线运动，直到程序完成。PLC 的程序梯形图如图7 所示。

　　主加工程序中我们利用了台达 PLC 的循环控制指令 FOR与 NEXT 指令，用它来实现 X、Y轴的循环控制。在工作台的每走一工步控制中我们利用 DDRVI相对定位指令[5]，它的四个主要参数是 S1、S2、D1、D2。参数 S1 是脉冲输出数量，根据公式(1)计算的结果，我们在设 置 DDRVI 指 令 参 数 S1 时 在 X 轴 方 向 上 设 定 S1 为37000，Y 轴方向上设定 S1 为 33000;参数 S2 是脉冲输出频率，同样根据公式(3)计算的结果，我们设置输出频率为 100000(3m/min);参数 D1 是脉冲输出装置地址，根据硬件电路连线我们可知，X 轴的输出地址是 Y10,Y 轴的输出地址是 Y11;参数 D2 是电机旋转方向输出地址，根据硬件电路连线我们可知，X 轴方向输出地址是 Y20,Y轴方向输出地址是 Y22;根据运行的设定，工作台每走一工步大概需要 0.5s 的时间，装巢机构的运动时间大概是0.2s，这样就完成一次动作的时间是 0.7s 左右，所以装巢机装巢的速度大约是 100 支 / 分钟。在编写程序时我们采用辅助开关控制程序的起停，M31 用来控制程序的启动，M32、M33 是 X、Y 轴的辅助开关，T5、T6、T9 是 X 轴用的定时器，T8、T7、T10 轴用的定时器，D0 是总的循环次数寄存器，D1 是 X 轴向负方向运动步数寄存器，D2 是 X 轴向正方向运动步数寄存器。

　　5.3 上位机组态屏界面设计

　　上位机我们采用台达 DOP-B07S201 型号的触摸屏，采用台达 Screen Edit DOP-B 组态软件进行上位机界面设计，上位机通过 RS232 串口线与 PLC 进行数据交换[6]，开发的上位机界面图如图 8 所示。我们采用 100 个指示灯指示装巢机的每一个巢孔，当装巢机把注射器针管装到巢孔时相应的指示灯点亮，指示针管的状态，当装满一个托盘时是图中满巢指示灯点亮，同时蜂鸣器发出声音提示.

　　6结论

　　通过对预灌封注射器装巢动作分析，阐述了数控装巢机的工作原理，计算了工作台运动每一工步 PLC 发送脉冲的数量、速度、加速度，根据装巢机的动作要求设计了装巢机的工作台与落料机构;控制部分设计了 PLC 与伺服驱动的硬件电路以及与上位机触摸屏的连接电路;编写装巢机下位机程序以及上位机界面设计，开发了装巢机数控系统。数控装巢机装巢速度能够达到 100 支 / 分钟，定位精度达到 *mm，实现了注射器针管自动装入托盘巢孔的功能,大大减轻了工人的劳动强度，**了生产效率。