西门子6ES7232-0HD22-0XA0详细解读
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1、引言
近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。
通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
2、变频器简介
交流电动机的转速n公式为：
式中: f—频率;
p—极对数;
s—转差率(0～3%或0～6%)。
由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。
3、PLC模拟量控制在变频调速的应用
PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、
图1 对变频器进行速度控制的信号输出
图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
图2 变频器的控制及动力部分接线图
3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
（1）模拟量模块输出信号的选择
通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10V或0~5V电压信号以及4~20mA电流信号。这里我们选择0~5V的电压信号进行控制。
（2）模拟量模块的增益及偏置调节
模块的增益可设定为任意值。然而，如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20mA时。
图3 模块的增益设定
（3）模拟量模块与PLC的通讯
对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而重要的则是对缓冲存储器(BFM)的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如附表。
附表 BFM的定义
从附表中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中：
#16为输出数据当前值。
#17:b0:1改变成0时，通道2的D/A转换开始。
b1:1改变成0时，通道1的D/A转换开始。
（4）控制系统编程
对于上例控制系统的编写程序如图4所示。
图4 控制系统编程
在程序中：
1) 当M67、M68常闭触点以及Y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当M62、M557常闭触点以及Y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。
2) 通道1
将保存个数字速度信号的D998赋予辅助继电器(M400~M415);
将数字速度信号的低8位(M400~M407)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b1=1;
使BFM#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号D/A转换。
3) 通道2
将保存第二个数字速度信号的D988赋予辅助继电器(M300~M315);
将数字速度信号的低8位(M300~M307)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b0=1;
使BFM#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号D/A转换。
4) 程序中的K0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，因此为K0，假如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将K0改为K1即可。
（5）变频器主要参数的设置
根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5V，所以，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。
3.2 注意事项
(1) FX2N-2DA采用电压输出时，应将IOUT与COM短路;
(2) 速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。
4、结束语
上述控制在实际使用过程中运行良好，很好的将PLC易于编程与变频器结合起来，当然不同的可编程序控制器的编程和硬件配置方法也不同，比如罗克韦尔PLC在增加D/A模块时，只要在编程环境下的硬件配置中添加该模块即可。充分利用PLC模拟量输出功能可以控制变频器从而控制设备的速度，满足生产的需要。
引言
PLC以其可靠性高、逻辑控制功能强、体积小、适应性强和与计算机接口方便等优势在工业测控领域广泛运用，已大量替代由中间继电器和时间继电器等组成的传统电器控制系统。近年来，PLC技术发展迅猛，新产品层出不穷。高端PLC不仅擅长开关量检测和逻辑控制，而且能够处理模拟信号、进行位置控制和回路控制，还可以连接各种触摸屏人机界面并具有强大的网络功能。高端PLC配备适当的位置控制单元和触摸屏人机界面，并根据计算机集成制造系统(CIMS) 或柔性制造系统( FMS) 的具体要求，配置相应的网络模块或网络单元，即可实现网络互连，构成开放的数控系统。本文介绍一种基于OMRON高端PLC的磨削数控系统，这种数控系统装备的位置控制单元可以实现两轴联动，并可根据实际需要，任意扩展控制轴数；触摸屏人机界面可以根据操作需要灵活设计；还可通过DeviceNet、Controller bbbb和TCP / IP协议单元进行多层次的网络互连。这种数控系统目前已在3MZ2120磨床数控技术改造中获得成功应用。
1、数控系统的开放特征与典型模式
开放式数控系统一般基于PC平台，具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发和适应联网工作等特征。基于PC平台的开放式数控系统目前有3种典型模式。种为衍生型(专用NC + PC) ，在传统CNC中插入专门开发的接口板，使传统的专用CNC带有PC的特点。此种模式是由于数控系统制造商不能在短期内放弃传统的专用CNC技术而产生的折中方案，尚未实现NC内核的开放，只具有初级开放性；第二种为嵌入型( PC +NC控制卡) ，将基于DSP的高速运动控制卡(NC控制卡)插在PC的标准扩展槽中，由PC机执行各种非实时任务，NC控制卡处理实时任务。是目前基于PC平台的开放式数控系统的主流；第三种为全软件数控系统，PC机不仅能够完成管理等非实时任务，也可以在实时操作系统的支持下，执行实时插补、伺服控制、机床电器控制等实时性任务。这种模式的数控系统实现了NC内核的开放和用户操作界面的开放，可以直接或通过网络运行各种应用软件，是真正意义上的开放式数控系统。与PC平台开放式数控系统相比，基于高端PLC的数控系统的开放性主要体现在网络层面和系统扩充层面。高端PLC采用类似于PC的总线结构和面向操作的梯形图语言编程，模拟量处理单元、位置控制单元、回路控制单元、网络模块或网络单元等高端部件都有专用控制语句，具有系统构建灵活、扩充能力强、应用软件设计便捷等优点。编程语言标准化和部件可互换性的不断增强，现场总线技术和工业以太网络标准的普遍采用，都使基于高端PLC的数控系统变得更加开放，将成为面向CIMS或FMS的设备层的重要组成部分。
2、基于高端PLC的磨削数控系统
基于高端PLC的磨削数控系统组成结构如图1 所示。
图1 磨削数控系统组成结构图
2.1 开关信号监测与逻辑控制
当前系统输入输出单元是PLC的基本组成部分，在磨削数控系统中承担所有开关信号的监测和全部逻辑控制功能。监测信号主要有：机械手进出、机械手上下、料盘正反转、修整器起落等动作的位置信号，磨削设备和辅助装置上的各种工作状态信号和异常报警信号。系统输出单元控制磨削设备上所有电磁阀和机床电器系统等，通过磨削设备上的液压系统，控制机械手、料盘、工件卡盘、砂轮轴、床身、修整器等基本部件和冷却、润滑、过滤等辅助装置按照磨床动作和磨削工艺要求工作，实现磨削加工过程的自动化。
2.2 工件与砂轮运转速度控制
保持工件与砂轮转动速度恒定，对提高磨削加工质量十分有利。为此系统配备了2台带RS - 485串口变频器，分别驱动工件轴和砂轮轴。PLC采用联机随动控制保证两者之间速度的配合与稳定。操作人员依据磨削加工要求设定工件轴变频器速度参数，PLC接收该参数后，参照砂轮直径(设定或记忆值) 和转动速度比例关系，计算并自动设定砂轮轴变频器的速度参数。在磨削加工过程中，PLC对砂轮在磨削及修整过程中的损耗给予速度自动补偿。PLC多可以控制32台变频器，不同厂家的变频器可采用协议宏通信联接。PLC按照变频器地址( 0 - 31) 、指令代码和相关数据顺序向变频器传送命令，对变频器运行、停止、正转、反转等实施控制；PLC还可以监视变频器运行状态，当变频器发生过电流、过电压、变频器过载、硬件异常、电机过载、过力矩检测、电源异常、通信超时等情况，可将异常参数传输给PLC，由PLC作出相应处理。
2.3 位置控制单元(PCU) 与位置控
制高端PLC配备单轴位置控制单元，与步进电机或交流伺服电机驱动器配套使用，可以完成开环或半闭环位置控制及速度控制，配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制，实现直线和圆弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出与高端PLC配套的PCU，具备高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU 自带PCU 的位置脉冲速度为1kBPS，PCU 的速度可达到500kBPS，松下PP2 或PP4 系列的位置控制速度高达1MBPS。采用高端PLC设计数控系统，需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择适合的位置控制单元( PCU) 。磨削数控系统控制精度要求较高(F1μm) ，一般选择数字交流伺服系统。OMRON高端PLC专用指令控制脉冲输出，可选择梯形、S形或三角形速度曲线运行，实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。程序设计可选择相对坐标系或坐标系，按照图2 所示的梯形图编程运行，可实现各种磨削加工所应遵循的运行曲线。
图2 位置控制编程示例
图3表示该数控系统准确实现铁路轴承内套挡边粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。
图3 磨削加工中的砂轮运动轨迹
2.4 触摸屏人机界面设计
基于高端PLC的磨削数控系统可选用触摸屏人机界面( Programmable Ter2minal，PT) ，采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等) 以及动画功能等，按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以3MZ2120磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要，该系统主界面下设8个子画面(图4) 。
图4 界面转移关系示意图
系统上电自动进入主界面，核对操作密码后弹出主菜单，在主界面上点击操作可转移相应的子界面。加工参数和修整参数设置界面提供设置数控磨削相关参数提示；手动操作和手动修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手动位置控制和手动修整砂轮操作，为设备调试提供便利；自动报警界面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计，对油雾润滑、液压系统、机床电器系统、料槽状态、冷却系统和伺服电机等实施监测和自动报警，当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(报警时间、故障代码及应对措施等) ；自动运行界面(图5) 采用棒图显示当前磨削余量值；采用动画方式实时显示加工状态和加工位置等。还设有“紧急停车”等应急按钮。PT有RS232 /422 /485 通讯口，能够兼容众多厂家的PLC。人机界面应用程序可脱机编制和调试，然后下载到PT上运行，PLC一般通过RS232接口与PT相连。许多PT还配备并行接口，可直接与打印机连接，实时打印数据或进行屏幕拷贝。
图5 自动运行界面示意图
2.5 网络结构与联网功能
灵活的网络结构和强大的联网功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有标准RS232接口连接触摸屏人机界面、上位机或编程工作站。还可扩展DeviceNet通信单元，使各种符合DeviceNet通信协议的产品都可以连入系统中，以构成基于DeviceNet开放式现场总线的数控系统；系统与车间管理层计算机及车间其它高端PLC 的连接可以采用Controllerbbbb方式，在PLC中扩展Controller bbbb 通信单元，车间管理层计算机装备Controller bbbb支持卡即可实现互连，由底层DeviceNet设备、基于高端PLC的数控系统或其它测控设备和车间管理层计算机构成3层递阶结构的网络测控系统。高端PLC一般都可配置符合TCP / IP协议标准的以太网单元，全面支持远程监控等应用。
3、结束语
广泛建立计算机集成制造系统(CIMS) ，全面提高制造自动化水平是我国制造业发展的重要方向。然而缺少设备层的有力支持正逐渐成为发展CIMS 的“瓶颈”，研究开发各种面向CIMS的数控装备显得十分重要而紧迫。基于高端PLC的数控系统具有系统构建灵活，应用软件设计便捷等优点。灵活的网络结构、强大的联网功能和系统扩充能力使这种数控系统具有一定的开放性，将成为CIMS设备层的重要组成部分。本文所述基于OMROM高端PLC的磨削数控系统已成功应用于3MZ2120 磨床数控技术改造，使原来手工操作的磨削设备成为先进的数控磨削设备，并在铁路轴承内套挡边磨削加工中发挥了重要作用。
