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西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0产品特点1.引言: 随着我国机械装备、汽车工业等行业的快速发展，我们对轴承加工设备，尤其是高精度、高效率、高可靠性的轴承磨床需求量十分庞大。轴承，作为机械工业的基础件，其加工设备的重要性非常突出。目前，我们国家的轴承加工设备相对存在加工精度差，重复精度不高、生产效率低的问题，生产的轴承和国外品牌有相当大的差距。以小型球轴承加工设备为例，有许多个体企业还在使用手工作业生产，这从侧面说明了我们在设备的自动化控制方面还有许多工作要做。当然，轴承设备的机械加工精度要求很高，在此基础上，设计一套的自动控制系统及其控制软件非常重要。笔者在参与某集团公司的新型轴承自动化生产线的研制过程中，引进光洋电子的伺服控制模块，成功设计出了一套新的轴承磨床控制系统并完成系统软件的设计。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的轴承生产企业之一，其轴承磨削的自动化控制确有其独到之处。 2.工作原理及控制要求: 以RF-3MZ203小型轴承内圆磨为例，其机械结构的关键在于磨削进给机构，一般采用直线导轨和滚珠丝杠总成。加工时，工件（轴承套圈）高速旋转，磨削进给机构控制砂轮jingque运动，进行磨削加工。所以，磨削进给的控制精度十分重要，这里采用安川的全数字化交流伺服系统控制。磨削进给机构示意图如下该磨床自动化控制的总体要求是（1） 开关量输入64点，开关量输出24点。（2） 采用伺服定位模块控制安川的交流伺服系统。由于内圆磨床磨削加工时有测抓在线测量，所以需要构成全闭环伺服控制。加工效率高，要求伺服系统有良好的高速响应能力；加工精度高，要求伺服系统有良好的刚性，以及的低速性能。总体上要求伺服系统在高、低极限都能达到良好的性能。加工精度达到1μm（3） PLC控制多台变频器。（4） 采用触摸式人机界面，操作直观方便，界面友好。（5） 具备PLC总线连接能力，可以进行整条生产线的联网控制。 3.控制系统硬件设计: 根据上述控制要求，PLC选择光洋电子的SU系列，变频器和交流伺服选择安川的产品，触摸屏选用光洋电子的GC-55EM2，共同组成磨削自动控制系统。选择光洋PLC主要是因为其中的U-01SP单轴伺服控制模块可以与交流伺服驱动系统良好的配合，达到优良的高、低速性能，而且伺服电机的编码器信号直接反馈到该模块，测抓反馈的中断控制信号也直接反馈到该模块，从而构成真正意义上的闭环控制。该模块在光洋精工已经得到长期应用。安川的交流伺服刚性好，技术先进、质量稳定，用于轴承加工设备非常合适；其变频器具备MODBUS总线，由于光洋电子的SU系列CPU模块的通讯口已经内置MODBUS协议，所以可以采用通讯方式控制多台变频，相比原先类似系统采用的模拟量输出控制简化了PLC硬件配置从而大幅节约了成本。值得一提的是SU-5M通讯功能强大，CPU自身具备3个通讯口，分别用于触摸屏通讯、变频器通讯、总线控制，而不需要单独的通讯模块，对提高配置的性价比起到了十分关键的作用。系统示意图如下： U-01SP与交流伺服配线图如下：[NextPage]4.控制软件设计: 轴承磨削的工艺十分复杂，磨削的方式有多种。本磨床主要是通过控制磨架的前后运动与砂轮进给机构相配合，完成磨削过程。控制的要点在于磨削进给机构的动作，也就是伺服系统的控制。本系统中的U-01SP可以用类似CNC的G代码控制，从而实现复杂的程序结构。利用这套系统，我们实现了电气原点的手动设置、手动调整模式与自动运行模式的切换、单次运行（半自动）与连续自动运行的自由切换、砂轮的各种修正模式、以及顺序复位（按机床动作流程，到需要返回时按原先已经动作的顺序反方向倒退回初始状态。因为机床的各部件动作需要错开，同时复位会造成碰撞）。U-01SP与PLC的信息交换通过该模块占用的输入输出点进行。其对应关系见下表 程序控制分为两部分，CPU内的主程序为传统的PLC梯形图程序，该程序采用光洋的级式语言编程，依据工艺流程图编写，结构明晰、调试方便；U-01SP内下载伺服控制程序，整个磨削过程及砂轮修正程序均包含在G代码伺服程序内。当PLC主程序需要调用伺服程序时，只需要控制U-01SP的对应输出继电器即可。如启动自动运行，只需将Ｑn＋０２输出为ON；如启动手动反转，将Ｑn＋０3置为ON即可，伺服运行时Ｉn＋０２为ON显示伺服系统运行中（BUSY）。限于篇幅，详细的工艺流程图在此无法展开，这里给出砂轮修正部分的PLC程序示例：[NextPage]G代码编程介绍: 由于U-01SP伺服定位模块的类CNC的G代码具有编程方便、功能强大、调试直观、易于学习等许多优点，在此作简单说明。 （1）定位控制命令的基本格式：N100 G00 X500 F3000其中N100为程序标号，G00为命令码，X500代表定位位置，F3000表示定位速度。（2）常用G代码命令 结束语: 说到CNC数控系统，相信许多人对G代码编程是非常熟悉的，但是在PLC系统中融合G代码编程的产品目前在国内并不普及。我们的这套系统自2000年在国内投产距今已接近5年时间，用户反映质量稳定，使用便利。值得一提的是我们的这套系统走出了伺服电机低转速每分钟0.1转以下的极限！如此低的速度在光磨时有着重要的意义，因为光磨时需要的就是非常低的磨削速度，以逼近无进给磨削状态，可以达到极高的磨削精度。事实上，用户利用我们的PLC系统和三菱的专用CNC系统做了比较，磨削后工件的测量结果表明，采用PLC系统的磨削精度、加工的重复精度完全达到专用CNC系统的水准。从这一点来说，这套PLC系统有着良好的性能和特点：它将PLC的控制和高性能的伺服定位控制结合在一起，提供了PLC的易用性和CNC的高性能，具有很好的推广价值和应用前景如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足更加细分化的市场需求，为了满足这种需求，出现了嵌入式PLC产品。一、嵌入式PLC 嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组1、嵌入式PLC系统软件嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、专家自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。系统软件包括三个部分。①嵌入式PLC内核： 它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；②二次开发驱动程序 通过系统软件提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；③终端应用程序 指面向工艺流程控制的梯形图语言程序 2、嵌入式PLC芯片组EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的核心芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和专用PLC。1）芯片组基本性能：① 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。② CPU： C8051F040。③ 嵌入扩展能力●32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。●4 AD： 12位精度，100 KPS。●2 DA： 12位精度，100 KPS。④ 通信接口●CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。●UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。●UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。2）芯片组原理框图：二、应用开发基于加载了系统软件的核心芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。1、硬件设计硬件整体结构图如下：AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。 （1）信号采集电路 用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV/℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。[NextPage]（2）信号选择电路选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即个AD转换通道。 2、软件开发嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。（1）程序规划 T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。（2）程序代码[NextPage]INIT_AD: ;AD初始化MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGEMOV REF0CN, #07H ;内部参考电压/输出到VERF ;启动内部温度传感器MOV AMX0CF, #00H ;单极性输入MOV ADC0CF, #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1 ;采样转换时钟=1US ;D2--D0=GAIN ;000 GAIN=1MOV ADC0CN, #90H ;启动AD采样MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0MOV AD_COUNT, #00H ;16次采样次数计数。初值为0 RET SAMPLE_AD: ;AD采样开始MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页 MOV A, AD_CHANNEL ;采样值的累加和是一个字基地址为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL RL A MOV DPTR, #XAI ;XAI存放16次采样值的累加和 ADD A, DPL ;低字节相加 MOV DPL, A MOVX A, @DPTR MOV B, A MOV A, ADC0L CLR C ADDC A, B MOVX @DPTR, A INC DPTR ;高字节相加 MOVX A, @DPTR MOV B, A MOV A, ADC0H ANL A, #0FH ADDC A, B MOVX @DPTR, A ;#XAI中存放格式为低字节、高字节[NextPage] MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页 MOV ADC0CN, #090H ;启动下次AD采样 INC AD_COUNT MOV A, AD_COUNT CLR C SUBB A, #16 JNC FILL_XAI_XAD ;当16次采样完成后,把XAI中16个采样和（2字节）存放到XADRET3、驱动程序的嵌入在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。三、功能介绍基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：1、采集工业现场的多路热电偶信号，2、支持三菱、台达等多家人机界面， 3、支持梯形图编程（86条指令）， 4、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。四、结束语笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明，本着软硬件可裁剪的原则，开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，节约了硬件成本、缩短了研发周期，并且得到了许多强大的功能，相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。
