西门子PLC模块6ES7317-2EK14-0AB0

可编程讨算机控制器（PCC ）是一种集标准PLC 、数控系统和工业控制计算机的性能特点于一体的智能控制器，它有极广泛的工业自动化应用前景。本文展示了PCC 智能控制器在物料输送自动化方面的应用实例。

由贝加莱（B&R）公司和安博（ABUS）公司合作开发的首套全自动控制轻型标准组合起重机系统在中国工业领域的应用已获成功。该系统的先进技术和方便可靠的使用功能已获得用户十分满意的评价。本文将通过一个实例，作详细介绍

系统的硬件设备

首先，该起重机系统采用了贝加莱（B&R）公司的PCC工业智能控制器和安博（ABUS ）公司的轻型起重机标准组件系统HB 作为其硬件设备。这是因为人们满足了以下的基本要求，并具有一般意义上的应用前景。

l 、模块化和标淮化

B&R PCC 智能控制器，采用了模块化硬件，使它成为开放式的和具有灵活扩展性能的自动控制系统。它拥有大量的硬件模块，如数字量／模拟量模块，电源模块，CPU 模块，定位模块，接口模块，内存模块等等。它还拥有众多的专家级模块，如数控模块，温控模块，网络模块等这使得理B&R PCC 智能控制器不仅在工业制造过程的自动控制方面有着广泛的应用，同时也能直接与传统的起重设备相组合，使其同时具备相应的手动、电动和全自动控制的功能。

作为物料输送设备硬件的ABUS HB 系统，是一个轻型起重机标准组件系统，它采用了模块化的标准组件，可以根据工艺流程的需要，由各个标准组件组合成各类轻型起重机，如单轨式、双轨式、三轨式、单梁式、双梁式起重机（压题图为ABUS HB 轻型起重机标准组件系统，上图为双轨起重机，下图为双梁起重机）可满足各种各样厂房内平面或线性物料输送的需要。由该系统构造的各类组合起重机的结构也是开放式的，可以根据工艺和物流要求增减和改变起重机的设置。这使得该系统比通常的由H 型轨／工字轨构成的轻型起重机具有更好的灵活性。它在输送控制方面，可以根据实际需要，分别或者同时采用手电门控制和全自动控制。

2 、开放性和兼容性

工业设备的开放性和兼容性要求加工设备和物料输送设备以及控制系统都必须能够适时扩展，增补、修改其已有的功能，兼容和学习新的功能（不论是空间上的还是时间上的）以便满足其产品不断更新换代进而适应市场变化的要求。比如B&R PCC 作为智能控制器，软件上就具备分时多任务操作系统。其开发、编程语言众多，如**语言（C ）、梯形图、指令表等，并有许多功能函数模块可供调用。它可以采用多种方式（例如CAN , PROFIBUS , ETHERNET 方式为网络协议建立现场层、控制层和管理层）实现真正的自动化网络。它除了能实现PCC 系列产品间的自由扩展和互联外，还能方便地实现与其它品牌控制器的互联。

由于ABUS HB 标准组合起重机采用的是一种柔性悬挂系统，其组合起重机的轨道和横梁都为标准的Ω型钢，起重机的悬挂部件和行走机构都为组合模块，整个起重机系统可以根据物流需要，重新组合、更换、增减和改变。因此，它具有很好的开放性，以及兼容其他同类组合系统的特性。

应用实例

1 ．物料输送过程描述

某轻型起重机的作用是，以一定的顺序，在规定的时间里，连续的将工件送入特定位置上的若干处理池内，进行加工处理（图1 ）。工件的移动是三维空间上的位置移动。根据加工工艺的要求，马达1 , 3 和4 同时具备手电门手动控制／全自动控制功能，马达2 只需具备手电门手动控制功能。

图1 物料输送流程图

2 ．控制模式

(1) 手动控制模式

手动控制模式是通过常规的手电门地面操作来完成的。手电门直接连接在起重机机身上，其按键可控制起重机的前后，左右运行以及起吊工件上下的运行。起重机每个马达都具有快慢双速调节速度功能。手电门上还有急停按键。

(2) 自动控制模式

自动控制模式由PCC 控制系统来实现，其系统的用户接口包括：

·按键开关（自动和手动的转换开关）
·急停按键
·LCD 显示器
·8 个带灯按键

用户可以通过带灯按键和LCD 显示器输入若干套控制参数（本例共为10 个站），其中需首先给定：

处理池号i，即容器的编号（i﹦1 , 2 ，… … ，10 表示结束）
时间Ti ，即起重机运行的时间（j﹦1，2 ，… …，表示起重机不同动作的时间）

3 ．用户接口设置

用户接口的设置，是PCC 控制系统根据工艺流程的要求应首先考虑的，如本实例中，设T1﹦工件吊下的时间；T2﹦工件在池中的停留时问；T3﹦工件到下一池站的时间，则根据加工工艺要求，将用户接口设置综述如下表。

用户接口设置表

系统可按表1 完成如下几个工艺流程（图2）

图2 工艺流程实例

（1）在起始位置吊起工作。先按下用户接口上的按钮或手动控制盒的一个确定的按钮，即启动键，确定起重机开始执行该工艺控制程序。

（2）当工件到达确定位置时，起重机将工件送入池中（见表1 中站1 : T1 )

（3）起重机在指定的处理池位置等待工件的处理（见表1 中站1 : T2 ）

（4）起重机将处理过的工件送入下一个指定的池中进行下步处理（见表1 中站1 : T3 )

（5）起重机和工件位于结束位置，表示程序已执行完毕，用户可以通过用户接口或控制盒上的按钮重新开始新一轮的加工过程。

4 ．控制界面菜单的构成（略）

5 . 控制方案图解

自动控制方案的设计优化，需要理论与实践两方面的经验积累。在本实例中的自动控制方案可以通过图3 完整地表述出来。

图3 本实例中的自动控制方案图解

6. PCC 控制系统的组成

本实例中的PCC 控制系统由以下三部分组成:

· HMl （用户接口），它是位于PCC 控制系统与起重机控制系统之间的界面。
· CPU 站，此站置于人机界面旁。
· 输入／输出站，它安装在起重机上，通过现场总线与控制系统CPU 站相连。

7. 马达连接和位置开关

传统的方法是马达直接和手动控制的手电门直接相连，通过手电门上的按键控制马达的快速／慢速和转向。反映到起重机运行上则为前后，左右运行和起吊重物的上下运行，并都具有快慢双速的速度调节功能。其控制电压可220V / 48V 。而PCC 的马达控制连接，为了和PCC 控制器相连和起重机同时具备手电门操作和全自动控制功能，马达的控制配线须更换，并加入输入输出站（图4）

图4 手电们/全自动控制时的马达连接

为了在自动控制模式下得出起重机的确切位置，还需有2个水平限位开关须与起重机相连，其中：

开关1 ：该开关只有在起重机位于起始位置上时才开；
开关2 ：起重机每经过一个处理池，该开关负责传送给PCC控制器一个控制信号。

另外，在自动控制模式下起重机还需要一个起升限位开而关。该开关的作用是，在起重机起吊工件每上升到一个确定的位置，使工件离开处理池时，它都会给PCC 控制器发出一个控制信号

概述

从MIT开发出第一台三轴铣床数控系统到现在的四十多年中，数控系统的设计方法经历了巨大的变化。特别是近十年来，随着计算机技术的迅猛发展，数控系统从整体结构到详细设计，从软件设计到硬件设计，都与早期的数控系统有了很大不同。早期的数控系统出于效率的考虑，许多功能采用硬件电路实现，专用性很强，可维护性、可扩展性比较差。另一方面，通用计算机的运算速度随时间以指数规律不断提高，现在一台微机的运算能力已经达到或超过了早期的小型机，而且，通用型微机应用广泛，有完善和开放的标准，有众多外围硬件设备和丰富的软件资源的支持。借助微机进行数控系统的开发可以达到事半功倍的效果，因此成为目前数控领域的国际趋势。

五轴联动数控系统联动轴数比较多，同时又涉及到两个回转运动，插补算法复杂，而且其各组成部分，如伺服驱动单元、位置反馈单元、误差补偿、电气控制、机床机械结构等在不同的应用场合有不同的特点，在系统整体设计时对此应有充分的考虑。目前，多数数控系统不能满足这种多样性的需要，对不同的应用场合，就得选用不同型号的数控系统，这势必增加开发与维护费用。研究开放式数控系统及其功能部件，就可以根据用户需要，比较容易地对整个数控系统进行重新组合，以提高系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容性。

2 数控系统硬件的开放化设计

2.1 硬件设计的一般原则

传统数控系统的硬件设计分为两个流派：采用专用芯片的大板结构与总线式体系结构。大板结构对用户而言是一个封闭的系统，功能的扩展与系统维护都受到限制。总线式结构有一定的灵活性，但由于这种总线由生产厂自己确定，缺乏共同的行业标准，不同厂商的产品之间不具备互换性，所以，这种设计方法已不适应现代制造业的需要。另一方面，随着计算机技术的发展，微机的速度与十几年前相比是天壤之别。在这种形势下的软硬件设计中，人们关注的重点出现了由效率向互换性、可维护性转移。受其影响，在数控系统的设计进程中，由大板结构或专用总线向标准总线、可重组的单元模块发展成为国际趋势。

硬件设计的开放化主要体现在总线标准上。开放化的数控系统是由多种模块构成的，模块通过标准的总线连成一个整体。总线的选择应当满足三个要求：①在技术上有一定的先进性，能够满足数控系统各种功能模块对信息交互的需要。②总线标准完全开放，且在国际上得到广泛认可与应用，而不是由某个厂商自己定义使用的某种特殊总线标准。③具有高度的可靠性。

选择了合适的总线标准后，才能进行各功能模块的设计。在数控系统中，主要的功能模块有：运动轴位置控制模块、电气控制模块、机床操作面板及数控面板接口模块、通讯模块、显示模块等。功能模块应当能够重新配置，以免不同模块I/O端口地址及中断类型发生冲突。

2.2五轴联动数控系统的硬件设计

在五轴联动数控系统开发过程中，我们选择工控机作为设计的基础。工控机本身符合多种工业标准，是一种开放化的计算机系统，与常用的微机有良好的兼容性，有大量的软硬件的支持。目前工控机底板插槽总线类型主要有两种：ISA总线(工业标准总线)和PCI总线(外围设备接口)。ISA总线的数据传输速率比较低，但已能满足数控系统的需要。同时，高总线速率会对各功能模块的硬件提出更高的要求。因此，我们选用ISA总线作为所有模块设计的基础。

由于五轴联动插补算法复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，我们选用Pentium 166 CPU完成插补运算。另外，系统中各个坐标轴还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，且控制轴数比较多，该任务与插补共用一个CPU会导致数控系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中，较好做法是每根轴采用一个独立的CPU进行控制，采用层次式体系结构构成系统。根据位置控制CPU与主机交互信息方法的不同，分为两种结构(见图1)。第一种结构把位置控制板直接插到工控机底板的ISA插槽中，在这种情况下，主机与多个位控板之间直接进行信息传输，由于位控板CPU速度低，数据通讯阶段会浪费主机CPU资源，控制轴数越多，主机CPU的效率就越低。此外，主机还需采取措施来保证多个位控板在时间上的准确同步。因此，我们选择了第二种结构。第二种结构采用单独的通讯机完成主机与位控板之间的信息传递。通讯机一方面通过双口存储器与主机之间进行信息交换，另一方面通过自建的局部总线与位控板进行信息交换。双口存储器容量为2kb，它同时也起数据缓冲器的作用。这种方案大大减少了主机用于信息交换的CPU时间。