西门子模块6ES7518-4FP00-0AB0性能参数
1 引言
目前，国内许多厂家生产的电动多轴螺母拧紧机，其拧紧精度往往达不到生产要求，或性能不稳定。其主要原因是，多数采用工业控制计算机加各种板卡组成控制核心，或采用可编程序控制器(PLC)控制，但由于这两种方法微机或PLC响应速度慢，势必影响拧紧精度。该系统采用分布式结构，自行开发以89C51为核心的上位协调单元及单轴控制单元，在拧紧过程中每个单元独立工作，以保证快速响应。上位单元根据工艺要求协调轴间拧紧步骤，同时采用串行通信与管理计算机交换信息，既保证了拧紧精度，又具有计算机监控及数据管理功能。
2 系统构成及工作原理
电动多轴螺母拧紧机控制系统的构成如图1所示(以十轴系统为例)。
图1 拧紧机控制系统构成图
管理计算机设置拧紧的工艺参数(如拧紧的转角起始扭矩、转角值、扭矩值及要求的误差范围等)及系统内部参数(如系统每个拧紧过程使用的速度、各种保护参数、数据传输的间隔等)；班组的作业管理，接收协调单元传送的各轴拧紧过程及拧紧结果并存入数据库中，具有拧紧结果的查找及打印功能；接收协调单元传送的指定轴拧紧过程曲线并实时显示，有价值的曲线可根据要求存入硬盘，可随时调出显示或打印，曲线反映的扭矩上升下降过程及屈服点的情况，可用于分析被拧紧件的材料和加工情况；管理计算机还配备了质量分析软件，根据存储的拧紧结果计算出某年、月、日或班的拧紧质量分布图直方图，根据存储的拧紧结果及工艺要求和设定的采样分组值，采用正态分布算法计算出拧紧质量趋势图及UCL、LCL、Cp、Cpk等分析值，曲线可显示及打印，用于指导生产，避免残次品的出现。
协调单元带有非易失RAM存储系统的工艺参数和内部参数，其本身带有LED灯及数码管和小键盘，用于显示和修改这些参数。系统上电或参数变化时，将参数通过总线写入每个控制单元中；协调单元具有数字输入，用于接收自动拧紧信号和多轴拧紧信号输入，在条件满足的情况下，通过总线向控制单元发出拧紧指令；协调单元循环扫描各控制单元的状态，当各单元状态发生变化时，通过串行口向管理计算机传送此轴的状态，自动拧紧过程结束时，显示本次拧紧是否成功及本班作业统计数；自动拧紧过程中监视各轴的状态，全部达到转角扭矩时发出同步转角拧紧指令；根据参数设定，在自动拧紧过程中定时读取指定轴的拧紧动态扭矩和角度值，通过串行口传送给管理计算机。
控制单元内设一片8155，用于存储参数和动态值，协调单元可通过总线进行读写8155的RAM；当拧紧状态发生变化时，协调单元将当前的状态、扭矩及角度写入RAM中，使协调单元及时读到；控制单元带有LED灯及数码管，两排数码分别显示当前扭矩和角度，拧紧结束时显示本次拧紧结果，LED灯用于显示电源、正转、反转及拧紧结果的扭矩高、成功、扭矩低；控制单元的数字输入用于接收单轴的正反转拧紧信号，模拟量输入用于接收单轴的检测单元处理的扭矩输入，光耦输入可接收伺服单元分频处理的角度脉冲信号用于计算转角，数字输出及模拟量输出用于输出信号给伺服单元来控制伺服电机，以完成拧紧过程。
3 系统主要技术特点
3.1 自定义总线的实现
本系统分布式结构的核心是系统总线。由于协调单元与控制单元之间的通信特点是控制单元独立完成拧紧分步过程，协调单元控制拧紧步骤并将控制单元的数据传送到管理计算机。考虑到这一特点及单片机89C51资源情况，设计了以共享8155的256字节RAM为中心的总线结构。图2为协调单元电路原理图的总线接口部分。当协调单元需要读写某一控制单元时，首先根据GAL16V8的74LS273寻址将轴号(0-31)和总线使能信号ZBE写入74LS273锁存，然后检查控制单元的返回信号ANS是否为有效(低电平)，有效后即可根据GAL16V8的总线RAM的寻址读写此控制单元8155的内容。读写操作与一般的RAM相同，图中U3和U5的74LS245芯片用于总线驱动。
图2 协调单元总线接口图
图3为控制单元电路原理图的总线接口部分。由于8155的RAM是共享资源，因此，必须保证协调单元和控制单元不同时读写。由于协调单元对8155的RAM的读写内容较少，采用申请时间在前优先的原则，抢占不成功则等待对方操作结束。控制单元设有拨码开关DIP1，用于设置控制单元轴号。当总线的使能BE有效且Z0-Z4的轴号与拨码开关设置一致时，74HC521输出ZHCS有效，89C51根据ZHCS信号检测到协调单元占用8155，同时GAL16V8组合出信号封锁U2，使U5和U6总线操作有效。控制单元对8155读写时，首先检测ZHCS是否有效，有效则等待其结束，如无效则立即发出RMZY封锁ANS的输出。为了避免同时检测冲突，控制单元应等待4个周期，看ZHCS是否出现，如出现应取消RMZY信号。等待协调单元读写结束再继续续写。协调单元读写8155时，确认ANS有效后也应等待4个周期，以保证读写的可靠。
图3 控制单元总线接口图
3.2 通信队列的实现
在多轴拧紧过程中，由于协调单元需要向管理计算机传送每个轴的拧紧状态，同时还要传送曲线数据，因此必须开辟一个通信缓冲区。本系统构造了一个通信队列形式，使得通信操作高效可靠地进行。首先定义通信格式，本系统通信为三字节方式，字节为标识码(D0-FF)，第二字节、第三字节为数据，如E0-EA为一号轴至十号轴的曲线数据，字节为扭矩值，第二字节为角度值。在RAM中，开辟256字节作为通信缓冲区，同时定义存放指针和传送指针。当两个指针相等时，说明没有数据需要传送；当有数据需传送时，CPU将数据按当前存放指针顺序放入队列缓冲区并修改存放指针；当串行口发送寄存器空时，CPU检查传送指针与存放指针，如不相等则从传送指针位置取出一个字节发送，同时修改传送指针。这里256字节循环使用，使用一个8位寄存器作为指针，使用资源少且运行效率高。
全球经济一体化使得制造业面临着日趋激烈的竞争环境，传统的商业规则、交易方式和经营管理模式已发生巨大改变。企业欲快速响应市场，更具竞争力，其生产过程自动化和管理信息化是2个核心环节，而数字化和网络化是相关的关键技术。将车间的制造系统与供应链进行集成，在基于WEB贸易的供应链中驱入较大的自动化，使用电子商务手段来向用户提供快捷高效的服务，使一种全新的制造和管理模式e-制造应运而生。
e-制造是以工厂为中心，面对电子商务的自动化和信息技术，它通过电气方式和网络技术将工厂底层设备与Internet、车间与供应链相联接，改造现有的过程控制和自动化系统以适应电子商务的要求，支持透明的信息流动，使供应链上的所有成员可以实现协同计划和佳制造。图1为集成了车间和
图1 将车间与供应链集成的e-制造供应链的e-制造框架。施耐德电气公司将e-制造比喻为“透明工厂”，即通过以太网控制器在网络中将各个车间部门的数据用网络联接起来。对主控计算机而言，全厂的设备控制I/O全透明，以便于容易地构成不同的生产模式和工艺过程，使系统的各I/O数据信息调用和控制联动更加方便。
Rockwell Automation公司则推出了全方位的e-制造方案和相应的操作系统，可以让制造商通过现有的电子商务技术，将生产部门与企业的整体商业系统及供应链结合，全面提高企业的效率及竞争力。
计算机集成制造系统、企业资源规划和数字工厂等理念，可以称之为早期e-制造的产品，随着网络通讯技术、信息处理技术与电气控制的完美结合，e-制造的概念超越了早期仅注重于在企业产品开发、生产过程中，对某个关键产品或生产制造对象进行完整的系统集成，而不关心整个企业和供应链之间关系的思想方法。它已成为建立在操作系统、以太网和internet上的制造系统基础设施，可以实现企业的管理和控制一体化。
e-制造的特点
传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输4-20mAe-4VDC信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，使控制器可从现场设备获取信息，实现设备状态、参数信息传送，完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。
传统的PLC、现场总线等控制方式存在着如下问题:
从传感器到主控机，数据往往须经过不同CPU和驱动程序，其结果是传输速度低，缺乏透明度，软件和维护费用高;
任意控制器之间的系统联动数据通讯，无论是单一的主从式还是令牌总线式结构系统，均不可能实现实时高速的数据传输，也就无法实现编程开发和维护;
数据通讯垂直和水平方向的组合非常困难;
对于若干个控制器的集成，无法组成一个更广泛的逻辑实体系统；
对于安装了综合布线或宽带接入式企业intranet的工厂车间，以太网控制器不仅可以简便地接入与主控室内的计算机进行控制信息交换，并能在企业intranet上进行类似PLC的“硬实时”控制，而传统PLC或现场总线技术则无能为力。
因此，传统PLC或现场总线技术不能满足e-制造理念产品控制的需要。e-制造则是将车间层与业务决策层集成，用企业使能控制和实时信息平台(如e-controllers或基于PC的自动化和控制解决方案)来取代传统的PLCs和定制的控制器等设备。通过车间的传感器、限位开关和其他控制元件，将信息送到诊断系统和基于控制的监测系统，再将其送到管理、维护、建模、调度反馈等操作系统，使包括供应商、OEMs、供应链的合作伙伴等都能访问它们需要的任何系统并能在需要时将指令送至系统。
e-制造提供了一个结构化方法和工具来开发制造过程，它将生产过程描述为一个电子过程清单，通过使用Internet将所有设备连接来使得制造过程更加有效，具有网络兼容能力、I/O透明，联动操作兼容、生产效率高、灵活性强、可靠性高、维护成本和造价较低、柔性大等特点。
图2 e-制造的体系在图2所示的e-制造体系中，电子商务供应链可实现供应商、制造商及用户之间的无缝连接，利用Internet技术将客户关系管理(CRM)、供应链管理(SCM)、商业智能、电子商务、车间自动化等功能全面集成，实现资源和信息共享，制造商通过企业资源规划(ERP)系统下达物料采购和生产制造指令，经过电子方式完成物料采购、支付。可加速定单的发送和获取、原材料的获得和产品制造及配送，实现零库存，进而实现工厂在佳资本运营成本基础上的无间断生产。
e-制造的核心是利用自动化控制技术、信息技术和电子商务手段将生产活动和企业全面管理以及和供应商、客户、合作伙伴进行联网集成，形成透明的信息交流，使产品开发、生产、发货、客户服务和供货管理在网络上实时进行。利用电子商务方式进行网上销售/采购可节省大量交易成本，据估计：到2003年，企业的所有商务关系，无论长期的还是短期的，70%都将是非传统的，而网络的B2B贸易将会从1999年的14.5亿美元增加到2004年的72.9亿美元。
生产者/客户模式
高效自动化系统要求利用网络将所有设备进行连接，而面对众多设备9网络和协议，大的困难是对整个系统的协调和维护。网络上所承载的信息类型有3类：
控制信息 完成高速、**的信息交换；
组态信息 在启动和运行过程中，支持系统的组态；
数据采集 按周期或HMI分析的要求进行数据采集。
然而，现有的网络不能同时满足这3个方面的要求，虽然在设备之间提供了可重复的和可预测的通信，但其数据传输率和协议效率不能满足其通信问答要求，存在诸如需要多个数据包传送相同的信息到多台设备；数据到达不同的目的地的时间不同；产生附加的网络通信量，影响网络的性能；报文发送核对时间有苛求的I/O数据，需要使用不同的网络等问题。
对于网络管理和连接设备通信的控制网和设备网网络是基于开放式网络技术的一种新的解决方案——生产者/客户模式。在控制网链路上，信息是通过建立节点间的连接来传送的，由生产者发送的每个报文包含1个连接标识符(CID)，已经组态的节点识别CID接受报文，因而变成为1个客户。
基于生产者/客户网络模式具有以下特点：
网络上多个节点能够从单个生产者(数据源)存取相同的数据，报文是通过目录识别的；
节点能够同步化，更多的设备能够加入到网络上，但不需要增加网络的通信量，并且所有节点的数据同时到达；
优化低带宽潜力能用于增强系统的功能；
使用同一网络进行编程和I/O信息传送。
在制造业全局化信息连接的A54NO+66自动化网络中，以太网、控制网和设备网具有的网络性能允许信息在设备和计算机平台以及操作系统范围内进行交换。图3为Rockwell自动化网络的3层结构：
图3 Rockwell自动化网络的3层结构信息层采用执行TCP/IP协议的以太网，用于全厂的数据采集和程序维修；
控制层采用具有高速确定性的控制网络来传送对时间有苛刻要求的I/O状态和控制互锁等控制信息以及程序的装载和下载等无时间苛求的信息。对同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作均具有相同的带宽。对于离散和连续过程控制应用场合具有确定性和可重复性；
设备层采用设备网络来直接联接底层的设备和车间级控制器,用于低成本、高效率的信息集成。设备网可以有效地利用网络的频带宽度,使控制数据同时到达操作的每一单元,并大大减少网络通信量。因为它允许状态切换的报文发送，已做出更快的响应。同时，周期性的报文发送，以提供更好的确定性，对等通信允许数据和状态信息在设备之间进行交换。
e-制造的实施关键技术
e-制造的关键是根据定单生产和保持不间断运行。其主要内容之一是制造系统内各个部分之间的联接和可靠运行，使整个系统将每个开关、继电器、接触器、泵、阀、电机等的控制信息都能建立成为如同1份企业字典库，其I/O可以随时被高速有效地调用以满足生产、市场和供应链上的波动需求。在实施e-制造战略时，结合我国制造业的具体情况，作者认为应从以下几个方面着手：
结语
基于标准的网络连接 在生产车间建立高度集成的自动化控制和信息网络平台，及时准确地采集和传递各种数据，确保对生产过程的**控制。同时需要注意信息的可视化和网络的开放性。
同步的生产与商业过程 对生产控制系统、生产执行系统和企业资源规划系统进行联网，使车间系统与商业系统紧密联系，让企业决策者能够及时获得第1手生产数据，从而高效实施和调整生产活动，实现企业管理和控制的一体化。
集成的设计和生产过程 建立有效的生产设备、人员和过程的管理系统和维护机制，充分发掘提高效率和降低成本的潜力。
协同的供应链管理 利用电子商务手段进行供应商管理，直接将客户定单传送到生产系统。通过网络全面监控下游客户每日的进、销、存情况，及时进行补货，让上游的供应商及时知道企业原料的库存情况，保持存货量在低水平。实现跨越时空的供应链管理、面向经销体系的产成品库存在线控制与管理以及面向供应商的动态采购管理。
每天24h、每周7d、每年365d的电子化客户服务模式，保持与客户的联系，提升客户的满意度与忠诚度，并通过客户关系管理来预测需求，提供新的业务增值。
面对经济全球化和信息化的发展趋势，都面临着利用信息技术改造传统产业，以提高制造业在国际市场的竞争力。目前世界上主要的电子商务公司正在迅速地开发e-制造解决方案来实现电子商务，使得制造能力和库存对供应链透明。采用现有的设备与其他系统共享信息，迅速响应用户需求，配置敏捷的、可重构的制造系统，使产品生产更加趋向于客户化、变种变批量和及时交货。
e-制造是未来制造的决定性元素，它将制造融入到电子商务的流程中，客户可通过互联网络了解产品性能、价格，并给生产厂商下达定单。而生产厂商则通过ERP系统下达物料采购和生产制造指令，通过电子方式完成物料采购、支付。经过生产制造，后将商品按时交付给用户，在网上完成交易结算。供需链的紧密集成可实现物料不间断的流动和零库存，是未来制造业发展的必然趋势。