6ES7317-6FF04-0AB0型号规格
1 引言
在数控机床中，手动操作面板总是必不可少的，其特点是1.有些输入量是互斥的，不允许误操作，由机械的互锁关系来保证要求；2.键的通/断用电平触发不同状态，而不是用沿触发不同状态；3.允许多个状态同时输入并可靠地做出相应的反应；4.能对设备当前状态进行必要的提示，如使用信号灯、发光二级管或液晶显示屏。现有的设计大多将手动操作面板的输入/输出作为开关量I/O的一部分，统一由一台内置的或外置的可编程控制器(PLC)进行控制。数控机床生产厂家根据自己机床的工艺特点，购买数控系统，经过二次开发，形成工艺性能和操作互不相同的数控机床产品。二次开发的工作量绝大部分在于开关量I/O的设计，而其中又有60%以上的工作是根据工艺性能与操作设计手动操作面板［1］。事实上，手动操作面板的输入/输出仅仅是控制信号开关量I/O，对其驱动能力的要求很低，是一类特殊的数控机床开关量I/O。如果将手动操作面板的输入/输出与数控机床其它开关量I/O不加以区别，会大大增加数控系统二次开发的工作量，数控机床手动操作面板无法标准化和模块化，其经济性也会受到很大影响。
本文提出了一种基于89C51/52单片机的数控机床面板智能处理单元，该处理单元通过标准串口与数控系统交换信息，可以显示数控机床的基本状态和对其进行手动操作。该工作是国家863计划“PC外设型完备数字机床及其关键技术研究”的一部分研究内容，已经用于三坐标数控铣床。
2 工作原理
89C51/52单片机具有片内ROM、16位计数和标准串口［2］。在89C51/52单片机构成数控机床面板智能处理单元中，一般不需要外部扩展ROM和RAM，单片机I/O口的一位对应一个输入/输出量，若单片机I/O口不够，可以进行扩展。单片机以定时中断检测输入，一旦发现输入电平变化，就将其对应的新状态由串口发送给数控系统。另一方面，数控系统通过串口将需要显示的信息发送给单片机。由于采用了串行通信，数控系统与面板智能处理单元的接口是标准的，操作面板的信息处理基本上不占用数控系统CPU的时间，而且面板智能处理单元本身成为一个标准化模块。图1为数控铣床面板智能处理单元的原理图。图中，数控铣床手动操作面板的输入/输出信息大致有以下几类：
图1 数控铣床面板智能处理单元原理图
1)工作方式选择：手动/自动/回原点
2)单步进给量选择
3)连续进给速度选择
4)进给速度倍率选择
5)进给坐标选择
6)主轴电机、泵、电磁离合制动器等的通/断控制
7)急停
8)暂停及显示
9)进给坐标超行程显示
10)故障显示
其中，工作方式、单步进给量和连续进给速度等的选择与进给速度倍率选择分别用转换开关1和转换开关2在不同状态间切换。同一个转换开关控制的状态具有机械互锁，可以避免由于误操作同时接通两个或两个以上具有互锁关系的状态。图1中其余的输入/输出量均由单片机的I/O口直接控制，可保证多个状态同时可靠地输入/输出。
3 系统软件
89C51/52单片机数控机床面板智能处理单元上电复位初始化后，进入中断工作状态，允许定时中断和串行中断。在定时中断中，将检测输入状态有无变化，并将变化了的输入状态由串口发送到数控系统；数控系统需要由手动操作面板显示的信息从串口发送给单片机，并由单片机串行中断服务程序作出相应的处理，其程序框图如图2所示，其中图2(a)为主程序框图，图2(b)为定时中断服务程序框图，图2(c)为串行中断服务程序框图。
图2 程序框图
单片机上电复位及初始化可以在极短的时间内完成，而数控系统的初始化则需要较长的时间。在数控系统的初始化没有完成时，串行通信无法工作，因此单片机的主程序在完成初始化后，要等待数控系统从串口发送“READY”信号，并在接收到“READY”信号后开始对操作面板的输入/输出进行控制。
在定时中断服务程序中，逐一检查每个键的状态，若发现某一个键的状态发生变化，便将新的状态从串口发送到数控系统，同时退出中断服务程序，否则，在检查完所有键后退出中断服务程序。为了检测键状态的变化，必须将键原先的状态存放在内存中，用00H表示键处于接通状态，FFH表示键处于断开状态。当读到某个键处于接通状态时，先判断其内存中的值是80H还是＜80H，若内存中值80H，说明键原来处于断开状态，将其减1后若FCH，则存入内存，若＜FCH，则表明连续3次读入键接通，即键的状态由断开变为接通，将内存清为00H(接通状态)；若内存中的值＜80H，说明键原来处于接通状态，键的状态没有改变，将内存清为00H(由于有各种扰动，内存中可能是一个＜03H的数)。当读到某个键处于断开状态时，仍先判断其内存中的值是80H还是＜80H，若内存中的值80H，说明键原来处于断开状态，键的状态没有改变，将内存置为FFH(由于有各种扰动，内存中可能是一个FCH的数)；若内存中的值＜80H，说明键原来处于接通状态，将其加1后若＜04H，则存入内存，若04H，则表明连续3次读入键断开，即键的状态由接通变为断开，将内存置为FFH(接通状态)。这样可以有效避免由于键抖动和其它干扰造成的误判断。这些过程可以准确地用图3所示的状态转移来加以描述。
图3 状态转移图
随着单片机性能价格比的大幅度提高，把计算机和微处理器技术应用于工业控制特别是增加低压电器智能化功能，具有较大的市场经济潜力。我们在交流接触器智能控制方案和具体实施中做了大量的研究和可行性分析，开发了一种具有智能化功能的装置。把该装置和交流接触器相组合，就可以增加交流接触器的智能化功能。它具有设置简单、使用可靠、节能控制、在线更改设置和显示等功能。单片机在接到闭合或分断指令时，可以根据佳分断、闭合相角轮流控制三个触点进行过零分断与闭合，减小了火花能量。利用它与中央控制计算机的双向通讯，可以形成局域控制网络和简单DCS系统。它在工业、油田、煤矿、农村（灌溉系统）和城市等领域和地区有广泛的应用前景。
1 接触器智能化内容和工作原理
我国目前使用的接触器、断路器和保护器（例如热继电器）均为机械非智能型的。一般为交流吸合、交流吸持和随机分断，且线包电压有220V和380V之分。实验告诉我们，不论是220V还是380V的线包，只要加上不低于160V的直流电压，接触器均能可靠吸合，并且不会产生一、二次弹跳。此时，只要维持吸持电压不低于直流15V，就可以稳定地保持吸合状态。分断过程一旦发生，必然伴随有电弧产生。确定分断过程何时发生的唯一原则就是在时间允许的前提下使电弧总能量小。对于单相电磁电路，触点合断的佳时刻应该是主电路电流过零之时，而对于三相电磁电路来说，如果分断过程发生在某一相电流过零时刻，此时三相电弧的总能量应该为小。轮流控制三个触点的过零分断，可以使它们有相同的使用寿命。
视控制对象和要求，本方案采用继电器或可控硅作为控制接触器线包通断的元件。在单片机的控制下，系统按设置要求运行并显示。整个电路构成简单，运行平稳。当启动过程结束，高压自行撤除，续流电路维持吸合状态。总体控制原理如图1所示。
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根据框图可以看出，接通电源以后，整流回路、稳压电源回路及单片机系统得电。相电流设置完成后，单片机就开始采样并与设定值进行比较，启动回路和续流回路系统处于待机状态。单片机在对电源电压和相位的不断采样、比较、记录的同时，等待启动信号。如果得到信号，就会在不大于20ms的时间内适时通过启动回路给线包加上一个相应的高电压，动触点在强激磁产生的吸力作用下，克服弹簧推力和惯性，迅速向静触点运动。单片机可以通过传感器判断触点的吸合情况并控制续流回路，及时提供合适的吸持电压。一旦发现电源电压小于释放电压，单片机立刻选择合适的相位，停止向线包供电，触点在弹簧的作用下复位。显然在启动过程中，相电流会激增甚至超过设定值，电流激增的程度和激增持续的时间与电动机所带负荷有关。这可以根据部颁标准和行业要求，增加相关程序，就可以很好地区分不同的负荷情况甚至短路而自动选择相应的启动保护时间，使电动机可以带载启动。
2 单片机的选用和基本硬件的设计
为了安装与使用的方便，输入电压可以设计成自适应型的。传感器是在磁环或矽钢片上绕一个绕组并通过整流装置送入单片机。单片机通过传感器取样比较后，终输出的是一个电平信号或某一频率的脉宽信号，用于驱动执行机构。而强电强磁的干扰往往使之产生误动作。为此，需要采取多项措施抗干扰，除了屏蔽、光电隔离等传统措施以外，还可以通过带通滤波和采样算法来抑制干扰。单片机分别选用美国Motorola公司的M68HC系列和Microchip公司的PIC系列单片机。Motorola公司的单片机在汽车上的应用非常普遍，有很强的抗干扰性能，而Microchip公司的PIC系列单片机由于内部有A/D，其外围电路就相对简单了。由于这些单片机的内部资源比较丰富，采用分时动态扫描模式进行显示，其外部元件非常少，不但降低了成本，而且使可靠性大大提高。
3 单片机主程序框图
交流接触器智能化程度的高低，主要取决于控制方案的选取和软件的编制。程序的总体框图如图2所示。
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程序在执行时，首先要对电网电压取样，若电网电压的不平衡度大于30%，程序拒绝继续执行，并用发光二极管对此项进行显示。此项检测通过以后，单片机根据相位同步信号和上次吸合、分断过零触点的记录，选择下一个触点作为目标触点，同时根据采样电压的数值，选择合适的吸合相角，进入控制待机状态。吸合命令一到，单片机立刻执行吸合子程序。吸合结束，单片机便使主控器件截止，系统自动进入吸持阶段，线包以低电压、小电流维持励磁吸合状态。
4 实验研究
可行性实验是在开发装置上进行的。考虑到系统的抗干扰能力和操作方便，选择擦写方便的89C52单片机，和苏州机床电器厂生产的JZ7型号中间继电器（380V，5A）组合，进行了大量的实验，基本情况如下。
（1）吸合及分断过程
接触器绕组的工作电压为380V，在交流220V的条件下无法完成吸合。和智能装置进行组合，同样在220V的情况下，吸合一次完成。用示波器观察，吸合指令和执行机构的时间误差大不超过40ms，76%以上在20ms以内。在不产生一、二次弹跳的前提下，吸合电流为0.12A，而吸持电流仅为6mA，效果相当理想。当外电压降到160V，触点自动断开，单片机处于采样、待机状态。
大量的实验告诉我们，对于同一类型的接触器和断路器，它们弹簧弹力和动点质量基本相同，因而具有相同的惯性。电网电压的波动使磁力克服惯性移动相同距离的时间是不同的，因而导通相角和导通时间也应该不同。把不同型号的接触器和断路器在不同电压下的佳吸合相角和吸合时间制成表格，单片机以查表的方式进行控制，可以使接触器工作在佳状态下。
分断过程有相似的结论。这里单片机要做两项工作：更换取样触点和确定分断时刻。后一项工作也是在大量实验的基础上查表完成的。目前正在利用新的传感技术和过程取样技术，完善过零分断的闭环控制，通过自学习功能自动更新表格中的相关数据，提高模块的智能化程度。
（2）吸持过程
启动过程结束以后，线包就在低电压、小电流状态下工作。单片机在维持这种状态的同时，对吸合电压及电网不平衡度进行监视，一旦有短路、断相、电网电压不平衡度超过30%或者电网电压低于160V及启动运行电流超过设定值，控制回路立刻按过零要求进入分断子程序进行失电分断，从而保护设备的安全。
（3）通信联网
通过单片机的串行口与微机RS232相联，从微机键盘或鼠标修改单片机的控制参数，同时将单片机的各路电流采集值读回微机显示。这样联网后可对各被控对象的运行状态实时监控，易于操作。
5 结论
选择不同的单片机，可以组成具有较强抗干扰能力和运行可靠性的产品，其抗干扰能力虽然不如PLC，但其较高的性能价格比，运行效果仍然令人满意。和新的传感技术相结合，可以增加包括监测触点温度在内的具有学习功能的智能化产品，和我国大量的接触器、断路器相组合，将是我国低压电器摆脱落后局面、走出低谷的有利契机，必将为提高我国低压电器的档次作出贡献