6ES7241-1AA22-0XA0介绍说明
在现代工业社会，自动化系统分的成本都来源于控制系统和信号单元。随着机械设备和系统变得越来越复杂，用于连接输入和输出信号的布本也在不断增加。除了布线的成本，项目规划的成本、装配成本、相应文档的成本也在不断提高，而所有这些成本，在项目初始阶段都必须充分考虑。VARIOFACE系统布线，通过快速、无错、统一的 PLC输入/ 输出卡件接线方式，可大大减少生产制造成本。
系统布线包含以下三个组件
－VARIOFACE卡件前适配器，
－VARIOFACE系统电缆，
－VARIOFACE布线模块
原始的接线端子或继电器的方法 ，操作方便、简单，但需要花费大量的线时间始的这种通过单根导线直接和PLC输入输出卡件相连，成本比较高、刚学着也容易出错。
将信号从控制系统卡件传使 用 VARIOFACE 布 线 系 统， 具 有 以下优点：
－设计更加简单，
－成本大幅降低，
－错误率降低，
－系统维护更加容易。
总电流为 3A 的 8 个通道信号可以通过使 用 系 统 布 线 大 大 减 少 了 装 配 时 间， 1 根 14芯系统电缆传输。如果 I/O 卡需要空余芯线提供，这样以保证总电流为 2A 的32 个通道信号通过 1 根 50芯系统电缆传输
以工业控制老大西门子为例：
Siemens SIMATIC®S7-300卡件前适配器用于 32 通道 I/O卡件或相同结构的卡件的卡件前适配器，有两种接头的卡件前适配器可供选择
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配
为了扩展数控系统逻辑功能的可编程能力，通常在数控系统中配置PLC功能。并采用独立PLC或内置式PLC两种方式。但目前内置式PLC一般使用软件实现。有一套特有的编程与配置方法，这对使用者熟悉新功能提出了额外的要求。现场可编程逻辑器件FPGA具有很强的在线逻辑编程能力。常被应用于实现某些逻辑控制中。比如交通信号灯控制：近来也有用FPGA实现PLC的尝试。即将与需要实现的控制功能对应的梯形图直接做成FPGA硬连线逻辑。但这些应用都没有脱离FPGA本身的现场可编程特性。用户如需修改控制逻辑。就需要掌握VHDL语言及FPGA的EDA设计方法。否则不能提供更加友好、通用的PLC编程界面。
本文介绍了一种新的数控系统中内置式PLC的FPGA实现方法。它能较好地解决上述技术难题，也便于实际应用。
1 基于ARM和FPGA的数控系统
机床数控系统由控制系统、伺服驱动系统和伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，被发送到伺服驱动系统。由伺服驱动系统形成伺服电机的运转控制令。从而使伺服电机完成相应的动作。
图1是基于ARM+FPGA的数控系统的FPGA部分结构框图，下载接口、配置器件及FPGA3个部分组成了FPGA自身的开发调试环境。可以方便地与PC组成开发调试平台。机床控制单元MCU使用32位的ARM嵌入式处理器。运行uC／0S实时操作系统，实现控制系统的大量分析和计算工作。比如G代码解析，根据加工要求形成坐标轴的运动指令以及数控系统的人机界面等。FPGA除了完成对运动指令进行细插补之外。还实现了数控系统键盘电路的扫描模块、编码计数器模块和驱动器控制模块的功能。本文要介绍的数控系统内置式PLC也是在FPGA内部实现的。
图1 数控系统中的FPGA结构框图
2 用FPGA实现PLC的软硬件架构
为了有更好的人机界面。更符合工程习惯。采用与主流商业PLC兼容的编程语言进行编程。内置式PLC可以接受终用户输入的PLC指令表(一个特定的子集)。并终实现相应的逻辑控制功能。FPGA内部是硬件逻辑。显然无法识别PLC指令，为了实现这种构想。必须设计一套指令集。该指令集定义了FPGA可以执行的小操作的集合。根据指令集来设计编译器和FPGA内部的PLC逻辑。其软硬件架构如图2所示。PLC指令被编译后，生成FPGA可执行的指令代码。将指令代码下载到FPGA内部，由执行逻辑对代码进行逐条执行。终实现PLC的逻辑控制功能。