6ES7223-1HF22-0XA8使用说明

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本文主要介绍了中达电通H4数控系统和台达PLC，在客户上海某五金刀具有限公司的使用情况，并用两种产品的巧妙组合，实现了五轴专用磨刀机的特殊需求。

某刀具研磨机主要是用来加工铣刀和钻头的高精度工具磨床，是由五个轴组成的。其中X，Y为机台的横向和纵向运动轴，Z为棒料分度轴是个旋转轴，这三个轴控制刀具的加工。X1为料盘移动轴控制料盘的左右移动，Y1为机械臂上升轴控制机械臂升降。

一、工艺要求和精度要求
分度要求，当加工时分度轴旋转分度主要有两个工艺要求，一是在加工过程中不允许改变分度方向，只能单向旋转用以消除机械设备的反线误差；二是分度加工时对沟槽加工的顺序有特殊要求，刃数为偶数或奇数还有不同。

偶数以一个8个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，5，2，6，3，7，4，8，其表达式是:

即刃加工完成后，刃的起刀点与下一刃起刀点角度差为A，下一刃加工完成后这一刃的起刀点与后一刃的起刀点角度差为B，以此类推直到加工到后一刃完成。

奇数以一个9个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，5，9，4，8，3，7，2，6，其表达式是:

即每刃起刀点之间的角度差为C。
机械臂运动要求，以左下方的料口为零点，每次放入加工完毕的铣刀的取走上方的棒料，依次上升直到放入上端的料口后换列，取走另一列下端的棒料，如此运动直到将全部500个棒料都加工完毕，停止等待换料盘。
精度要求：径向0.005mm，轴向0.03mm，机械臂0.01mm，料盘0.01mm。

二、实施方案
采用HUST的H4 M控制系统连接3台台达ASD-A0421LA伺服作为加工及分度的控制系统，采用台达5.7寸单色触摸屏+台达ES24点+24点PLC连接2台台达ASD-A0421LA伺服作为机械臂和料盘的控制系统。

三、实施步骤
利用H4系统MACRO指令对用户自设定的参数进行计算来得到X，Y，Z三轴运动的必要数据，再通过G00，G01等定位及插补指令来实现加工铣刀钻头的功能。将左旋和右旋分成两个MACRO程序，两者之间的区别只是在与分度方向不同。
两个程序的流程图如图4所示：

对于Y1是利用PLC发脉冲对伺服进行控制和台达ASD-A0421LA伺服的Pr控制模式的回零功能来实现机械臂的上下移动定位的；对于X1也是利用台达ASD-A0421LA伺服的Pr控制模式，PLC的I/O点来控制料盘的左右移动定位。
其它有关磨头夹紧，料盘翻转，机械臂前翻，机械臂后翻，是通过PLC来控制的，而与加工相关的切削液开关，沙轮旋转，是由H4系统的内置PLC通过I/O点来控制的。

1  引言
   在科学技术飞速发展的历史进程中，纺织机械电气控制系统的自动化程度发生了巨大的进步。控制系统从早的十几个继电器控制，发展到用单板机、可编程序控制器（plc）、可编程序计算机控制器（pcc）等。这些控制方式各有特点，例如，纯继电器线路可以用在控制简单的纺织设备中，其价格低廉、维护方便，但不易于改变功能；单片机具有一定的编程灵活性、价格又低于一般的plc，但控制点位和编程能力受到一定限制；plc以其方便易掌握的编程指令及可扩展的输入/输出模块、成熟的抗干扰技术而深受工程技术人员欢迎，现在一般的纺机设备，plc是常见的控制器。可编程计算机控制器pcc（奥地利b&r工业自动化公司推出）具有高可靠性、丰富的编程语言、强大的功能、良好的耐恶劣环境的能力，但由于价格问题较难在普通纺机设备中普遍应用；工业控制器的性能完善也与高价格相伴，只有在少数的大型纺织设备中采用。本文对plc逐代应用于纺机的“四代”精梳机等产品加以回顾和介绍。

2  棉精梳机简介
   精梳机在纺纱流程中的主要功能是通过对从梳棉机产出的生条棉网的梳理来去除其中的短纤维、杂质、棉结和疵点等，也提高棉纤维的伸直度，使得精梳后的棉条通过后道工艺终能纺制出60支以上的高支纱，由此来满足人们舒适着装或一些特殊的需求），伴随着精梳机不断的升级换代而发展壮大的。由于人们生活水平的不断提高，是在全国棉纺业压锭调整的上世纪80年代，人们对棉精梳设备的需求也丝毫没有削弱过。随着欧洲发达国家的棉精梳机和国内同行的同台竞技，棉精梳设备制造业的市场竞争日益激烈。自动化信息化等新技术驱动精梳机走近现代化纺机时代。

3  可编程序控制器（plc）的发展与流派
   1968年美国gm(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了代可编程序控制器，满足了gm公司装配线的要求。
   随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已经发展到第五代plc产品了。在制造业的发展过程中，除了以连续量为主的反馈控制外，存在着大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作；还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，plc发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的新一代自动化技术平台。
   为了使电气工程师使用传统的继电器控制系统的梯形图设计plc应用系统，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器rom中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般plc的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、bcd运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等。plc还提供了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，plc解决复杂离散问题的控制能力远远超过了继电器。
   世界上plc产品可按地域分成美国产品，欧洲产品，日本产品。美国和欧洲的plc技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，美国和欧洲的plc产品有明显的差异性。而日本的plc技术是由美国引进的，对美国的plc产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型plc上。日本的小型plc独具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面曾经明显优于欧美的小型机，格外受用户欢迎。日本有许多plc制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型plc市场上，日本产品占重要地位。

4 精梳机伴随plc技术的同步发展 
4.1 c60p用于代fa252型棉精梳机
   公司在1990年以前三十多年的精梳机研发历史中，电气控制部分都是通过继电器来完成的，其价格低廉，但不易于改变功能。随着控制要求的不断提高，纯继电器的控制线路已显得越来越不能满足，太多的继电器使得电控柜的体积变得越来越大，线路错纵复杂，给设计、制作和维护都带来麻烦。
   九十年代初在开发新的棉精梳机fa252、fa253时，正好是plc进入国内自动化领域不久，我们认真对比了当时世界的几个品牌，确定小型机就能满足控制需求，又由于日产plc在编程语言方面更适应东方人的逻辑思维方式，日产plc。
   在日本多家plc制造商中，比较下来欧姆龙自动化集团的plc是引领工业自动化产品和应用先进技术的产品，它进入中国市场的时间早、产品性能稳定、编程简易、调试方便（软件还只是基于当时dos平台的“lss”，但已经有较丰富的功能，与其他日产plc软件相比，它的现场监控能力尤为出色），成为当时自动化领域的佼佼者。在中国，欧姆龙有遍布全国的物流、销售和技术支持，可及时提供客户直接的服务。基于以上理由，我们在“代”用plc作为主控制器的棉精梳机时了日本欧姆龙公司的产品——九十年代初期的“c60p型plc”。
    “c60p型”可编程序控制器，以现在的目光来看，体积可谓庞大，但该款plc当时比起我们原先计划要在电气箱安装几十个继电器来说体积可大大缩小了，控制逻辑可随时修改，不需动一根电线和任何电气元件就可改变控制功能，这些技术进步对于当时自动化设计的改变简直是革命性的！我们台棉精梳样机成功后就于1993年参加了在日本大阪的国际纺机展，当时国内外的棉精梳机还都在用继电器控制着精梳设备的运转。由于较早地使用了plc，使得我们当时的精梳设备在控制技术上处于水平。紧接着，公司的精梳配套设备—fa355系列条并卷机也同样采用了c60p型plc。
4.2 cqm1用于第二代px2型棉精梳机
   九十年代后期，将欧姆龙公司的cqm1型plc用于公司的第二代px2棉精梳机以及为之配套的sr80条并卷机，开发成功后销量累计达几千台。但由于cqm1型plc差不多可以归入中型plc的范畴，从现在来看价格也比较昂贵，目前已被下文提及的cp1h小型plc取代，本文不再作介绍。
4.3 cpm1a用于第三代cj25型棉精梳机
   随着时代的发展精梳设备需要不断的更新，要增强功能又不能扩大电气箱空间，这就要依靠plc的进步相辅佐。九十年代后期，随着欧姆龙公司plc的新产品—cpm1a的推出，其比起原来的c60p体积差不多缩小了一倍，在指令种类90多种、指令执行时间ld指令1.72μm、数据存储、定时器/计数器数量128位、中断输入和脉冲输入、高速计数器、模拟量设定、通信距离50m等关键指标比c60p前进了一大步，完全能够满足新一代精梳机的控制要求，采用欧姆龙的cpm1a及显示器mpt002集成第三代棉精梳机（此属于公司一款中档精梳机，与“第二代”精梳机同步生产、销售）的控制及显示单元。开发成功的“第三代”cj25型棉精梳机在众多用户厂经多年使用，运行可靠、反映良好。
4.4 cpm2a用于公司其他产品
   cpm2a系列plc是omron公司在cpm1a基础上推出的升级产品。它与cpm1a相比，在程序容量、指令种类、指令执行时间、数据存储、定时器/计数器数量诸方面都有明显进步，并新加了rs232通讯端口，支持各种无协议通讯方式，特别是脉冲输出和同步功能的增加给设备的自动化控制提供了更大的方便。我们在承担高能聚焦超声治疗仪调试台项目时，充分运用了cpm2a的脉冲输出功能和同步功能，使得对于定位精度要求很高的该治疗仪，在制作调试过程中很好把握设备的质量关，满足了用户的订货要求。

5  新款cp1h用于第四代cj60型棉精梳机
   欧姆龙公司2006年推出的cp1h系列小型高性能plc，在i/o的扩展能力、程序容量（20k）、指令种类、指令执行时间（ld指令0.1μm）、dm数据区（32k）、定时器/计数器数量多、功能块、复杂的函数运算、浮点运算（st）、内置模拟量输入/输出功能、串行plc的连接功能、modbus-rtu的简易主站功能、三个通讯口等诸方面比cpm2a又有长足进步。这些指标差不多与业内的中型plc所相当，而cp1h的体积和价格又类同于其他小型plc。cp1h的性价比确实是很令人吸引的。cp1h还引进了usb的标准配置接口与个人电脑连接，增加了设备的通用性（该功能在现场调试过程中一旦受到变频器工作的干扰就时有掉线情况发生，这时我们可以通过cp1h自带的rs232串口来实现监控）。与cp1h同步推出的cx-one编程软件也比原来欧姆龙公司的各种软件版本更为人性化。在指令编写、地址搜索、条文注释、软件保护、功能块编制、多种编程语言、调试监控等方面为用户提供了高水平的应用平台。尤其是功能块的调用及多种编程语言的灵活性给方案设计提供了极大的便利。值得一提的是欧姆龙公司居然允许在的cx-one软件上把我们近20年前在计算机的dos操作环境下使用“lss”软件编制的以及win98环境下使用的“sss”软件编制的、还有所有bbbbbbs环境下编制的历史程序，都能通过cx-one的转换而方便的读出或进行老程序的升级。这与有些欧洲大的跨国公司相比确实体现出其优势，后者不同等级的plc甚至是地处不同国家的不同团队开发的，分别使用了两套完全不同的软件开发体系，很难做到像欧姆龙公司那样，一直保持软件开发的延续性，使得每个新软件的推出都考虑到对历史产品具有很好的兼容性，这也是成为老用户长期愿意使用欧姆龙plc产品的理由。
   2006年，我们在开发新的“第四代”cj60型高速棉精梳机时，由于设备的自动控制功能比前三代产品都大大增加，系统中包含了模拟量控制、函数运算、modbus通讯、数据高速采集等，如果没有cp1h，我们只能选用中型plc才能满足控制方案的要求。经综合考虑，我们还是选择了欧姆龙的cp1h小型机。
5.1 整体方案
   通过欧姆龙的小型机cp1h可编程控器、日本pro-face的触摸屏、德国keb变频器等强强联合，组成了公司“第四代”cj60型棉精梳机的控制方案，其核心技术是分别采用rs232接口和modbus通讯方式连接plc与触摸屏及变频器、运用plc的内置模拟量输入功能直接连接8个模拟量传感器，实现对设备关键部位自停的智能化、数字化的控制、设备历史故障发生与解除时间及次数的记忆、多级密码分层管理等，并可通过触摸屏的以太网接口实现向上通讯的功能，为纺织厂的现代化管理提供必要的保证。
   对于plc的软件编程，根据需要将不同功能的程序段分列，每个任务分别用合适的编程语言如梯形图、语言等来完成。
5.2  i/o配置与标志位和变量声明
   通过i/o配置、标志位、变量声明表，可方便灵活地查到各个i/o点位、标志、变量等的类型、地址、功能注释等，部分声明如图1所示。

图1  标志位声明

5.3  梯型图设计
   系统逻辑量控制基本采用了梯形图法编制。梯形图信号流向清晰、简单、直观、容易看懂，是一种面向对象、实时的、图形化的编程语言。梯型图的结构给程序设计中的逻辑判断和分支操作提供了极大的方便。cx-one软件的特点之一是可在程序段下方同页显示某变量的地址拦，方便观察和调试等。
5.4  st语言的应用
   st语言用在具有多个循环和具有函数运算的控制程序中尤其方便，诸如此类的编程方法一般在中型plc机中才具有，但cp1h型小型机也具备了，很有特色。在cj60的整机控制系统中除了逻辑量的控制之外，其他的控制则是运用了灵活的st语言来实现，例如对于功能相同的n个传感器的信号读入和处理等，使用该语言编制控制程序，取得了很好的效果。节选如图2所示。

图2   使用st语言编程

5.5 功能块的编制与调用
   功能块编程方式是cp1h型小型机的另一具有特色的功能。在反复出现的相同逻辑的程序编制时，预先做好各种功能块，在主程序需要时随处调用，精简了整个编程语句，使整个控制系统的设计显得更加简洁、易读、易修改、易维护。实例如见图3及图4所示。

图3  功能块编制实例

图4   功能块的调用

6 结束语
   迄今为止，除了采用奥地利b&r工业自动化公司推出的可编程计算机控制器pcc系统开发的多轴驱动棉精梳机之外，欧姆龙公司为先进的小型机cp1h作为中央控制器的cj60型棉精梳机电气自动化的控制水平是国内外同类产品中为先进的。cj60型棉精梳机已销售了近200台，深受用户的欢迎，日前，cj60还成功地通过了国家机构的新产品科技成果鉴定和国家专项拨款项目验收工作，整机的鉴定结论是：“cj60型棉精梳机处于国内、国际先进的水平”。欧姆龙的cp1h小型机还用于本公司与cj60配套的cl15条并卷机以及更新换代的cj40、sr80等前纺设备。欧姆龙plc具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久占有市场的根本原因。
   在自动化、计算机、数字化、互联网极为普及的，纺机设备的自动化水平只有与时俱进地不断提高，才能在激烈的市场竞争中占有一席之地，才能不断为改善人们的生活水平做出应有的贡献。plc市场潜力很大。调查表明在工业发达的日本plc配套的机电一体化产品的比例占40%左右，采用继电器、接触器控制尚有20%多。说，需要应用plc的场合还很多，在我国就更是如此了。也希望plc的制造商们能不断推出性能越来越优质的工业控制产品，来满足各个领域的自动化控制需求。plc与纺织机械的前途同样都将一片美好

1  引言

我公司90m2烧结机于1991年建成，plc自动控制系统采用的是美国modicon公司的584系统，其间经过升级改造，原系统已经被更先进quantum系统取代，但系统已经运行了十多年，通讯方面时常出现一些问题。控制程序一直沿用dos6.22操作系统下的modsoftv2.62开发环境，界面复杂、操作繁琐、功能简单；程序本身逻辑严密，但长期以来随着工艺更新，程序也不断修改，致使结构繁琐混乱，加上中间点过多，没有注释，给维护工作造成很大困难，直接影响了烧结生产的顺利运行。

系统原先采用电气操作台控制。调度台与电气操作台分置于内外间，启停时需进入里间才能操作，耗时耗力耗人；由于时间长，电气操作台线路老化、虚接，常常引起误动作，电工查找故障需对图比照，顺线路一点点检查，这些不利因素增加了人、财、物等各项成本，也极大地影响了生产作业率。次改造也只是用简单的ifix2.5画面替代电气操作台上的按钮和开关，整个生产工艺仍然通过模拟屏显示，并没有实现真正意义上的上位机画面监控。

2  解决方案

针对此种情况，2006年5月份正式实施改造,并于6月13日投入运行。本着大限度降低成本的原则，决定仍然采用quantum自动控制系统，控制程序重新编制，采用bbbbbbs2000操作系统下的concept2.6软件编程；监控画面采用ifix2.5软件，重新制作，将各个工艺流程显示在画面上，实现故障报警、历史趋势显示；上位机与plc之间的通讯由以前的mb+改为以太网通讯，速率更快，网络也更加稳定。

2.1 硬件配置

硬件配置如下：cpu模板：140 cpu 43412a；电源模板：140 cps 114 20；底板：140 xbp 00600；工控机：研华ipc-610h；显示器：philips  190s5；以太网模板：140 noe 77100；交换机：赫斯曼rs2-tx；ifix并口支持硬件密钥；ups电源：梅兰日兰5kva；双绞线、同轴电缆若干。

(1)cpu：cpu模板140 cpu 43412，采用80486处理器，时钟速率66mhz，逻辑解算时间大大缩短，提高了整个自动化系统的性能。

(2)以太网(ethernet)高速通讯网：上位机与plc之间通过以太网通讯。以太网是现在普遍采用的局域通讯网络，采用tcp/ip协议，具有高速、工作方式灵活、高度可扩展、高可用性、调试快速等特点。

(3)  远程io(rio)：远程分站通过rio网与控制器通讯。rio网是一个高速局域网络，网速达到1.544mb/s，传输介质采用同轴电缆。quantum cpu可以支持多达31个分站，只要线路上信号衰减小于35db，远可达4572m(15000feet)。系统中每个rio分支模板要求一个分支器，网络末端加终端电阻，便于以后系统扩展。

(4)  并口支持硬件密钥：运行ifix，需要使用硬件密钥来控制和启用安装中可用的软件选项，并启用终端服务器颁发许可证，还可以保护inbbblution以防非法复制ifix软件。现有两种硬件密钥，一种支持并口配置，一种支持usb端口配置，我们采用支持并行口配置的硬件密钥。该自动控制系统的系统配置图如图1所示。

图1 系统配置图

如图1所示，该系统共有三台操作站，冗余备用，事故时不会影响生产正常运行。三台操作站通过交换机，以双绞线为传输介质，跟以太网通讯模板140noe 771 00连接，实现以以太网方式与plc通讯。以太网通讯方式为erp采集数据提供了可能，并可以据此实现整个自控系统的远程集中控制，这是自动化技术发展的方向。根据现场设备配置，系统共有五个电磁站，中控室、原料电磁站、配料电磁站、烧冷电磁站和冷却电磁站。cpu在中控室，通过远程io(rio)与四个远程电磁站通讯。由于整个系统只采用一个cpu，传输距离太长，信号衰减并致使信号失真不可避免。远程通讯分为两路，各沿分开线路至不同远程分站，这样需将通讯模板通讯口和冗余接口全部占用。这样的通讯方式在通讯模板上会显示错误，但并不影响正常通讯。分支器采用ma-0185-100(b)，远程通讯末端连接终端电阻，采用520422 000。

2.2 软件体系

(1)编程软件：编程软件concept2.5是一种基于bbbbbbs环境的编程工具，提供包括多种编程语言的单一开发环境，功能强大，从程序的开发和维护上都大大优于原有的modsoft软件。其优点为：采用bbbbbbs操作系统，界面简单，操作方便；concept具有联机的程序编辑功能，编辑完后可立即执行，不必重新下载；concept提供了多窗口编辑功能，可显示不同区段的程序，方便对照、复制与编辑；具有程序单元输入功能，可将整个开发工作分解为多个程序单元，独立输入；具有程序语法检查功能及程序测试功能。

90m2烧结机包括含铁料上料系统(81)、溶剂系统(83)、灰石转运系统(84)、白煤粗碎系统(85)、白煤细碎系统(87)、上煤系统(88)、配混系统(1、2两个系列)、烧冷系统(3、4两个系列)、成品系统(5、6两个系列)、铺底料系统和除尘系统。担负着向几座高炉输送烧结矿的任务。工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程图

根据工艺流程以及concept特点，程序分为不同程序段，对应相应的工艺系统，如88系统、配混系统、烧冷系统等，每个程序段采用相同编程思路：

● 判断运行条件满足否。

● 满足则由操作人员启动该系统。

● 自动延时逆向启动各设备。

● 停止方式分为急停和顺停，无料时采取急停方式，有料时采取顺序停车方式，各设备间有延时。

● 启动电铃启动过程超时，则此次启动失败；故障报警输出。

程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

整个程序实现了工艺要求的设备连锁控制条件及系统间连锁控制条件，其中配料系统实现圆盘全部或部分参与配料，成品系统实现缓仓储料和高炉直送的无扰动切换。针对系统投运以来经常出现的“打机枪”现象，即设备的输出信号与输入反馈信号由于瞬间不稳定，信号交替闪烁，致使接触器频繁动作，影响生产及损耗设备问题，程序也加以考虑，采取措施避免了这种现象。

(2)画面软件：ifix是inbbblution dynamics自动化软件中的hmi/scada组件，基于bbbbbbsnt，实现对生产过程监视和控制的功能。ifix2.5增加了许多重要功能，结构也加以完善，明显地减小了自动化工程设计时间，使系统升级和维护更快更简化，并且大大地增加了生产率。

上位机采用bbbbbbs2000操作系统，i/o驱动器采用mbe，通过以太网通讯方式实现与plc之间的通讯。上位机画面包括总貌画面、81/88系统、83/84系统、85/87系统、配混系统、烧冷系统、成品系统、铺底料系统、以及除尘系统，实现了整个工艺流程的实时数据采集、过程监视(图形显示)、监视控制功能，并且增加了故障报警、历史趋势画面。画面尽量贴近现场设备，配置及颜色符合操作工习惯，大画面及操作子画面的结合使操作简单易学。