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牙膏封盖机是一个机电一体化的产品，其核心是控制系统。该控制系统方案基于DELTA（台达）AE系列人机界面、SS系列PLC、ASD－A伺服系统等产品的有机组合，借助其产品的数据通讯功能能够很灵活地构造控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高，控制更的优点。以下重点讨论各系统如何利用通讯功能以实现其间的数据交换和如何使伺服系统的响应速度和机械的扭矩限制相配，以实现在牙膏封盖机上的牙膏封装工艺要求。
牙膏封盖机的工艺要求和机械结构
牙膏封盖机是牙膏包装生产线上的关键性设备，主要用于牙膏灌装后的封盖动作，其工艺要求如下：（1）封装速度能够配合前端灌装生产线的送料速度，实现封装速度可以调节；（2）能够对牙膏的封盖扭力进行设定，并只有在封装扭力达到设定值后才能继续封装，以保证牙膏盖的封装质量；（3）能够对来料的相关参数进行检测，并实现自动送料。牙膏封盖机的机械结构如图1所示。
图1 牙膏封盖机的机械结构示意图
控制系统的硬件配置和功能设计
通过对整个机械工艺特点和功能要求的分析，确定程序控制单元采用PLC实现，HMI人机界面作为监控单元，选择SERVO驱动单元作为速度和扭力控制单元，以满足整个机械的电气控制硬件要求，其电气系统控制硬件架构如图2所示。
1）PLC程序控制单元
程序控制单元采用DELTA SS系列小型PLC，其主要特点有：
（1）体积小巧，成本更低；
（2）14点主机设计，8点数字输入和6点晶体管输出；
（3）内建RS232和RS485双通讯端口，可以采用通讯方式读取HMI设定数据。
PLC I/O点规划如表1所示，PLC与HMI关联M辅助继电器定义如表2所示。
2）HMI监控单元
HMI监控单元的主要任务包括：
（1）模式功能的选择（运行模式M3、监控模式M2、参数模式M1）；
（2）控制功能（运行M4、停止M5）；
（3）监控功能（PLC I/O状态的读取、伺服 I/O状态的读取、加工总数等信息）；
（4）参数设定功能（封盖伺服速度设定、封盖伺服扭力设定）。
HMI监控单元采用DELTA DOP－A5.7’系列彩色人机界面，以实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能，有以下主要特点：
（1）256色彩显示，5.7’ 监控界面；
（2）支持双通讯联机功能，可连接2种不同协议的控制器，方便架构多机联机网络；
（3）软体内建与台达PLC和伺服通讯及内部协议，可以方便编程，简化设计；
（4）可以通过多级密码设定功能来实现多用户管理；
（5）内建万年历功能。
HMI 支持双通讯联机功能，可连接2种不同协议的控制器。本案使用HMI的COM2与PLC进行RS485通讯，用以设定PLC程序中的按钮等元件，并可将PLC的运行状态反馈在HMI上，还使用了HMI的COM1与SERVO进行RS232通讯，用以与伺服内部寄存器交换数据，架构见可图2。
该方案的优点在于无需增加任何通讯模块，其控制功能是在各控制单元硬体和软体自身通讯功能的基础上构建实现的，可以使成本更低、应用更方便、性能更稳定。
HMI人机界面规划如图3所示。
图3 人机界面规划示意图
表3和表4分别给出了各个要素的相关说明。
3）SERVO速度和扭力控制单元
SERVO单元的主要任务包括：
（1）对封盖时电机速度的调节；
（2）对封盖时电机输出大扭力的调节和检测。
SERVO单元采用DELTA ASD－A系列100W伺服系统，以实现对机械封盖时速度控制和对封盖时大扭力进行限定。它有以下主要特点：除传统的位置控制、速度控制和扭矩控制外，有PR通讯模式、内部速度和内部扭矩功能；内建RS232/RS485/RS422通讯端口，可以采用通讯方式快速获取相关数据；具有扭力限制功能，开启该功能，能够限制电机输出的大扭矩。伺服单元相关参数设定如表5所示。
这里需要说明两点。
（1）关于内部速度模式的说明
伺服速度模式主要应用于对机械速度精度要求比较高的场合。伺服单元有两种命令的输入模式，即外部模拟量输入（即S速度模式）和内部寄存器输入（即SZ内部速度模式）。当选择SZ模式时，可以通过通讯的方式改变命令寄存器1－09（地址0109H）的内容值，并且还可通过伺服外部的DI-SPD0输入来切换命令，如表6所示，SZ模式下的时序图如图4所示。由上述可知，在内部速度模式下，只要改变伺服内部寄存器1－09的内容值,即可改变伺服电机执行封盖的速度。
（2）关于大扭矩限制功能的说明
伺服扭矩限制功能通过伺服外部DI2TRQLM开启后，电机的大输出扭矩设定值＝电机的额定输出扭矩×P1－12的设定％，单位NM。100W的伺服系统额定扭矩为0.318N.M，当P1－12设定为10时，电机大输出扭矩＝0.318×10％＝0.0318N.M。当伺服扭矩限制功能开启后，可由通讯方式改变命令寄存器1-12（地址010CH）的内容值,并可通过伺服外部的DI输入切换扭矩命令的来源。当电机输出扭矩达到设定的电机大输出扭矩后，电机会停止运转，并且以反作用力的形式保持，伺服单元的DO输出TQL便会由OFF变为ON，扭矩限制功能时序图如图5所示。
由上述讨论可知，只要在开启扭矩限制功能的前提下，改变伺服内部寄存器1－12的内容值，即可限制伺服电机输出扭力的大小。
（3）其他辅助单元
其他辅助单元还包含给控制回路提供电源的DC24V开关电源，DC24V微型电磁阀，以及外部紧急停止按钮等辅助电器元件。
工艺过程程序设计
牙膏封盖机控制系统并不复杂，对工艺过程却有严格要求。根据生产线生产设备对工艺过程各个环节对工艺的具体要求，经过分析可以绘制出整个生产过程的程序动作流程图，如图6所示。按照该动作流程图编制出各子模块的相关程序并非难事，具体程序在此从略。
结束语
在上述基于台达HMI＋PLC＋SERVO的牙膏封盖控制系统的应用案例中，文中只对基本原理作了说明。借助台达产品据通讯功能的优势，能够很灵活地构造各种控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高、稳定性更好、控制精度更高的优点。
1概 述
随着计算机应用的不断普及，计算机远程通信的使用也越来越多。但由于电信事业发展的滞后，通信线路拥挤阻塞的问题日益严重，有些地方上班时间电话线路经常处于占线状态，使得计算机通信十分困难。若想在下班或深夜通信线路空闲时才进行数据通信，通信双方就要留人值班操作，十分不便。为此，采用无人值守的远程数据通信控制器。由于这种系统要经受通信干扰、高温等的影响，其工作条件十分恶劣，加上分机较多，有的又相距较远，对整个系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力都有较高的要求，特别是对其通道的可靠性、准确性要求更高。
在分布式数据采集与监测系统中，往往需要将离控制中心几公里、几十公里甚至数百公里以外的下位机采集到的在线数据实时地送给上位控制中心。这对于一般的计算机串行通信口来说是无法完成的，必须采取模拟载波传输方式或者采用微波和卫星等无线传输方式，但从投资费用及性能价格比来看，大多数还是采用模拟载波传输方式，也就是说，通信双方各接入一个专用设备——调制解调器（MODEM），它将PLC送来的数字信号调制成模拟信号在电话线中传输，并在接受端将模拟信号还原成数字信号。
2技术现状
本系统是以PLC为核心和可脱机的电话通信的方式实现的。在该系统中，一方面，下位机的数据采集终端必须将采集到的各种在线数据准确、可靠、迅速地送到上位微机控制中心；另一方面上位机的控制命令和调度命令必须准确无误地下发到各下位机，而完成这两方面功能的关键在于数据通信。
一般来说监测设备和控制中心相距较近，可直接通过RS232接口或RS422接口进行数据通信；当它们相距较远时，可以辅设专用的通信信息，采用异步MODEM专线传输方式进行数据通信。如果距离在几千米甚至上万米以上时，只能借助于公用电话网（PSTN），采用异步MODEM拨号方式进行数据通信。
以PLC为核心的计算机通信系统需要考虑的问题主要是硬件配置、通信协议的选取及实现、特定操作系统下通信程序的编制等。
该系统，如图1所示。
图1系统结构图
下位机以特定协议向上位机发送一个信息包，由上位机进行数据处理。
目前计算机技术正朝着高速度、集成化和网络化方向发展，这种高速度和网络化技术的发展往往会造成高速度上位机与外部设备间的速度不匹配问题。
3用程序实现上位PC与下位PLC间的速度匹配
按照正常的软件安装方法安装工作站软件，发现调制解调器不能进行初始化，通信无法正常进行。由于通信软件和传输介质的限制，通信速度只能处在2400bps状态，如果改换其它新型的MODEM，数据传送速度比早期的MODEM没有什么提高。这就造成计算机与外设（MODEM）之间的速度不匹配问题，形成设备与主机间无法进行正常的对话，加之通信软件设计时很难做到尽善尽美，难免使应用程序中存在BUG，使设备与主机之间无法同步。
系统在执行应用程序时，控制权并非完全交给应用程序，将部分时间分配给系统的硬中断IRQ8，以启动时钟中断进行时钟数据的刷新操作。由于系统以每秒钟18.2次的速度驱动硬中断，应用程序每执行一秒钟就调用18.2次中断INT08H和INTICH的驱动程序。如果通过接管这两个驱动程序并在其中做些延时处理，就可以控制应用程序的执行速度，当延迟时间设置比较合理时就会使原来速度非常高的主机与外设速度达到同步。通过接管该中断驱动程序实现比较合理。如果主机速度特别高，可以通过系统计时器的低级端口操作调用时钟的频率。将每秒系统调用时钟中断18.2次改为每秒调用次数与计算机的时钟频率相同。这样设计利用扩充中断INTICH的方法编制了一个任意调整CPU速度的实用程序。
4远程数据通信的设计与实现
在计算机通信领域中MODEM主要是用以延伸计算机数字信号传输的距离。在上位PC和下位PLC之间要进行正常的数据通信,必须建立通信信道。如果PC—PLC之间距离较远时，铺设专用的通信信道是不可能的，须借助公用电话网通过电话线路采用自动拨号的方式进行通信，但线路会常常出现异常中断的现象，通信的可靠性较差。而在一般的通信软件中难以切换线路，针对这种远程通信中存在的各种问题，并结合课题研究，成功地开发了一套通用的基于异步MODEM自动拨号方式的远程通信软件模块，其应用程序可方便灵活地调用，如图2所示。
图2通信模块流程图
对于远程数据通信系统来说，由于底层通信模块提供了线路状态的实时监测系统及自动重连的功能，能在线路连通期间实时监测线路状态，一旦发现线路异常中断，即可自动拨号进行重新连线，从而大大地提高了远程通信系统的可靠性与灵活性。
由于应用了底层通信模块(即线路状态监测和线路控制应用程序接口)开发基于异步MODEM的远程数据(包括实时信息和非实时信息)通信软件，很好地完成了该系统中的数据自动通信功能。
5监测系统
SZ—4系统的PLC在监测系统中主要完成信号实时采样、脉冲量累计、预警报信号检测与报警输出等，并通过各种变送器与现场的传感器连接。由上位完成复杂运算、显示各种实时图形和保存大量历史数据和打印汉字报表。上位机监测应用软件的编程选用C语言，选择了与C语言程序连接方便的C语言数据库作为系统的实时与历史数据库。
下位机PLC采用梯形图来编制程序，下位PLC软件用来实现数据采集、脉冲计数转换、预警报逻辑判断及声光报警输出、通信数据格式的转换。
数据通信与分离模块完成PLC与微机间数据和命令的双向传递，并将得到的数据按系统要求的格式分离成系统变量。
在硬件配置与安装上，系统交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，提高信号噪声比，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传送，采用放射性一点接地等措施，有效地消除或减弱了共模干扰和瞬变干扰。
在软件设计与编程上，加上一些抗干扰模块。如采用软件滤波技术，对一些重要模拟量参数进行延时判定，并确认报警；在上下位通信软件设计采用响应码与校验重校措施，大大提高了系统的抗干扰性能。
6通信结构的特点
通信协议要解决的主要矛盾是：
(1)防止本机发送本机接收；
(2)严禁两个以上分机发送；
(3)接收不同分机数据的类型识别。
为此，系统做了以下约定：
(1)固定通信用存贮区域；
(2)固定模式周期性传递方式；
(3)严格时序控制；
(4)一机激活各机顺序响应。
由协议约定可知，这种通信结构的特点是：信息传送模式固定，软件管理自成一体，周期性工作，每次都由上位机定期激活。这就不会使系统因某个分机通信故障而陷于瘫痪。为了确保通信工作可靠，传送接收准确稳定，在设计中又采取了下述措施：
(1)增加一路联络信号，使各分机强行改变通信状态，实现系统硬同步。若不加外围联络信号，只设一根总线，也能实现既定的信息交流工作，这就是利用软件计数法，即“软同步”。
(2)软件上采取数字滤波的方法，提高接收信息的准确性。这是一般应用系统中普遍采用的一种方法。由于本系统是定期循环传送，对于一些重要数据采用“两次比较”和“三次取二”的处理方法。即当本次接收到期的信息与上次相则予以接受；若不等到下次再接收到该数据信息时与前两次比较，取出两个相同的数据确定为正确数据；若3个数据互不相则继续接收并每次都取出新接收的3个数据进行“三次取二”处理，直到找出正确的数据从而提高了系统接收信息的准确性。
串行通道是全双工的，这意味着可以接收和发送。串行通道具有缓冲接收功能，即在前一个已接收的字节从接收寄存器读出之前，开始接收第二个字节，串行通道寄存器的存取都通过专用寄存器SBUF。写入SBUF就是装入发送寄存器；读操作实际上是取接收寄存器的内容。串行通道有4种工作方式。当工作方式确定之后，波特率的选择形式也就确定了。上位机子系统通信程序流程图，如图3示。
图3通信程序
START：启动子程序。其功能是当每个传送周期开始的时候，由调用START来激活通信系统，并使主机发送数据。
A1：串行通道中断服务子程序。全部信息的接收`发送`分类处理及有些状态的改变均由此程序完成。
B1：外部中断服务子程序。其顺序在记录主机发送完数据之后，主机被引发中断时调用。功能为：改变主机发送状态为接收状态，并做好接收从机数据的准备。
7结论
串行中断多机通信的结构是合理的，系统总体方案是可行的。由于通信模块独立，传送模式周期循环，给系统的通用性和可扩充性创造了有利条件。采用PLC为核心的远程自动监测系统具有实时性好`数据获取准确以及通信过程控制方便等特点：采用本系统设计的通信程序可移植性好`维护和扩充方便，对同类系统的设计与实现有一定的启发。