西门子模块6ES7214-2AS23-0XB8技术支持
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。
一 四轴联动简易机械手的结构及动作过程
机械手结构如下图1所示，有气控机械手（1）、XY轴丝杠组（2）、转盘机构（3）、旋转基座（4）等组成。
图1 机械手结构图
其运动控制方式为：（1）由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手（有光电传感器确定起始0点）；（2）由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动（有x、y轴限位开关）；（3）可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转（其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成）；（4）旋转基座主要支撑以上3部分；（5）气控机械手的张合由气压控制（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开）。
其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，充气，机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到jingque控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
1. 步进电机及其驱动器
机械手纵轴（Y轴）和横轴（X轴）选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，大3A的8种输出电流可选，大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于tigao电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
2. 伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式（脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应tigao2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，tigao系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。
3. 直流电机
可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
4. 旋转编码器
在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的jingque定位。
5. PLC的选型
根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1. 软件流程图
流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，终完成程序的设计。写出流程图非常关键也是程序设计要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。
图2 软件流程图
2. 程序部分
由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。
图3 程序列表
四 结束语
四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成。
PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中
1、前言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占首位。近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。面对这种形势，高等院校为更好地适应于我国经济、科学技术和社会的发展，在相关院系中普及PLC技术教育是十分必要的。对航海院校而言，随着船舶自动化程度的日益tigao，PLC技术在主机、辅机和电站等设备中逐步推广应用，这就要求航海教育必须与之相适应，特别是轮机工程必须强化PLC技术的教育。为了适应IMO（国际海事组织）STCW 78/95公约的要求，除了在校轮机本、专科学生的《轮机自动化》课程中包含PLC原理与应用外，海事局委托的轮补电船员培训班中也要求开设《PLC原理与应用》课程，并辅以一定量的实验。鉴于此，建立面向船员教育的PLC实验室成了刻不容缓的任务。
2、建立PLC实验室的总体方案
实验室是学科建设和发展的基础，是教学与科研的基地，是衡量高等院校办学水平和科研水平的重要标志，我们PLC实验室建设的目标是建成为能适应现代船员教育、符合STCW 78/95 公约要求的、高标准的开放型实验室。实验室由两大部分构成：
1、基础实验部分 —— 制作一批以PLC为核心的标准实验板，输入端由若干个开关和传感器组成，输出端为一些指示灯、继电器和熔断管。因PLC实验不同于一般电工电子实验，它需自己编程，输入PLC调试通过，动手性强，但不成功率较高，有了标准实验板，安全性、直观性tigao，教师可以放手让学生大胆实践，让他们自己选题、自接线路、自己调试，指导教师在整个过程中的作用只是引导、检查、把关和解决学生疑难问题。
2、科研开发部分 —— 为教师提供科研活动、技术开发的场所。充分发挥教师在技术上的优势，为航运企业及相关部门解决一些PLC应用上的问题，进行模拟试验或做些产品开发。这样既回报了社会，又为学校筹集教学和科研经费提供了条件，还能tigao教师的科研水平和教学水平。主要设备有计算机、专用编程软件、数据连线和若干套PLC等。
3、PLC实验室的建设
99年底我院购买了三菱（MITSUBISHI）公司FX2N-48MR微型可编程控制器12套和FX-2P便携式编程器1套，利用这些设备我们设计制作了十块实验板，外壳用金属薄板弯制成型并作静电喷塑处理（蛋青色），居中是PLC（便于看请PLC上的各输入输出端状态指示LED），左上角为~220V电源输入、开关、电源指示灯、DC24V接线柱和保险管，考虑到学生操作的方便，我们把输入端控制开关和传感器接线柱布置在实验板的下半部分，而把输出端继电器、交流接触器、接线柱和指示灯布置在上半部分（该PLC输入端X0~X27在上面、输出端Y0~Y27在下面）。由于该PLC的输出电路无内置保险，为了防止负载短路等故障烧断PLC的基板配线，每4个输出点（也就是一个COM点）设置一个5A保险。该PLC性能优良，有继电器、三端双向可控硅开关元件和晶体管三种输出类型，可以接多种输出入扩展设备，使用简便指令就能完成不少实验。为了使实验教学的效果更理想，还做了几块示教板供演示用。从2000年3月开始我们按照新编的实验指导书开设了《PLC基本组成及输入输出接口的认识》、《灯循环点亮和延时点亮PLC编程》、《PLC在交流电机控制系统中应用的演示性实操》三个基础实验。考虑到目前PLC在船舶上的广泛应用，如主机遥控、船舶报警监视、燃油锅炉自动控制等系统中都有应用，也是为了适应现代条件下船员教育的新特点，我们以PLC为核心逐步研制几种用于教学的船用设备模拟器，下面就以锅炉控制模拟器为例作一简要介绍：
在柴油机动力装置中所采用的锅炉都称为辅锅炉，由于船舶机舱中这类辅助设备很多，辅助设备的自动控制是实现“无人值班”机舱的必要条件之一。实现辅锅炉的自动控制就要了解其燃烧时序控制，见图1。
按照锅炉的控制框图我们制定了程序的整体结构，考虑到是模拟器，特别增加故障设置部分，以加强教学功能。我们从思南工控网站下载一个三菱FX2N编程软件，并买了专用数据线，开始着手编写锅炉控制模拟器程序。程序初稿出来后，经过逐段逐句的反复推敲、调试才全部输入PLC作后的测试，相应的硬件和接线也在同期完成。终程序由358句、719行构成。例如图2提供的是点火过程部分的一段梯形图。模拟器的形状是落地柜式，外壳是用薄金属板弯制焊接成型并经静电喷塑处理（蛋青色），上半部分为指示灯、蜂鸣器和仪表，中间斜面突出部分是控制面板（分三个部分，见后面说明）。
1． 前言
发酵工程，利用细胞大规模培养技术，已深入到医药、轻工、食品、农业、环保各个领域，在国民经济中占有很大的比重。tigao发酵水平，具有重要的经济和社会意义。基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，在发酵工程放大和优化上取得了很大的成绩。[1] 由于发酵过程的复杂性和高度非线性等诸多因素和多容量过程特征，使系统具有动态性和难以预测性，发酵过程严酷的工况条件，如高温、高湿、长周期发酵等都对生物反应器控制系统提出了严格的要求。以FX2n系列PLC为主控制器的生物反应器控制系统, 是新的发酵工程放大和优化理论的支撑工作平台。
2． 控制系统技术要求
1） 生物反应器控制系统的数据采样对象，温度、pH、溶解氧等环境参数是连续量。
2） 执行器，大部分是开关量，如电磁阀、隔膜阀等各类阀门，间隙工作的各类补料泵等。
3） 另有部分模拟量输出，如搅拌电机转速控制等。
4）过程特征变量一般分直接变量和间接变量。发酵工程，是生物反应过程，过程特征中含有许多难以直接测量的生物变量，如摄氧率OUR，二氧化碳释放率CER，呼吸商RQ等，这些间接变量对基于多尺度法研究的新的发酵工程放大和优化具有极为重要的意义，只能把直接测量得到的直接变量，使用软测量技术，经函数运算，映射得到。直接测量的精度，稳定性和控制系统的运算能力决定了整个系统的品质。
5）随着Internet技术的推广[2]，现代信息技术正在进入到每个领域，并且基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，是个全新的概念，正在逐步发展，需要国内各方面专家的协同努力，本系统应具有开放的通讯接口，在车间范围内组成局域网，并通过Internet ，使远方终端可以浏览现场数据，或进行干预。
3． 系统的组成
根据上述技术要求和以往的经验，我们觉得选用三菱公司的FX2n系列PLC是合适的。FX2n系列PLC有各种扩展模块可以选择，如FX2n-4AD-PT, FX2n-4AD, FX2n-232-Bd等扩展模块，适合模拟量的输入和数据通信；开关量可以直接输出；FX2n系列PLC指令集丰富，涵盖大部分运算。双字节浮点运算指令满足测量和运算的精度。
现场jingque传感器检测各种物理，化学，生物参数，输入FX2n-4AD-PT和FX2n-4AD等摸块，PLC运算后输出控制执行器，并和车间操作站数据交换。
人机界面采用三菱公司的A975GOT-TBA-B, 10.4英寸液晶屏带触摸键，画面丰富，还编制了多幅用户帮助画面，提供在线帮助，界面友好。
现场控制站安置在生物反应器旁，各类传感器和PLC安装在同一控制柜内, 变送器、PLC等供电回路加配交流滤波器。通讯用双绞电缆链往车间操作站，与PC-BASED结构相比,简化了现场布线。
车间操作站IPC, 带有以太网口，可以和其他PC机组成局域网；C++ 编写的多线程，多任务软件包，完成数据分析，趋势曲线，查询，打印等功能，并集成了TCP/IP, 便于远方终端在Internet网上访问 。
图1是系统配置示意图。
4. 主要控制算法和PLC指令
相同的算法可以调用相应的子程序。
1） 带不灵敏度区的分程控制 温度、Ph等参数的控制规律如式1：
式中 Δ----- │设定值 – 测量值│（误差）
P ------ 比例系数（单位: 被控制量）
FS ----- 大开启时间（单位: 秒）
MS ---- 小开启时间 (单位: 秒)
NSB --- 不灵敏区 （单位: 被控制量）
PLC程序中使用了区间比较16位指令ZCP。需注意的是执行该指令后，
要执行区间复位指令ZRST。图2是带不灵敏度区的分程控制
2) 扩展模块的初始化和pH 、DO 电极的标定
图2 带不灵敏区分程控制
FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模块在次使用时，要根据被测工程量范围、滤波常数等初始设置；pH ,DO 等电极在正式使用前要标定，f(x)=ax+b, 用标准缓冲液定出a、b 使用双字节浮点运算指令FLT, BCD, DEADD, DESUB, DEMUL, DED等。
3) 数据的存储
PLC检测到的数据在送往操作站存储也在PLC中实时存储，以tigao系统的冗余度。
一般认为PLC不容易数据采集和存储[4]，FX2n 为我们提供了8K字存储区，可以满足每批发酵的数据量。我们使用了两种方法：1.定时采集 每隔一段时间采样一次,存储后,指针加1, 存储格式固定, 存储区的长度与已存数长度相配,不存时间。2.变化采集 当被采集的参数的变化值大于预定的记录精度,把此时的数据和时间存入存储区。使用变址寄存器V，Z，改变软元件地址号，对文件寄存器地址号变址修改。
4) 软测量技术的实现
jingque传感器测得信号后，PLC根据预设的生物数学模型运算，得到不能直接测量的间接变量[3]。如细胞代谢流信息之一摄氧率OUR，摩尔氧表示：
式中 Co2-------- 溶解氧浓度，mol/m3
Fa,i ------ 进入发酵液的空气体积liuliang， m3/h
Fa,i ------ 排出发酵液的空气体积liuliang， m3/h
V --------- 发酵液体积， m3
F ----------- 流加补料速率， m3/h
no2,i------ 进入发酵液的空气中氧的体积分数；
no2,o------ 排出发酵液的空气中氧的体积分数；
ro2--------- 氧利用率，mol/m3h
系统趋于稳定时，
使用FX2n的双字节浮点运算指令，求取ro2 。
5. 小结
以FX2n系列PLC为主体的生物反应器数据采集和控制系统，性能稳定, 使用于发酵工程放大和优化，取得了很好的成绩，现已推广应用于疫苗、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、食品、农业、环保等行业，并在我国(包括传统生物技术和基因工程技术在内)发酵行业装备现代化技术改造和信息化进程中发挥了积极作用。本文研究的系统作为项目：”基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术及其生物反应器装置研究”的组成，被评为2OO1年上海市科技进步一等奖。