6ES7212-1AB23-0XB8厂家供应
数控加工过程容易出现撞刀事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，更容易导致撞刀事故发生。撞刀事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，更可怕的是可能造成人身伤害。怎样防止撞刀事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员重点考虑的问题之一。
1撞刀信号的检测
所谓数控机床撞刀，指的是由于各种错误而导致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞刀事故的发生，可以考虑使用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断，并检测此时车刀的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到刀具与工件距离在警戒范围内，且刀具快速移动朝向工件时，就认为要发生撞刀事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。
1.1 用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断
由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车刀套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车刀的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。
图1接近开关电路原理图
1.2 用HC对车刀运动方向信号及速度信号进行检测
检测车刀运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。
而速度信号的检测，是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。
2防撞刀系统控制方案
控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。
PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。
图2 PLC控制流程图
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。
图3 PLC编程梯形图
若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。
Y1接通后使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。
程序设计的一些说明。
1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：低的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，刀架快速移动的速度设置为3000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不超过PLC的X4、X5端口的频率上限7kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率超过PLC的X4、X5端口的高频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或刀具移动速度是否为“快速”的判断。
2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5ms的时基内可检测的脉冲个数多只有2个。考虑留有一定的安全裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。
X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。
程序在系统控制试验中运行正确。
接近开关警戒距离的设计
当控制系统判别要出现撞刀事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞刀，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。
系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所必须的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出的分析。
3.1.2功放电路中锁相延时td2
在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：
式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。
3.2步进电机制动距离分析
步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三应式步进电机为例分析其制动问题。
对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为
式中：L为相绕组的自感，i为通入绕组中的电流。
制动过程刚好与启动过程从理论上说可以参照启动的分析去处理，即若步进电机处于单相锁相制动时，转子每转过一个齿角，即就会消耗“转子”(包括电机转子及其连接部件，下同)W的能量。根据能量守恒原理，分析步进电机的制动距离，可以考虑从脉冲指令被截止后“转子”的能量需要转过几个齿角才能被消耗完来求得。
根据能量守恒原理可得：
3.3车刀总制动距离的计算
若考虑控制系统的响应延时，则车刀总的制动距离A为：
根据式(6)，以GSK928TA数控车Z轴为例，步进电机型号110BC3100C。
转子齿数Z为100，定子每相绕组电感L为18mH，锁相电流i=8 A，丝杆螺距S-6 mm。工作台重量Mg为140kg，电机转子及执行机构的转动惯量td=1.73×10-4kg·m2。根据3.1控制方案响应延时分析，系统控制方案响应延时幻约为32.5ms(继电器输出)，若车刀速度Vf=2 000 mm／min时，车刀总制动距离A=3.7 mm。
上述对于步进电机在出现撞刀事故时总制动距离的分析，对于接近开关警戒距离的设计可起到理论指导作用。
4结语
防撞刀控制系统的设计主要应用于新程序或数控技术人员的培训中，改装方便，只需在安装车刀时套人接近开关线圈即可。实践中可灵活使用，当确认机床操作无危险时，只须关断PLC电源，防撞刀系统停止工作，不会对机床的正常使用有任何影响。
若从经济角度考虑，还可以使用一台PLC控制若干台车床的防撞刀系统，当然这样会导致控制系统响应时间加长.由于步进电机有在高频下刹车丢步的特性，在实际应用中应加以注意，即每次出现撞刀状态而导致程序运行中断时，应通过车床复位键复位，并重新设定程序零点。
1 引言
MOCVD（bbbbl Organic Chemical Vapor Debbbbbbbb）（金属有机化合物化学气相沉积）是一项制备高质量半导体晶体的新技术。此技术的优点在于[1]:可制成各种薄膜结构型的材料；可制成大面积、高均匀性的外延膜；可jingque控制膜的厚度、组成及掺杂浓度；灵活的气体源路控制技术、气体源路的快速切换技术、生长过程全自动控制,使得人的随机因素影响减至小且重复性很好。要使MOCVD的这些特点能够顺利实现，就必须对工艺参数严格控制。而MOCVD的工艺参数特别多且复杂，这就对控制方法提出了越来越高的要求。有必要采取计算机自动控制。目前MOCVD控制系统大部分依靠国外进口，成本高。研制出具有自主知识产权的MOCVD设备将是发展我国光电子产业的关键环节，意义重大，特别是随着“国家半导体照明工程”的启动，MOCVD的国产化已变得非常紧迫。
根据MOCVD控制系统的具体工艺要求，我们自主研发设计了基于PLC的MOCVD控制系统，该系统采用上位机和可编程控制器实现整个系统的控制和管理，现场试验运行表明该系统性能稳定，响应快速。
2 系统的组成及实现原理
本系统主要由计算机、Siemens PLC S7-300（控制单元的核心），温度控制系统、气体处理系统、反应室等组成。控制系统的基本结构见图1所示。
2.1上位机
选用工业控制计算机作为上位机,利用WINCC 工控组态软件通过MPI 和PLC 进行通讯,从PLC 得到信息,向PLC 传送命令，其负责对系统的监控、数据记录、报警记录、数据分析，参数配置。
2.2 PLC
选用PLC 作控制器,是因为其具有可靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、维护方便、适合于恶劣的工业应用环境等特点。PLC作为系统的核心控制器，负责整个系统运行，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力、报警信号等。输出信号涉及电磁阀、接触器、电动机、压力控制器、流量控制器、RF感应加热器等控制量。
2.3 温度控制系统
温控器、感应加热器、上位机、PLC组成了系统的温度控制系统。这里的温控系统是一个闭环控制系统，温控器通过热电偶实时地采集反应室的温度，由RS232串口反馈给上位机，经过上位机的控制算法处理后，计算出合适的控制量，传送给PLC，由PLC运行程序控制感应加热器来控制反应室的温度。
2.4 气体处理系统
气体处理系统其硬件主要有经过化学抛光的不锈钢管道、气体纯化器、流量控制器、压力控制器、电磁阀和气动阀等组成。气体控制系统的主要作用是通过控制压力和流量控制器，调节气路上各种阀门的开度，从而达到控制各种气源配比的目的，并通过管道向反应室输送反应剂，为保证反应剂的纯度，要求管道的密封性要很好。
气路上压力与流量的控制均由压力和流量控制器来完成。传感器将采集来的实际测量值传送给控制系统，控制系统将采集的实际值，实时与设定值比较。如果用户对控制效果不满意，可以采用闭环回路控制，实时修改传送的设定值。
3 系统软件设计
系统的控制主要指通过PLC对信号进行自动和手动的控制，从而实现对加热系统、气体流量和气体压力、气动阀等的控制。我们设计的MOCVD控制系统有自动控制程序和手动控制程序两种控制方式，自动和手动可以互相切换控制。其子程序主要包括步序控制，模拟量输出控制，模拟量输入控制，数字量输出控制，数字量输入控制。
3.1 步序控制
在MOCVD控制系统中，根据不同的配方，所控制的步运行时间不同，所要求的循环位置都不同。本系统设计方案的一个设计难点，就是在编写程序的时候，无法预先确知循环体的开始及停止位置，如何编写一个可以供多种不同配方使用的程序。
针对MOCVD 系统工艺的要求，结合本系统运行流程，采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，执行不同步序循环控制策略。该方法灵活、准确地采用一个循环控制程序，根据不同配方，在不同循环位置，实现不同功能。其基本的思想是将系统的工作周期划分为50 个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），用编程元件（存储器位M）来代表各步，每步设定运行开始标志位和结束标志位，进入循环标志位和循环结束标志位，步之间的转换条件可以是外部中断输入“前跳”信号，或者是每步运行的定时器提供的信号。
对于处理不确定的循环位置问题，在每步结束时,判断该步循环结束标志位是否为1，如果不为1，则直接跳到下一步运行，如果为1 再读取剩余循环次数是否为0，如果为0 则跳到下一步运行，如果不为0 则剩余循环次数减1，跳到进入循环的步序运行。其算法流程如图2 所示。
3.2 模拟量输出控制
模拟量输出，主要包括8路压力、20路流量以及温度。在模拟量输出中，防止冲击是一项很重要的指标。为了防止冲击，输出时采用爬行渐增的输出控制策略，使模拟量的输出在额定时间内，准时渐增到所需要的输出值，每一次所递增的量要尽量的小，以降低冲击的可能性，保证生长的进行。
基本思想：每步运行开始时，读取步序号并调用该步的模拟量的目标设定值（IN2），前级步结束的输出值（IN1）及要爬升的步数（D），求出步进量S＝（IN2-IN1）/D,再判断实际值和设定值的大小，决定实际值是加上或者减去步进量，再判断实际值是否达到设定值，如果满足则结束本步爬升。分两种情况考虑，步进量为大于等于0或为负，如图3所示为步进量S为大于等于0的程序算法流程图。
模拟量输出程序主要采用语句表（STL）的编程方法，它是一种类似于汇编的语言，执行速度高于梯形图，占用内存空间小，能够解决复杂的循环及跳步。针对于本系统多模拟量，步序复杂且循环不定，而CPU内存有限，此方案能很好的解决这个问题。
3.3 模拟量输入控制
MOCVD 控制系统有29 路模拟输入量，如果全部用模拟量输入模块直接输入，需要29 点的输入。这样设计成本较高，考虑到本系统对模拟量采集实时性要求不高，采用ADG408 译码选择通道，分时输入。每个ADG408 可以接入8 路模拟量信号，使用4 个模拟量通道，就可以输入32 路模拟量，本方案中模拟量输入子系统的成本可以大幅度降低。在系统实时性要求不高的情况下是一种较佳的选择。
模拟量输入子程序采用多路分时选择输入方案，通过译码器在某一时刻选择其中的一路作为输出传送到模拟量输入模块上的一个通道。ADG408 芯片译码选通和PLC 模拟输入量读数处理，在时序上应该严格区分，避免读数混乱。保证在译码选通和PLC 读数的任何时刻，仅有一路模拟输入量处于选通及输入读数状态。如图4 所示，8 路模拟量AI1—AI8,接入ADG408 中，编写程序输出数字量信号控制ADG408 的使能端EN,信号控制端A2、A1、A0，从而实现分时选择多路模拟量中的一路，将其输入到PLC 的模拟量输入模块中，数据进行相应的存储及处理。
3.4 数字量输出控制
数字数出量的控制对象主要由电磁阀、接触器、电机、气动阀等。对于数字量输出控制，其程序设计思想，在每步开始的时候，从相应的数据区中，调用本步对应数字量的数据，为了实现上位机实时控制的功能，判断上位机监控系统是否实时修改某个数字量的输出值，如果上位机修改了， 则数字量的有效输出值以上位机修改值为准，否则按配方表的配方设定的进行输出。
3.5 数字量输入控制
数字量输入控制主要指系统的报警及故障处理程序，报警程序设计包括自动和手动。报警信号由传感器检测，传送给PLC，程序根据报警信号做出相应的安全保护动作，给出触发信号使报警信号灯亮，蜂鸣器响，暂停系统运行，切断感应加热器、或者关闭相应的流量压力控制器。
4 结论
本文提出的控制系统应用于西安电子科技大学第二代MOCVD系统，相对于代MOCVD控制系统，特别在步序子程序设计和模拟量输出控制上有了很大的改进，在步序控制上采用顺序控制设计法来控制不同步之间的动作和命令，相对于代移位控制方法[2]，步序控制法对于解决复杂循环的问题，更加灵活、可靠。在模拟量输出控制上采用PLC语句表（STL）的编程方法，编写模拟量渐进爬升子程序，解决了在代系统中，大量的模拟量输出由上位机来计算处理再通过PLC进行控制，造成上位机负载过大，控制延迟，响应速度较慢的问题。系统现场试验运行表明，该控制系统稳定、快速、安全，完全满足工艺的要求，具有很高的应用价值，本系统的研制成功将促进国内微电子行业的发展，在国内居于地位。
本文作者创新点:本文提出了一种基于PLC的MOCVD控制系统的设计及实现。特别是在软件程序设计上运用了先进的控制思想，采用顺序控制法解决了MOCVD系统中对于复杂步序的控制，在模拟量输出控制上采用了PLC的语句表（STL）编程方法，来编写模拟量渐进爬升子程序，其处理速度快于梯形图，内存占用少，解决了模拟量输出防止冲击的可能。本系统提出的控制方案，完全满足了系