6ES7221-1BF22-0XA8产品规格
引言
在数控机床中, 通常用可编程控制器( PLC) 对机床开关量信号进行控制。PLC可靠性高, 使用方便。但在大多数数控机床,特别是经济型数控机床中, 要求的输入输出点数并不多, 通常在60点以下,为了降低数控机床成本, 在基于工业PC机的数控系统中,可以采用开关量I/O板加外接继电器,配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如DOS) ,数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中, 软件的模块化和可维护性较差, 系统故障的风险相对集中,不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如bbbbbbs) 时, Win32API的设计没有考虑到实时环境的开发用途, 其系统调用的效率不高,不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。
为此, 本文提出一种基于RT - Linux操作系统的嵌入式PLC, 利用RT -Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的使故障风险相对分散。
数控系统嵌入式PLC的硬件结构
数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上, 数控系统嵌入式PLC硬件包括: 工控机及其外围设备,基于ISA总线的开关量输入输出接口卡, 光电隔离模块, 继电器输出模块。其结构如图1所示。
工控机采用RedHatLinux810 + RTLinux311操作系统,数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现, 不需要独立的PLC控制器,减少了数控系统对硬件的依赖, 有利于提高系统的开放性。
I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O接口模块之间的信息交换,PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。
RT -Linux的体系结构
RT - Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统( hard real - timeoperating system) 。它继承了MERT系统的设计思想, 即以通用操作系统为基础,在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务, 又提供所有的标准POSIX服务。RT - Linux源代码公开, 易于修改,使系统成本降低, 源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖, 有利于提高数控软件国产化程度。
RT - Linux是基于Linux并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层,采用中断仿真技术, 在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核, 并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统,而Linux内核仅作为实时系统低优先级的任务运行。对于普通X86的硬件结构,RT - Linux拥有出色的实时性和稳定性,其大中断延迟时间不超过15μs, 大任务切换误差不超过35μs。这些实时参数与系统负载无关, 而取决于计算机的硬件,如在PII350, 64M内存的普通PC机上,系统大延迟时间不超过1μs。RT - Linux按实时性不同分为实时域和非实时域,其结构如图2所示。
实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则,即系统具有透明性、模块化和可扩展性。RT -Linux的实时内核由一个核心部分和多个可选部分组成, 核心部分只负责高速中断处理,支持SMP操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能则由可动态加载的模块扩充。RT -Linux把不影响系统实时性的操作(即非实时域的操作)都留给了非实时的Linux系统完成。基于多任务环境的Linux为软件开发提供了丰富的系统资源,如多种进程间通讯机制,灵活的内存管理机制。
嵌入式PLC的设计及实现
嵌入式PLC的模块组成
数控系统的PLC控制模块实时性要求较高,必须在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件模块化设计的要求, 将数控系统的PLC控制模块作为RT -Linux系统的实时任务之一,其优先级和调用周期取决于数控系统各任务的实时性要求以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制,而被控制的输入输出也就是I/O的输入输出由PC机I/O接口卡输入输出模块来完成, 即完成数控系统的PLC控制需要两个RT -Linux实时任务, 如图3所示, 这两个任务分别为RT - Task1 (以下称“适配卡输入输出”) 、RT - Task2(以下称“PLC控制”) 。
图3是基于RT - Linux系统的嵌入式PLC实时任务关系图, 其中适配卡输入输出主要是完成数控系统的输入输出,即各轴位置控制命令的输出、I/O的输出、I/O输入以及位置反馈输入, 它实际上是数控系统控制卡的设备驱动模块,其优先级在数控系统的各实时任务中为。根据其硬件特征以及运动控制要求, 其响应周期为100μs,响应时钟周期由PC机I/O接口卡上的硬件定时器产生。根据RT - Linux系统对硬件中断的响应机制,输入输出控制任务的实时性是可以保证的, 这一点在我们的数控系统已经得到验证。
图3中PLC控制主要是完成数控系统的PLC控制功能, 其任务优先级低于适配卡输入输出,也低于数控系统的精插补实时任务和位置伺服实时任务。根据通用数控系统的PLC控制要求, 确定其响应周期为5ms, 响应周期由RT -Linux的软件定时器产生, 根据RT -Linux系统的实时多任务调度机制,PLC控制任务的实时性是可以保证的。在实际应用中也得到验证。
嵌入式PLC的实时任务模块数据通讯
完成数控系统PLC控制的两个实时任务之间由于需要输入输出的数据量(一般情况下为64 输入,64输出,但输入输出根据需要还可以扩展) 不太大,采用共享内存的通讯方式, 在适配卡输入输出和PLC控制两个实时任务之间开两块共享内存,一块用于适配卡向PLC控制传输I/O 口状态信息, 另一块用于PLC控制向适配卡输入输出任务传输经PLC逻辑处理后的控制信息。
在这里, 两个实时任务间不采用RT - FIFO进行通讯的原因在于这两个实时任务间通讯的数据量不是很大,而这两个实时任务运行周期差别较大, 采用RT - FIFO传输数据, 为了避免FIFO的阻塞, 相应地要增加两个任务间的协调机制,这样的通讯效果未必比采用共享内存好, 共享内存的读写速度比FIFO相对较快。
嵌入式PLC的实时任务的实现
适配卡输入输出为动态可加载模块, 适配卡输入输出模块(任务)以100μs为周期的硬件定时中断,完成各轴位置控制指令和I/O的输出、各轴位置反馈值和I/O的输入,适配卡输出值来自于位置伺服任务和PLC控制任务, 输入值来自于适配卡的输入接口。PLC控制模块(任务) 同样也是一个动态可加载模块,它以5ms的软定时, 周期性地从它与总控模块通讯的RT - FIFO读取控制信息(如M指令, S指令及T指令) ,从它与适配卡输入输出模块通讯的共享内存中读取I/O信息, 进行逻辑处理,后将结果写入共享内存供适配卡输入输出模块读取并输出。
结论
目前该嵌入式PLC模块已成功应用于清华大学精仪系制造工程研究所THHP - III数控系统(基于RedHatLinux8.0 +RTL inux3.1) 中, 该模块可以满足对普通数控系统和加工中心PLC控制要求
1 引言
近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶。PLC作为一个新兴的工业控制器，以其体积小,功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
作为国内大的印刷机生产厂家---北人集团公司，为了使产品性能稳定，易于维护，我们采用了以PLC为主控器的控制方案。由于双色印刷机要求易于操作，精度高，故其输入，输出点较多，采用了双机通讯。上位机采用三菱FX2N-80MR+32EX+4D/A，主要负责主传动的控制，各机组离合压的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR+4A/D,主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次，受到用户好评。
2 系统结构
其中，上位机与下位机采用了RS485通讯，通讯方便，可靠。对多色机而言，安全因素很重要。在设计中，每个机组既要考虑到安全控制，其中包括本位机组的急停，安全按钮;还要考虑方便操作，包括每个机组均应有正点，反点按钮。一方面输入点增加很多;另一方面，走线也很不方便。采用双机通讯，可以很好地解决此问题，各机组的走线可以按照就近原则，进入离它较近的控制柜内，既节省了走线，也方便了控制。
由于印刷机是一个精度较高的机械，印刷品的好坏一方面在于机械加工以及安装的精度，另一方面，也取决于水路，墨路的平衡以及合压的准确性。双色机的每一色组，都有水路和墨路装置。为了便于水辊速度的调节，每根水辊都用一个变频器控制，主电机速度也需要变频器调节。为了实现多路速度调节，我们采用了三菱4D/A数模转换器，它将PLC方给出的数字量，根据相应的算法，转换成0~10V直流电压输出，很好地实现了多路速度调节要求。
在印刷过程中，调版是一个比较繁琐的过程。尤其对多色机来说，各组版对正的精度会对印品产生很大的影响。如果套印不准，印刷品就会出现字面重叠或影像不清。一般来说，印版轴向调节范围为-2mm~+2mm,周向调节范围为-1mm~+1mm。如果使用手动调版，会浪费很多时间，精度不高。为了实现自动打版，我们在版辊上安装了电位器，通过电位器将模拟量传送给4A/D，经过PLC处理，可将版辊的转动精度很好地控制在打版范围内。
触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境。用户可以自由地组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率。但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动。使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值。三菱触摸屏和三菱PLC有很好的通用性，能在线监视并修改程序，不必很麻烦的重复插拔接口。
3 软件设计
3.1给纸设计
印刷机整体的电气设计还是比较复杂的，对时间的要求也很严格。
在机器的很多地方装有接近开关，用来检测不同的时间点。在印刷过程中，走纸的好坏是影响机器质量的一个重要环节。所谓纸走的好坏，指的是无歪张，双张等现象，如果有歪张，双张现象，在高速情况下，就会将走坏的纸，卷入机器内，从而破坏胶皮，给用户带来很大损失。此过程流程如下：在实验中，我们发现，按照上述流程编制的程序，在低速没有问题，但速度增高至7000r/h后，就会出现歪张锁不住现象。究其原因，主要是因为光头反应时间和磁铁动作时间滞后造成。程序在执行过程中，采用循环扫描方式，为了让电磁铁输出提前，在设计中，我采用了中断和三菱编程指令的输入输出刷新指令，使电磁铁输出立即执行，提前了电磁铁动作时间，在12000r/h的速度下，也能很好的锁住有故障的纸张，解决了给纸的一大难题。
3.2离合压设计
离压，合压在印刷中具有很重要的作用。离合压的准确性，对印品质量的好坏有着直接的影响。合压过早，会弄脏压印辊筒，给操作带来很多不便;离压过早，会使后一张纸印不上完整的图案，造成纸张浪费。
印刷时，版辊筒与胶皮辊筒先合压，胶皮辊筒与压印辊筒后合压。在我们的机器中，合压全部采用了气动装置，每个气缸都有一个动作时间。由于印刷速度是多段速，在3000~12000r/h之间，根据用户需要可选择不同的速度。气缸动作时间是一定的，齿轮转过角度是一定的，机器速度不合压时间也不同。为了解决此问题，我们根据理论计算值，找出对于不同机器速度时，机器的延时时间。采用比较指令，当机器段速与理论值相等时，延时相应的时间，使压印辊筒与胶皮辊筒准确合压。经过多次试验，离压，合压都没有问题。
3.3人机界面设计
在人机界面中，设计了7幅画面，包括整体图形，故障显示，机器速度和计数显示，水辊速度显示，调版监控等。故障显示使用指示器，给出位元件即可实现闪动效果，让操作者很方便的知道故障部位，整体感很好。在水辊速度显示中，设计了一个柱状图，可以显示水量增加大小，只需按下柱状图，就可增加水量，也可方便监控。
4.结束语
印刷机的一套电气设计属于系统设计，包括硬件，软件设计，涵盖范围较广。这里，我只简单介绍了其中比较重要的几部分，其它细节还有很多，这里不再一一列举。使用三菱的一套控制系统，感觉可靠，方便，在机器批量生产过程中，没有发现大问题。其PLC功能齐全，可靠耐用，指令简洁，与其他产品相比，感觉三菱整体软件系统界面都比较友好，给用户编程，维修都带来极大方便。其触摸屏与PLC有很好的通用性，可通过触摸屏]监视并修改程序，这是其它产品所不能匹及的。三菱的工控元件给设计人员和用户都带来了很多方便。
0 引言
组合机床是针对某些特定工件,按特定工序进行批量加工的专用设备。随着PLC的广泛应用和机床电控技术的不断发展,利用PLC实现对组合机床的自动控制,无疑是今后的发展方向,而针对这种控制的PLC程序设计也显得尤为重要。这种控制属于顺序逻辑控制,有多种编程方法与语言可供选择,编程中也有一些技巧与规律可循。下面较为详细的介绍一组合机床自动控制的PLC程序设计实例。
1 实例工作过程及程序设计思路
本文给出的实例是一台立卧三面镗床,有右头、左头及上头三个工作头,有自动循环(三头加工)和单头调整四种不同工况。三头加工时,一个自动工作循环过程如图1所示。其特点是多头加工和多工步,体现在控制要求上是:工步之间转换条件较复杂,存在并行同步问题,记忆、连锁等问题也较多。鉴于此,应采用顺序功能流程图的程序设计方法:根据对工作过程的分析对各步、转换条件及路径进行全面定义,确定各步的动作,按照控制要求,运用指令对各步和转换进行编程。
步的定义可由顺序功能流程图描述,图2所示为本例主功能流程图。它从功能入手,以功能为主线,将生产过程分解为若干个独立的连续阶段(步)。
分解的各步可以是一个实际的顺序步,例如步1,对应的动作是起动主泵电机,也可以是生产过程的一个阶段,例如步2为自动工作过程,其功能流程图见图3。
从这两个功能流程图可以看到,它将各步的操作、转换条件以及步的推进过程简单明了地显示出来了,并体现出了具有单序列、选择序列、并行序列几种基本结构。例如步25至步27是单序列,实现了多工序的顺序工作;步12、步13、步14及步15构成了四分支选择序列结构,可实现三头加工、右头调整、上头调整、左头调整四种工况的选择;而步28至步30、步31至步34、步35至步38则形成了三个并行的分支,实现的是三头加工过程;步21、步22与步23、步24间也是并行关系,实现了工件上位降中位与主轴定位两个工序并行工作。该两个并行的过程间有同步问题,即步21(工件上位降中位)与步23 (主轴定位)开始,但不结束,需要用并行序列的合并来同步(等待两个动作均结束),使之转入步25。三头加工时也有此问题。在顺序功能流程图的描述中,注意要说明各步间的转换条件、各步对应的命令与动作及相应运行状态。
2 程序实现方法
的第二步则需要用某种编程语言的指令对上述功能流程图进行编程,以实现其中的功能和操作。
目前已有提供直接功能流程图编程的PLC,但对于不具有该编程语言的PLC,可采用仿功能流程图编程的方法,这里所说的是采用梯形图、指令表等常见的编程语言实现编程的方法。根据功能流程图的描述,可将该复杂的结构分解为单序列、选择序列、并行序列几种基本环节,找出这些基本环节各自的规律、编程规则,化整为零分块编程。这样程序为结构化模块形式,编程的思路更清楚,程序设计更为规范。各种基本环节的程序实现可采用通用逻辑指令、置位与复位指令或移位寄存器,这几种实现方法有一个共性就是要考虑如何激活一步、保持该步、又如何停止一步,如果用步进指令来实现,这些问题就无需考虑,程序也简洁的多。下面给出运用步进指令实现的对图2、图3的编程,并就关键问题进行分析。
图4为主功能流程图的梯形图,图5为自动工作功能流程图的梯形图(只给出了一部分)。先看步25到步27的单序列,其各步的控制规律为:若某步为活动时,则当它与下步间的转换条件一旦成立,该步即变为非活动步,而下一步成为活动步。当步为活动时,相应的动作和命令才执行,非活动步相应的动作和命令不被执行。这样步25是活动步时,会发右头快进指令(使Y442得电),直到快进到位(行程开关SQ4受压,转换条件X412满足) ,步25成为非活动步,右头停止快进(使Y442失电),步26成为活动步,工件开始从中位降下位(使Y447、Y552得电)??。选择序列各步的控制规律为:分支时,若一个前级步是活动的,则当它与多个选择后续步之间的哪个转换条件满足,哪个后续步就成为活动步,而前级步成为非活动步。合并时,若多个选择前级步之一是活动的,当该活动步与一个后续步之间的转换条件满足,则后续步就成为活动步,前级步成为非活动步。实例中步11为活动步时,四个分支的转换条件哪个成立则哪个分支步就会成为活动步。如果按动自动加工起动按钮,使转换条件X403满足,则会进入步12,开始自动加工过程,直到转换条件X424满足,分支合并循环到初始步,开始一个新的轮回。按照控制要求,整个加工过程中主泵电机需要一直处于运转状态,在步11中使用了置位Y430指令,而在步11成为非活动步后,Y430并不失电。并行序列各步的控制规律为:分支时,若一个前级步是活动的,则当转换条件满足,则多个并行的后续步成为活动步,而前级步成为非活动步。合并时,若多个并行的前级步均是活动的,当转换条件满足,则一个后续步成为活动步,多个并行的前级步同步成为非活动的。实例中步20为活动步时,执行装件指令,装件完毕,转换条件X425满足,步21、步23成为活动步,即停止装件,开始工件上位降中位和主轴定位动作。由于这两个动作不结束,插入了两个没有动作和命令的空步——步22、步24(梯形图中相应的步进接点没有连接输出继电器),用于分别停止两个前级步,结束相应的动作,并等待两个动作均停止的时刻,一旦时刻来到(条件X410·X427满足),两并行步合并转换到步25。三头加工时,也有类似的同步问题,在此不再赘述。
3 结束语
通过本PLC程序设计实例可以看出,采用顺序功能流程图的程序设计方法有以下优点:a.功能流程图与生产过程结合紧密,设计思路明确,系统操作含义清晰,有利于工艺和自控技术、设计人员的思想沟通;b.功能流程图可以向设计者提供规律的控制问题描述方法,就易于得到相应的编程方式,易于设计出任意复杂的控制程序,并使编程更趋于规范化、标准化。
PLC英文全称Programmable Logic Controller,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:
「可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。」
近日，台达集团宣布即将推出PNP输出机型DVP12SS211S可编程控制器，这标志着台达DVP-SS2系列第二代超薄型主机再添新成员，其产品线也愈加丰富齐全。作为台达集团的新力作，DVP12SS211S除继承了DVP-SS2系列产品主机体积小、指令丰富、控制等优势外，更在宽温控制，智能模拟以及耐振动等方面有着突出的表现，是一款极具超高性价比超薄型PLC产品。
DVP-SS2系列提供12～14 点PLC 主机，具有丰富的指令集和8k steps的程序内存，可连接薄型全系列 I/O模块，具有数字输入∕输出和模拟模块（A/D、D/A 转换及温度模块）等功能，尤为值得一提的是，其大输入∕输出扩充点数竟不可思议高达480 点，这是也该款产品大亮点之一。
DVP12SS211S通过了UL508、European community EMC Directive 89/336/EECand Low Voltage、Directive73/23/EEC等认证，在耐振动／冲击方面，DVP12SS211S更是通过了严格的IEC61131-2, IEC 68-2-6(TEST Fc)/IEC61131-2 & IEC 68-2-27 (TESTEa)规范。严格的标准必定带来高质量的产品，DVP12SS211S在宽温控制上表现优异，其操作环境为0ºC ～55ºC（温度）和50～95%（湿度），储存环境更是扩大到-25ºC ~ 70ºC（温度）和5 ~ 95%（湿度）。
与DVP-SS2系列其他产品一样，DVP12SS211S采用了免电池设计，其PLC程序与停电保持数据皆运用高速闪存储存。DVP12SS211S还具备直流输入电源极性反接保护，有效保护了产品安全，而四个10kHz的高速脉冲输出以及体积小、易安装等特点又极大满足了一些特殊行业的应用需求。
此次DVP12SS211S的上市，必将赢来市场和口碑的双丰收，其优异的性能，超高的品质和人性化的设计，也将为客户提供周到贴心的服务，更为台达的自动化梦想再奏华章！