西门子6ES7214-2AD23-0XB8参数选型
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(hardreal-timeoperatingsystem)。
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+RTLinux3.1)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。
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图9电阻负载下C处理波形
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图10C处理过程中PLC发出的逆变脉冲与输出的控制关系
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图11是同台均匀化着色电源在现场输出3000A，±30V，正向脉冲宽度为20ms，周期为200ms的C处理电压电流波形。图12是在现场输出2000A，±20V，正向脉冲宽度为20ms，周期为200ms的C处理电压电流波形。
图11现场输出3000A时的C处理波形
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图12现场输出2000A时的C处理波形
6．结论
均匀化着色电源是为了取代进口，降低成本，按照生产工艺要求国内自主研发的一种大功率电源产品。从设计之初，选用西门子的小型PLCS7-200CN来进行小于毫秒级的逆变换流控制，曾是一种大胆的设想，如今通过实践证明是可行的。在现场，均匀化着色电源完全满足生产工艺的要求，铝材着出的颜色效果与国外进口设备一致，并且均匀化着色电源选用西门子的S7-200CNPLC作为核心控制器件，运行稳定可靠，控制精度高，加之采用触摸屏显示中文界面，操作更加方便简单，受到了用户的欢迎。
1．前言
铝型材经过挤压成型之后，一般都需要经过表面工艺处理之后，才能作为成品使用。经过阳极氧化电解着色表面处理工艺的铝型材，其表面将得到一层具有良好的耐磨性、耐晒性、耐热性、耐蚀性和色泽稳定持久的氧化膜，被广泛应用在建筑和室内外装饰行业上。
在铝型材阳极氧化电解着色表面处理工艺中，有一道电解着色处理工序，是在铝型材表面阳极氧化工序之后，电泳或封孔工序之前，对需要着色的铝型材进行的一道工序，其原理是在槽体溶液中通过电化学作用使铝型材表面附着某些金属离子，从而显示出某一类的颜色来。不同的槽体溶液配置及工艺方法，铝型材电解着出的色彩效果也不一样，对所要求的着色电源提供的电流或电压的大小、波形及工作时间长短也不同。
其中有一种由日本发明的着色方法称为均匀化着色方法，可在较短的时间里得到效果好、颜色均匀的着色氧化膜。这种着色方法由于生产效率高，成品率高，已在日本广泛应用，目前在国内也正在逐步推广开来。
2．着色电源系统要求
配合均匀化着色方法的着色电源（简称均匀化着色电源）需按规定要求输出电流波形。均匀化着色电源的工作过程是：输出正向直流电流（称为P处理）一段时间
，输出频率为1～30Hz范围内特定值，正负方波占宽比为0.005～0.30内特定值的脉冲电流（称为C处理）一段时间，接着再进行一次C处理（称为C2处理）一段时间，如图1所示。在工厂生产中，C处理常用的频率为5Hz，正负方波占宽比为1:9，C2处理根据工艺的要求来选择可有可无。
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图1均匀着色电源输出波形
均匀化着色电源的主要功能要求如下：
（1）输入电压及范围：三相、频率50Hz、380V±20%；
（2）额定输出电压：±30V～±80V；
（3）额定输出电流：1000A～4000A；
（4）小输出电流：额定输出电流的10%；
（5）输出电流精度：±3%以下；
（6）输出电流纹波：7%以下（在额定电流的30%～内）；
（7）入槽静泡时间：可在10～3000s内设定；
（8）P处理时间：可在0～3000s内设定；
（9）P处理与C处理间隔时间：可在10～3000s内设定；
（10）C处理时间：可在0～3000s内设定；
（11）C处理时脉冲周期：200ms（可根据要求在20ms～300ms范围内修改）；
（12）C处理时正脉冲宽度：20ms（可根据要求在10ms～100ms范围内修改）；
（13）能满足二次C处理的要求；
（14）能满足补色（即再进行C处理）的要求；
（15）有必要的保护措施。
．着色电源系统组成及工作原理简介
为实现上述的输出波形及满足工艺要求，设计的均匀化着色电源原理如图2所示。均匀化着色电源主要由主回路和控制部分组成。
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图2均匀化着色电源原理图
3．1主回路
主回路包括进线断路器，整流变压器TM，三相全控整流桥A组、B组，电抗器，逆变部分等。整流变压器TM付边采用双绕组的形式，一组Y接法，连到一整流桥A组，另一组Δ接法，连到另一整流桥B组。整流桥各自整流后经电抗器滤波，再逆变，并联输出。
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图3逆变电路
图3是其中一组逆变部分的主电路图，如图所示，当主臂晶闸管V1、V4导通时，电流经电抗器L、主臂晶闸管V1，流向负载，从主臂晶闸管V4流回，此时负载承受的是正向电压、电流，当要使负载承受反向电压、电流时，应关掉主臂晶闸管V1、V4的控制脉冲，控制辅助晶闸管V11、V14导通，使电容C1、C2放电再反向充电，强迫关断主臂晶闸管V1、V4，接着关掉辅助晶闸管V11、V14的控制脉冲，再控制主臂晶闸管V2、V3导通，这时电流经电抗器L、主臂晶闸管V2，流向负载，从主臂晶闸管V3流回，此时负载承受的就是反向电压、电流。要使负载从承受反向电压、电流转换到承受正向电压、电流，其原理一样，先关掉主臂晶闸管V2、V3的控制脉冲，控制辅助晶闸管V12、V13导通，使电容C1、C2放电再反向充电，强迫关断主臂晶闸管V2、V3，接着关掉辅助晶闸管V12、V13控制脉冲，再控制主臂晶闸管V1、V4导通，就完成了负载从承受反向电压、电流到承受正向电压、电流的转换。主臂晶闸管和辅助晶闸管的导通是通过PLC发出的逆变脉冲来控制的，由于负载承受正向电压、电流向反向电压、电流转换，或由反向转换到正向，都是在极短的时间内完成（一般只有几百个微秒），PLC的选型和编程设计将直接关系到整个逆变部分的正常工作和输出波形的准确性。