西门子模块6ES7222-1EF22-0XA0当天发货

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1 引言
与其它工业控制系统相比，plc控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。对于那些不必采用上位机监控＋plc现场控制的简易控制系统，操作面板的完善与否直接影响到整个系统的智能化程度高低。对小型控制系统而言，在满足功能的前提下，高性价比一直是设计人员追求的目标，若采用触摸屏(如siemens的tp270)＋组态软件(如protool)的方式组成人机界面，势必使整个系统的性价比大为降低，因此，提出基于plc的矩阵式键盘设计方案具有较大的实际意义。

2矩阵式键盘工作原理
矩阵式键盘是相对于独立式键盘而言的，也叫行列式键盘，是当键数较多时为节省i/o点而采取的一种结构。在微机系统中，矩阵式键盘的构成方式如图1所示。

图1 矩阵式键盘结构图

首先，判断整个键盘上有无键按下。方法是:将列全输出为0，然后读入行的状态，如果行读入的状态全为1，则无键按下，不全为1则有键按下。
其次，若有键按下则逐列扫描。方法是:依次将列线送低电平0，检查对应行线的状态;若行线全为1，则按键不在此列;若不全为1，则按键必在此列，且是与0电平行线相交的那个键。后，确定键值，并进入键处理程序。

3 矩阵式键盘硬件设计
在plc系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解plci/o口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以s7-200的dc输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。
3.1 输入模块
如图2所示，为plc的dc输入模块，其中，k1-输入开关;m-公共端;i0.0-输入点;r1、r2的典型值为5.6k、1k。

图2 直流输入模块电路图

工作原理:若输入开关k1闭合，则输入信号经rc滤波和光电隔离后，转换为plc的cpu所需的电平(一般为5v)，再经过输入选择器与cpu的总线相连，从而将外部输入开关的“on”状态输入到plc内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“off”状态。
3.2 输出模块
如图3所示，为plc的dc输出模块，其中，l+接dc24v;q0.0-输出点。

图3 直流输出模块电路图

工作原理:若用户程序将输出置为“on”状态，则在刷新输出阶段cpu将“on”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将dc24v和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“off”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。

3.3 键盘的硬件设计
由以上分析可知:plc的i/o口内部电路与一般的计算机系统(如单片机系统)有较大的不同，这就决定了在plc系统中设计矩阵式键盘也有其特殊性。首先，由于输入模块中有rc滤波电路，其滤波延迟时间可以通过编程软件设置，即其本身存在硬件消抖动的功能，因此不再需要软件延时消抖动;其次，由于用到了plc的输出口，它本身可以输出对m端有dc24v的电压，因此不再需要外接电源;后，由于plc的输入口有6k左右的输入电阻，因此可以将dc24v的电压直接加上，若为了延长i/o口的使用寿命，一般按照输入模块的技术指标来配置限流电阻，经查阅输入电流的典型值为4ma，一般取r1=r2=r3=0.5k即可。如图4所示为3行3列矩阵式键盘的结构图。

图4 3×3键盘结构图

4矩阵式键盘软件设计
4.1 plc的扫描工作方式
当plc处于“run”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“plc的扫描工作方式”，其执行流程如图5所示:

图5 plc的扫描工作流程

在设计键盘时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段:
(1)输入采样阶段，cpu将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变;
(2) 程序执行阶段，cpu按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内;
(3) 输出刷新阶段，在程序执行完后，cpu将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。
4.2 键盘的软件设计
矩阵式键盘的软件设计相对较为复杂，但无非是实现微机系统中所描述的键盘扫描程序的四个功能:
(1) 判断有无键按下;
(2) 去机械抖动;
(3) 求按下的键号;
(4) 键闭合一次仅进行一次键功能操作。
4.3 键盘设定及程序设计
再结合微机系统中矩阵键盘的原理，设计3×3矩阵式键盘，特做如下设定:
(1) 设定0～8号键分别与m0.0～m1.0对应，键按下，对应的位存储点为“1”，键松开则为“0”;
(2)设定i0.0、i0.1、i0.2对应键盘的第0列、第1列、第2列，q0.0、q0.1、q0.2对应键盘的第0行、第1行、第2行，m1.1为“有键按下”标志位;
(3) 按图4所示的方式构成3行3列矩阵式键盘，流程图如图6。

图6 键盘程序流程图

为增强程序的可读性，利用step7-micro/winv4.0编程软件，用符号地址替代地址，编制3×3键盘的stl程序如下所示。
network 1 判断有无键按下
ldn 有键按下
s 第0行, 3 https://全行扫描
ld 第0列
o 第1列
o 第2列 https://全列读入
an 有键按下
s 有键按下, 1 https://有键按下，置标志位
jmp 0
ldn 有键按下
movw 0, mw0 https://无键按下，清零跳出
jmp 9
network 2 散转程序
ld 有键按下
a 第0行
jmp 10 https://跳至第0行
ld 有键按下
a 第1行
jmp 11 https://跳至第1行
ld 有键按下
a 第2行
jmp 12 https://跳至第2行
network 3 逐行扫描
lbl 0 https://第0行处理
ld 有键按下
ri 第0行, 3
si 第0行, 1 https://立即置位q0.0
jmp 9
lbl 10
ld 第0列
= key_0 https://0键
jmp 9
ld 第1列
= key_1 https://1键
jmp 9
ld 第2列
= key_2 https://2键
jmp 9
lbl 1 https://第1行处理
ld 有键按下
ri 第0行, 3
si 第1行, 1 https://立即置位q0.1
jmp 9
lbl 11
ld 第0列
= key_3 https://3键
jmp 9
ld 第1列
= key_4 https://4键
jmp 9
ld 第2列
= key_5 https://5键
jmp 9
lbl 2 https://第2行处理
ld 有键按下
ri 第0行, 3
si 第2行, 1 https://立即置位q0.2
jmp 9
lbl 12
ld 第0列
= key_6 https://6键
jmp 9
ld 第1列
= key_7 https://7键
jmp 9
ld 第2列
= key_8 https://8键
jmp 9
ld 有键按下
r 有键按下, 1
https://无键按下，清标志位
network 4 软件延时
lbl 9
ld 有键按下 https://有键按下才延时
for vw0, 1, 500
nop 0
next
4.4 程序的说明
(1)程序采用了立即置位、复位指令si和ri，是为了更及时的置位复位输出点，使程序的执行不受扫描周期的影响，也可用字节立即写指令mov_biw来实现，但应该考虑对其它未用点的影响。
(2) 程序的后采用了软件延时，是为了解决程序指令执行时间与输入输出滞后时间的不匹配。利用编程软件step7-micro/winv4.0中的system block下的bbbbbfilters选项可以设置输入滤波时间，默认为6.4ms，减少滤波时间可以相应的减少软件延时次数，但若滤波时间太小又达不到消抖动的目的。
(3)程序中没有考虑多键同时按下的问题，在现有的程序中，若不同行有多个键按下，均以先按下的那个键为准进行响应，但若同一行上有多个键按下，则又分要几种情况，因此在应用时，应加强对按键的限制条件，避免由于误操作而造成生产设备的损坏。
(4)程序中对每个按钮的响应均是按下该键，则对应的存储位为“1”，放开该键，则为“0”，没有其它较为智能的功能。若键盘中有“加速”、“减速”等类似键时，往往希望有连续加减的功能，即按下“加速”一定时间后(如500ms)，按照每规定时间(如100ms)增加一个单位的速度值，此时可以利用两个定时器实现，其stl程序如下。
ld 加速
ton t37, 5
ld 加速
eu
= 加速上升沿
ld t37
an 每100ms通电一次
ton t38, 1
ld t38
= 每100ms通电一次
ld 每100ms通电一次
o 加速上升沿
eu
+i 1, 速度存储值

5结束语
本文提出了在plc系统中设计矩阵式键盘的一般方法并给出了3×3键盘的硬件连线图和stl程序。在键数较多时，矩阵式键盘可以大大节省plc的i/o点数，但程序设计的复杂度也随之增加，因此使用时应在系统的硬件成本和实时性之间加以均衡考虑。此外，本文的设计思路具有通用性，只需稍加变动，就可移植到其它品牌的plc中。文中的stl程序均已通过s7-200的编程软件step7-micro/winv4.0在cpu226 dc/dc/dc上调试通过，说明了本文设计方法的可行性。

 、前言

　　随着科学技术的发展及制造技术的进步，社会对产品多样化的需求越来越强烈，产品的更新换代周期也越来越短，中小批量生产的比重明显增加，从而对制造设备提出了更高的要求。为满足市场的需要，要求制造设备具有高效率、高质量、高柔性及低成本的性能，数控机床作为一种自动化的加工设备而被广泛采用。同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也必将成为柔性制造单元（fmc）、柔性制造系统（fms）以及计算机集成制造系统（cims）的基础装备。计算机数控系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备，己成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。

　　plc（programmable logiccontroller）可编程逻辑控制器是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。plc作为计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品，也是开放式数控系统中不可缺少的重要组成部分。它在处理开关量的控制问题时起着重要作用。现代先进的数控机床一般可分为机床床体（mt）、nc和plc三部分。数控机床中nc和plc协调配合共同完成对数控机床的控制，其中nc主要完成管理调度及轨迹控制等“数字控制”工作，plc主要完成与逻辑有关的一些动作，如刀具的更换、工件的夹紧及冷却液润滑液的开停。plc技术在各种工业过程控制、生产自动线控制中得到极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。

　　在数控机床上有两类控制信息:一类是控制机床进给运动坐标轴的位置信息，如数控机床工作台的前、后、左、右移动;主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。这些控制是用插补计算出的理论位置与实际反馈位置比较后得到的差值，对伺服进给电机进行控制而实现的。这种控制的核心作用就是保证实现加工零件的轮廓轨迹，除点位加工外，各个轴的运动之间随时随刻都必须保持严格的比例关系。这类数字信息是由cnc系统（专用计算机）进行处理的，即“数字控制”。另一类是数控机床运行过程中，以cnc系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号的状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴的开停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系系统的运行控制。这一类控制信息主要是开关量信号的顺序控制，一般由plc来完成。

2、精密切割数控机床的功能分析

　　精密切割数控机床是通过数控系统以数字方式控制刀具的运动以实现对工件的切削，在编写数控车削加工程序时，并不考虑刀具。在加工前，用户必须将刀具的x轴补偿量、z轴补偿量、刀尖圆弧半径、刀尖形式共四种补偿参数输入数控系统，由数控系统根据程序，进行补偿运算。这四种参数中，刀尖形式按数控系统的规定予以确认，刀尖圆弧半径可由r规测量，而刀具的x,z轴补偿量的测量则相对困难一些，使用自动对刀仪能很好地解决这个问题，为此，数控机床及加工中心大多配置了各种不同类型的对刀装置，如机外对刀仪、机内光学对刀仪、接触式自动对刀装置等。由于车削中心对一般的数控车床刀具夹持标准化程度不高，因此采用机外对刀仪的对刀精度相对较低，而且专用机外对刀仪成本较高，操作复杂，需要专门的操作空间，所以实用性较差。而采用机内接触式自动对刀装置无疑是一种简便、快捷的对刀方法，它能方便地自动测量刀具的固定刀补值，大大减少对刀时间，提高机床的加工效率。所以本文旨在设计一种机内接触式的数控车床，实现数控车削前的精密对刀，提高生产率，降低加工成本。需要解决的问题主要有以下方面:自动对刀仪需有高精度的电子测头（传感器），能够准确在触发点触发，有较快的反映时间;对刀仪的测头与刀尖刚性接触，需加缓冲装置，对测头表面保护，压力需控制在1～10mpa左右，这样才不会对传感器的测头造成损坏，形成凹坑;系统能利用机床本身的位置测量装置进行测量，通过对不同刀尖触发点坐标（x,z）的记录，可以方便地得到一组坐标值，分析计算后便可确定各刀刀补值;安装和固定对刀仪的装置（联接臂）应达到相应精度要求，满足平行度与垂直度要求，且要有较好的刚度和易操作性。

3、精密切割数控机床总体设计

　　对精密切割的功能，主要需保证刀具切割精度，因此要求对数据机床的主要部件一一传感器的精度得到保证，传感器的作用是感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息，将被测量（刀尖位置这个物理量）按照一定的规律转换成可用输出信号（电流、电压）表示的物理量。精密切割的数控机床传感器由以下几部分组成：

图一：数控机床传感器组成

　　在本文中，传感器的选用应有相当的精度，完成以下功能:1）、实现对x轴和z轴两个方向的传感，对刀仪要得到x轴和z轴的坐标值，必须使不同刀具在相同的点触发传感器，进而运用机床数控系统的功能再结合编程实现该点坐标值的获取。实际上传感器要完成的功能是一个开关量，不同的刀具在相同点触发即可。2）、由于刀具偏角的不同，传感器不能做成x轴向和z轴向相互垂直的两对传感器，这样对z向坐标的时候，得到的刀尖点可能不是真实的刀尖点坐标。

　　本文采用的是机械式开关传感器，用机械触发的方式得到一个开关量的输出，当刀尖与传感器触发并行进到预设位置时，电路接通得到触发信号。机械式传感器相对来说精度是差一些，但只要设计合理，也能将误差控制在合理的范围内。另一方面，可自行设计以兼顾刀具刀偏角的不同和传感器的大小及联接方式。此种传感器简单适用，成本较低，具有很大的市场推广价值。

4、plc与数控系统编程

　　num1020/1040数控系统是num于1995年开发出的全新数控系统，是紧凑且功能完善的32位数控系统，并且和num1060系列系统完全兼容。它特别适合于1～6轴的数控机床，其硬件特点如下：采用cisc（超大规模集成电路）技术的gsp主板;主板上连接可插接（分离的）小模板，由于考虑到数控系统和系统外部的联系，num把和外界联系的功能模块制造成可插接小模块，便于用户将来的维护。具体分为轴模块、显示模块和通讯模块;num1020/1040采用+24vdc为其电源输入，由于数控系统是弱电电路，采用+24vdc为电源输入，可以大大降低其热源和不稳定因素的影响。用户可以把+24vdc稳压电源放在电气柜内，大大提高了整个数控系统的可靠性;plc功能的内部集成，plc功能的内部集成化，提高了plc和cnc的内部通讯能力，增强了数控机床的逻辑控制;plc的32输入和24输出模块，num的32输入和24输出模块可以和外围的电路相连接，而这种模块通过num提供的电缆和num数控系统连接，提高了整个机床的可靠性。（如果有问题，只能损坏这种模块，不会对数控系统造成损坏）;光纤技术的通讯，plc输入输出点的扩展，通过光纤进行连接，简化了线路的连接;轴转接模块，机床的编码器和到伺服的线路可以直接联到此模块上，并通过它和数控系统的轴板进行连接，提高了数控系统的可靠性。另外，num的轴连接和其它数控系统不同，num的轴模块连接此轴的所有信息（如编码器、速度信号、回零开关）。如果机床的轴有问题，可以直接把轴模块上的插头相对换，就能很快地查出问题所在（系统内部或外部）;轻巧实用的紧凑型操作面板。其上显示器和计算机的crt有可兼容性，与nc相通的功能键共有47个，有6个用户自由定义键及串行通讯接口，可以连接pc的键盘（直接插拔）。

　　按照设计要求，当传感器检测到信号时，数控系统的程序并未监控，此时是不能记录刀尖坐标值进行数据处理的。必须先使进给电机停下来，等候操作者发出指令，然后进行下一步的操作。所以应该通过plc的控制来实现这一功能，将q001.0和q001.1两个端子分别与两两个进给电机相连，实现单独控制。其次，传感器共有四个测头，但对进给电机的控制都是一样的：任何一个传感器得到信号都必须使相应的电机同时停下来，然后进行相应的数据处理。

　　数控机床的传感器得信号后通过接口电路传给plc，plc将得到的信号通过交换区与cnc进行数据的传输，cnc将信息运算处理后再传递到plc中，plc控制x向电机和z向电机运动。数控系统与传感器的接口电路如图2所示：

　　如图所示为plc的接线示意图，将%i001.0、%i001.1、%i001.2、%i001.3四个输入口分别与四个传感器相连，然后再与com口连接。传感器得到信号后，相当于开关闭合，由原先的+24vdc电压跳变为零，从而给plc的相应的输入端口一个信号。输出口%q001.0控制x方向进给电机的使能，%q001.1控制y方向进给电机的使能。

图二 ：数控机床接口电路

　　num1060cnc是一种多功能、多处理器的系统，它提供与数控机床连接的各种自动控制功能。用梯形图语言编制的自动控制功能包括安装在机床上的传感器和执行机械以及与cnc的数据交换。自动控制功能设置在中央处理单元之中，它包括一块或多块功能卡，cnc通过它们实现图形显示，自动控制和信息存储功能。cpu与系统的数据交换可以分为二种类型：通过交换区的通讯和通过协议的通讯。

　　自动控制功能由一个监督程序进行管理，它包括处理初始化，将输入/输出点分配到不同的框架以及输人输出接口和监视器的管理等多种基本任务。监控程序与用户程序一起对系统进行整体的监督管理。用户程序是在监督程序控制下受一个20ms周期的实时时钟（rtc）支配循环运行的。

　　机床处理器的存储器空间安排如下：

　　（1） 有备份功能（掉电保持）的32k静态ram。

　　（2） 在电源接通是复位（清零）的32k动态ram。

　　（3） 机床处理器（1mb v1）的用户程序使用的180kb动态ram。

　　（3） 机床处理器（4mb v1）的用户程序使用的2.5mb动态ram。

　　（3） 机床处理器（4mb v2）的用户程序使用的3.5mb动态ram。

　　（6） ucsii模块上的用户程序使用的64kb动态ram。

　　自动控制功能如下：

　　（1） 对dacs（12位）直接存取。

　　（2） 对adcs和输入/输出点间接读和写存取，这种存取是经由虚拟存储空间（每20ms刷新）实现的。

5、创新点总结

　　本文的创新点是针对数控车床对刀具jingque切割中，对刀时间长、精度差这一问题，设计了精密切割数控车床，通过对刀尖位置的jingque捕捉运用num数控系统自身的测量装置得到了刀尖点的坐标，经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差得出并再存入数控系统，实现了自动对刀，有效地提高了对刀的效率和精度，具有可推广性。可为生产效率的提高，制造成本的降低起到积极的作用