西门子6ES7241-1AA22-0XA0使用选型

西门子6es7241-1aa22-0xa0使用选型

1 引言

　　　项目原型基于小型制袋封切机开发外销出口型新机。原制袋宽度为600-1000mm。由于该机型送料胶辊惯量较小，送料电机采用130步进电机经过减速可实现传动，使用单片机进行位置控制。新机型制袋宽度提高到1500mm，送料胶辊惯量大幅增加，考虑到既能满足精度和速度的要求又有较大的瞬间转矩，送料系统改用伺服电机。由于用plc开发周期较短而且抗干扰性、灵活性好，所以采用plc+hmi作为控制系统。同时可实现中英文操作画面，满足设备出口的要求。

2 封切机机工艺

2.1 工艺结构

　　　封切机机由机身、上下切刀、变频传动机构、上下送料胶辊、伺服传动机构、放料架、放料直流电机、可调色标检测架、可移动操作箱、电控箱等单元构成，参见图1图片。

2.2 封切机工艺过程

（1）空白定位运行方式：忽略色标信号，送料长度为设置袋长，送料完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，以等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。

（2）色标定位运行方式：送料长度为设置袋长，在此期间的色标信号忽略，继续送出偏差长度的袋料，检测色标信号，定位于色标信号，定位完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。若误检次数达到默认值，则停机并报警。

工作流程如图2所示。

3fd1500型封切机机电系统设计

3.1 传动系统设计

（1）切刀传动系统。切刀传动系统为交流变频器拖动三相异步电机，由面板电位器调速，plc控制切刀启动与停止。传动轴上安装2只霍尔开关，分别检测切刀低位和送料/切刀高位。开关1：切刀低位信号，该信号为送料停止信号。若送料时检测到切刀低位信号则表示系统超速，需报警并停机。开关2：收到切刀低位信号后的on信号为送料信号，是送料电机的启动信号；第二次on信号为切刀高位信号，是高位停机时的停机信号。

（2）送料传动系统。送料传动部分为交流伺服系统，采用同步带1：2减速传动。动力选用台达中惯量2kw伺服电机。具体型号：驱动器asd-a2023m，电机asmt20m250。

(3)控制精度计算。通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。

系统要求0.2mm定位精度，现计算得出控制精度为0.0314mm，因机械定位误差不大于0.1mm，所以：定位精度+机械误差=0.1314mm<0.2mm，定位精度满足制袋机系统要求。

（4）高脉冲输出频率计算。用户要求高送料速度为180m/min，由此可计算得出系统所要求的脉冲输出频率，以此为plc选型的重要依据。

3.2plc与hmi选型

（1）输入信号统计。在色标传感器检标时，由于袋料上所印刷的色标不同，故亮通（light on）、暗通(darkon)均有可能。无论亮通或是暗通，在检测到色标信号时都需要plc作出中断响应，所以需要把色标传感器的light on与darkon都接入plc。色标信号：2点；低位信号：1点；高位/送料信号：1点，共4点di信号。

（2）输出信号统计。脉冲输出（pulse+sign）：2点（y0，y1）；切刀动作：1点；冲孔动作：1点；蜂鸣器：1点；共5点do信号。

（3）其它功能。可输出大于系统所要求频率（95541pps）的脉冲；2点外部中断回应。

　　　基于以上考虑，plc选择dvp-20eh00t。具体功能参数为：200kpps脉冲输出，8点外部中断回应。同时与hmi通信可使用rs485连接，抗干扰能力优于一般的rs232通信方式。hmi选用台达dop-a57gstd高性价比触摸屏，通过图3可见触摸屏操作更为直观方便。大部分操作在hmi上进行，从而可减少外部按钮开关、指示灯的使用，只保留急停按钮等必要设备。

机电一体化封切机电系统原理如图4所示。

3.3plc程序设计要点

主体程序使用逻辑顺序控制，除此之外的编程重点如下：

（1）使用浮点运算。为减小计算误差，如袋长脉冲数、偏差脉冲数等重要数据的计算，均使用浮点运算。经过验证，计算误差小于0.001mm。

（2）袋长脉冲送料使用dplsr可调加减速脉冲输出指令，反复修改并验证启动频率与加减速时间设置的合理性。完成袋长脉冲之后，使能色标检测，以忽略袋料中间部分的色标误检。检测到色标时，响应外部中断，执行中断程序置位m1334以停止ch0脉冲输出。可设置亮通（lighton）中断或是暗通（dark on）中断。精简中断程序的内容，尽量减少中断对扫描周期的影响。

4 结束语

　　　fd1500型制袋封切机的性能虽已达到初的设计目标(在袋长为1000mm时，制袋速度：60个/分)，但plc脉冲输出频率尚有较大余量可用。使用标准100mm直径胶辊时，可改变伺服电机电子齿轮比，在保证控制精度的前提下，更进一步加大plc脉冲输出频率的余量。以上有利因素均为fd1500型制袋机提高加工速度奠定了良好的基础。二次开发时，加大减速比至1：3，将突破伺服负载/电机转子惯量比过大这一限速瓶颈，终提高生产效率。

　　目前绝大多数的自动在线分析仪器，仍是用电脑、程序控制各种电动泵、阀、气泵，模拟人的各步操作进行分析的间歇式分析仪器，这类仪器的优点是因其是模拟手工法，故和手工法分析的结果有较好的一致性。其缺点是结构复杂、故障率高。国内某环保仪器厂商的codcr在线分析仪使用了trustplccts7-200系列高性能小型plc代替单板机和工控机，大大降低了仪器控制系统故障率，并且使仪器具有极强的抗干扰性及抗雷电能力；使用工业触摸屏代替按键开关,使用户界面更加友好,同时还克服了按键开关易接触不良的缺陷。使得仪器的可靠性、抗干扰性更符合。该分析仪对自来水、江河湖泊水、工业污水以及水处理前高浓度废水等进行直接测量。可广泛应用于环境监测站、污水处理厂、自来水厂、排污监控点、水质分析室以及各级环境监管机构对水环境中cod的测量分析。

　　化学需氧量 (chemical oxygendemand，简称cod)，是指在强酸并加热条件下，用zhonggesuanjia作为氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧的mg／l来表示。化学需氧量反映了水中受还原性物质污染的程度，水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很普遍的，因此化学需氧量也作为有机物相对含量的指标之一，但只能反映能被氧化的有机污染，不能反映多环芳烃、pcb，二恶英类等的污染状况。化学耗氧量（cod）这个指标是为了了解水中的污染物将要消耗多少氧,是我国实施排放总量控制的指标之一。

　　流动注射分析（flow injectionanalysis,简称fia）是基于把一定体积的液体样本通过阀切入到一个运动着的由适当液体组成的连续载流中，被注入的样本形成了一个带，并被载带到一个检测器中，样本流过检测器的流通池时，其吸光度、电极电位或其它物理特性连续地发生变化，并被记录。典型的fia仪是由以下几部分组成（如下图所示）：

a) 泵：用于驱动载流通过细管。
b) 采样阀：可重现地将一定体积的样本溶液注入载流。
c) 微型反应器：样本带在其中分散并与载流中的组分反应，成为流通检测器所响应的产物。
d) 检测器：检测流体的吸光度、电极电位或其它物理特性并记录。

　　该cod在线自动监测仪正是应用fia原理工作的，系统图如下:

　　载流液从专用载流液瓶中被恒流泵吸入，经泵加压，进入单向阀（v3），然后进入注样阀（v4）。

载流液→采样环→恒温反应器→冷却箱→流通池→背压管→废液瓶

水样→潜水泵→能差分离器→自动清洗ls环，并使水样充满ls环→喷射泵

水样→潜水泵→自动留样器→喷射泵

　　co-trust trustplcctsc-200系列plc具有运算速度快、测量稳定、支持ppi通信等优点，系统采用ppi协议用于hmi与plc间进行数据交换，通信速度很快。控制系统设备如下图所示：

　　该分析仪与传统的cod测量仪器相比有如下特点：

在线测量快速、jingque可靠，高重现性，测量范围宽，运行经济等。

操作方便、简单,易维护。

具有完善的报警功能（如：液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尽、高/低浓度、断电等）

 引言

　　　随着自动化设备对控制的高精度、高响应性需求的不断增加，自动化控制技术不断提高，jingque的高速定位控制得到广泛应用，plc这一工业控制产品也从早期的逻辑控制领域不断扩展到运动控制领域，实现了以往plc无法完成的运动控制功能。

　　　在运动控制中大多数采用我们熟悉的数控系统或者是计算机运动板卡来完成，虽然作为专门的产品能够实现复杂的运动轨迹控制，但同时要完成一些逻辑动作的控制就不如plc灵活方便。台达dvp20pm系列plc高速定位、双轴线性及圆弧插补多功能可编程控制器，结合了plc逻辑动作控制和数控系统运动控制的各自优点，在功能上满足双轴插补的高速定位需求。

2台达运动控制型plc硬件结构

　　　dvp20pm是台达运动控制型plc。dvp20pm通过前后两个扩展口既可作为plc主机执行也可作为eh2型主机的扩展模块使用，具有x0-x7、y0-y7数字量输入输出各八点，并配置了手摇轮、零点信号、原点信号、极限信号、启动、停止等各种信号接口满足应用需求。

　　　dvp20pm主机包含64k超大程序容量内存（flash），可支持100段运动程序，脉冲输出高可达500khz，并具备电子原点返回模式，支持plc顺序语言及定位语言(g码与m码），下面先由硬件部分简单介绍20pm 组成。

2.1 电源

dvp20pm电源规格参见表1。

表1 电源规格

2.2i/o点规格

　　　参见图1，dvp20pm提供的数字量输入输出点规格与台达通用plc规格基本相同，输入点支持sink（漏极）和source（源极）两种方式，输出点也有继电器输出和晶体管输出可选。

图1

需要提到的是其在运动控制中的特殊输入输出点，简述如下：

start0、start1：启动输入

stop0、stop1：停止输入

lsp0/lsn0、lsp1/lsn1：右极限输入/左极限输入

a0+、a0-、a1+、a1-：手摇轮a相脉波输入+,-（差动信号输入）

b0+、b0-、b1+、b1-：手摇轮b相脉波输入+,-（差动信号输入）

pg0+、pg0-、pg1+、pg1-：零点讯号输入+,- (差动信号输入)

dog0、dog1：原点回归的近点信号输入或多段运动的启动信号

clr0+、clr0-、clr1+、clr1-：清除信号（servo驱动器内部偏差计数器清除信号）

fp0+、fp0-、fp1+、fp1-：脉冲输出端口

rp0+、rp0-、rp1+、rp1-：脉冲输出端口

（注：0表示轴，1表示第二轴，如start0表示启动轴，start1表示启动第二轴，其他信号依次类推）

　　　从端子分布可以看到，除了常用的极限和启动停止信号外，配置了过零脉冲pg和手摇轮功能输入端，手摇轮是机床应用中常用而必备功能，而利用过零信号在jingque控制场合往往会用到，当然更不用说定位控制中都会用到的dog原点信号。

2.3配线规格

　　　一般i/o点配线就不再赘言了，可以关注一下plc比较少用到的差分输入输出方式，在信号中有一部分是这样的，一定要注意否则将不能正确完成，参见图2、图3。

图2差分输入配线示意图

图3差分输出配线示意图

3台达运动控制型plc软件结构

3.1dvp20pm程序结构

　　　由于20pm主机结合了plc顺序逻辑控制及双轴插补定位控制的功能，因此在程序架构上主要分为o100主程序、ox运动子程序及pn子程序等三大类，结合了基本指令、应用指令、运动指令及gcode指令，使程序设计更多元化，结构更清晰；程序采用pmsoft软件进行编辑，参见图4。

图4 程序设计界面

（1）主程序。主程序以o100作为起始标记，m102作为结束标记，是plc顺序控制程序，主要为控制主机动作执行，在o100主程序区域中，可以使用基本指令及应用指令，或在程序中启动ox0~ox99运动子程序及调用pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及运动子程序的设定及启动控制。

（2）运动子程序。ox0～ox99运动子程序为运动控制程序，主要为控制20pm系列主机进行x-y轴双轴运动之子程序，于ox0～ox99运动子程序区段中，有支持基本指令、应用指令、运动指令及g码指令，并在程序中可规划呼叫pn指针子程序，通过plc提供的内部特d特m进行子程序的控制。主要提供运动子程序的建立，以及运动子程序的运动控制，在架构上可算是20pm的运动指令及g码指令规划区域。

（3）子程序。这里所说的子程序是指以pn开头的一般用子程序，主要是被o100主程序及ox运动子程序调用的子程序。如在o100主程序调用pn指针，则pn指针子程序支持基本指令及应用指令；若在ox0~ ox99运动子程序中调用pn指针时，则pn指针子程序区段可支持基本指令、应用指令、运动指令及g码指令。

3.2pmsoft软件介绍

　　　与台达plc的wplsoft软件相似，dvp20pm的编程软件pmsoft按照iec61131标准设计，具有梯形图和语句表两种编程方式，且具有g码汇入、错误提示、区段注释、装置注释、标尺、完善的监控窗口、运动指令追踪等便利工具提供给用户，特别值得一提的是该软件具有运动轨迹仿真功能，当您编辑好程序后可利用此功能对加工轨迹进行模拟演示，参见图5。

　　　为方便切换阶梯窗口，只要点选系统信息列中的树枝状对应的程序编号，自动切换对应的程序编辑窗口，在pmsoft编辑环境中同时只能有一个阶梯图窗口，这是为了在庞大复杂程序中找寻程序方便，同时将主程序、运动子程序、一般子程序这三种程序模块化处理，o100主程序只有一个编辑窗口，oxn运动程序有100个编辑窗口，pm子程序有256个编辑窗口，总共有357个窗口，每个窗口未编辑都有10network。程序编辑由网络区段组成，每个网络区段是由输入与输出编辑区域所组成，在编辑过程中，自动产生逻辑结构正确的阶梯图，使用者无须再做额外补线的动作，网络区段编辑并具有错误提示功能。

图5 梯形图编程界面

4 运动控制编程

4.1 相关概念

　　　在谈到dvp20pm产品的应用之前，我们对以下概念进行一个简要介绍。

（1）插补。插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。从而为轨迹控制的每一步提供逼近目标。

　　　逐点比较法是以四个象限区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点已在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其大偏差不超过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过的距离）。

（2）直线插补。这个概念一般是用在计算机图形显示,或者数控加工的近似走刀等情况下，以数控加工为例子：

　　　一个零件的轮廓往往是多种多样的，有直线，有圆弧，也有可能是任意曲线，样条线等。数控机床的刀具往往是不能以曲线的实际轮廓去走刀的，而是近似地以若干条很小的直线去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。

插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等等。

　　　所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插补了).首先假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的--这即是直线插补。

（3）联动与插补。一个点的空间位置需要三个坐标，决定空间位置需要六个坐标。

　　　一个运动控制系统可以控制的坐标的个数称做该运动控制系统的轴数。而可以同时控制运动的坐标的个数称做该运动控制系统可联动的轴数。联动各轴的运动轨迹具有一定的函数关系，例如直线，园弧，抛物线，正弦曲线。直接计算得出运动轨迹的坐标值往往要用到乘除法，高次方，无理函数，超越函数，会占用很多的cpu时间。为了实时快速控制运动轨迹，往往预先对运动轨迹进行直线和圆弧拟合，拟合后的运动轨迹仅由直线段和圆弧段所组成，而计算运动轨迹时，每一点的运动轨迹跟据前一个坐标点的数据通过插补运算得到，这样就把计算简化为增量减量移位和加减法。

　　　实现多轴联动的直线插补并不困难，圆弧插补一般为两轴联动。插补运算可以有多种算法，例如 "dda算法"，"逐点比较法"，"正负法"，"小偏差法（bresenham 算法）"等，其中小偏差法具有小的偏差和较快的运行速度。

　　　dvp20pm运动控制型plc可实现2轴联动，支持直线和圆弧插补，以及相应的第三轴处理。

（4）数控软件。dvp20dpm支持复杂的运动轨迹控制，那是如何实现的呢？简单的说，将复杂轨迹通过autocad等软件生成图形，再经过cam软件转换为g代码，而pmsoft可以直接导入文本格式的g代码，这样就可以完成运动程序下载到20pm中执行。那么怎样完成图形到g代码的转换呢，这就需要cam软件了，以下简单介绍一些常用的cam软件：

　　　目前cad/cam行业中普遍使用的是 mastercam 、 cimatron 、 pro-e 、 ug 、catia...

　　　 mastercam是常用的一种软件，大多数数控操作员都使用 mastercam ，它集画图和编程于一身，绘制线架构快，缩放功能好。

　　　 cimatron是迟一些进入中国的软件，在刀路轨迹上的功能优越于 mastercam，现已被广泛地应用。

　　　pro/e 是美国 ptc开发的软件，现已成为全世界普及的三维 cad/cam系统。集多种功能于一体，用于模具设计、产品画图、广告设计、图像处理、灯饰造型设计，是好的画图软件，一般来说用 pro-e 画图，用mastercam 或 cimatron 加工。

　　　当然还有其他同类软件也同样可以使用，通过这些软件将我们想要加工的轨迹曲线数据转换为plc或数控系统可以识别执行的代码，从而控制我们的设备运动。

4.2 运动控制特点

（1）dvp20pm特色。多段速执行及中断定位，利用此项功能实现运动的平滑性及准确定位。64k步程序容量,100段运动程序，满足不同加工需求；在20pm中大可设置100种运动轨迹，同时利用64k的程序容量，预先将需要执行的各种不同运行曲线的g码存储在plc中，当需要加工某种规格时，可以采用文本显示器、触摸屏等来调用。支持g码的直接汇入，当采用cam软件生成文本格式的g码后，可利用pmsoft的汇入菜单直接汇入到plc运动程序中。脉冲输入输出采用差动方式，高达500khz，满足了绝大多数应用中速度的要求。支持手摇轮应用，这是运动控制中的一个基本功能，可做一些手动的调整。具备电子原点返回模式，在20pm内存中加入了原点记忆功能，只要设定了电子原点，即使设备断电，在下次上电后也可以轻松找到原点位置。可连结eh2主机与所有扩充模块，20pm可以灵活配置，即可以接在eh2主机后作为专门定位扩展模块，也可以做为主机连接其他的模拟量等特殊功能模块。支持plc顺序语言及定位语言(g码与m码），实现了通用plc与数控技术的一个完美结合。配置运动轨迹的离线仿真功能，在实际加工前利用该项功能可以检查运动程序是否存在问题，可及时解决减少错误发生，参见图6。

图6离线仿真器

（2）轴控方式。准确的说，dvp20pm是实现两轴（x、y轴）联动插补的产品，支持数控程序中的g码功能指令，同时可以处理第三轴的动作。

　　　20pm支持的g 代码功能如下：g0 高速定位；g1 双轴联动直线插补；g2 顺时针圆弧插补（设定圆心位置）；g3逆时针圆弧插补（设定圆心位置）；g2 顺时针圆弧插补（设定半径长度）；g3 逆时针圆弧插补（设定半径长度）；g4 停顿时间；g90设定坐标系统；g91 设定相对坐标系统。

　　　对于第三轴（z轴）处理方式如下：20pm目前只规划2轴，当g0中指定了z轴时，此g0指令中z轴将被拆解独立出来。

例: g0xp1yp2zp3 g0zp3

g0xp1yp2

g0zp3执行时20pm将自动呼叫p255并以d0传递p3，使用者可于p255中处理z轴动作。

4.3 一个案例

　　　液晶切片机的硬件案例。在该设备中配置了dvp32eh2+dvp20pm+dvp01pu*4来控制六轴运动，其中两轴采用圆弧插补完成倒角运动，另外四轴为独立运动。实现了设备的点动、原点回归、半自动及自动运行，达到jingque位置控制。

5 结束语

　　　dvp20pm00d产品是一款同时具有逻辑控制和位置控制的功能强大的plc，可以灵活、高速、jingque的完成平面两轴运动控制，可以广泛应用于木工机械、焊接机械、切割设备以及半导体加工设备等等，特别适合有固定加工轨迹的平面两轴控制场合。我们有理由相信其出色的控制功能具有良好的发展前景。