西门子6ES7211-1HE40-0XB0安装调试

  引言：
      在新开发的产品中有一个型号为Q7的长条铝基台，要在上面加工两个φ3.7×1.65的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故无法用传统的钻模在钻床上加工，也很难在传统铣床上面加工，即使能加工效率也很低，并且设备损耗和电力损耗也很大。此工件的加工有着非常广泛的代表性，生产的很多产品有着类似的要求，为此，我们设计制做了一台用于此类产品加工的设备——通用型数控钻铣床。
　　

      一、系统概述　

　
      控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。　
　

   二、硬件配置

      PLC选用永宏的FBS-40MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，24点输入，其中有16点高速计数器，频率可达120K，16点输出，其中有4轴步进或伺服输出整合在里面，输出频率可达120K，使应用起来非常方便，接线简捷。编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。　　
      接点分配：取各轴伺服电机的Z相信号作原点开关，要分接在几个高速输入点上，用中断进行机床原点复归，其余限位开关、操作开关、液位检知等常规接点可按顺序依次接入。X、Y、Z三轴伺服电机连在前3轴伺服输出点，主轴高低速、冷却、报警等接在其余输出点上。　　
      X、Y、Z3轴伺服系统均选用相同的，和利时的ES系列全数字交流伺服驱动器0040E-CBCEE-02，和60系列小惯量的伺服电机60CB040C-2DE6E。该伺服系统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，保护功能也比较完备，有欠压、过压、过流、过载、堵转、失速、位置超差、编码器异常等。在此设备中按集电极开路驱动方式连接至PLC，高脉冲输入频率为200K,伺服ON、Z相信号等也做相应连接。　　
      变频器选用富凌的DZB70B0015L2A，规格为单相1500W，400Hz，有多步速供编辑使用。由于正常使用时不频繁变速，故速度调节设定不引出，只在变频器操作面板上调节，设定两个速度，高速用于加工，低速用于对刀。调节相关参数与主轴匹配，如基频、基压、运行频率上限、载频等，并改动相应跳线。　　
      主轴没有采用传统方式，而是根据加工需要，采用了雕刻机用的电主轴，安阳莱必泰的ADX80-24Z/1型，其体积小、噪音低，直径只有80mm,这样使整个主轴箱便于整体密封，可有效地防止加工中的碎屑飞溅到Z轴的丝杠和导轨上造成损害，也使主轴箱外表显得美观。它的高转速为24000转/分，使正常工作转速转有一个合适的余量范围。　　人机界面选用人机电子的通用可编程文本显示器MD204L，它可以以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。

三、软件设计

      开机后先检测手动开关是否有效，若手动开关有效即利用各手动控制开关执行手动操作的项目。若手动开关无效，则启动原点复归程序，各轴进行机床原点复归，先回Z轴再回其它两轴，当所有轴都原点复归成功后才能进行到下一步。若刀具和工装夹具、工件程序均没有变动，可复位到加工预备状态而不进行对刀，若需对刀，则打开对刀开关启动对刀程序，3轴分别对刀，即找工件原点，利用手动各轴移动开关快慢移动各轴，使工件的三个面分别碰触低速旋转的刀具，刚好碰上为止。对好后，按对刀OK确认，再输入刀补，经过程序处理，即形成工件原点也就是编程0点，编程时根据此0点按照图纸计算刀具路径，可使操作者思路清晰，编辑运算简单。操作者编辑的是用户程序，可以编辑刀具轨迹，就是各轴移动坐标，还有移动速度、循环加工时的循环次数等。编好程序后或使用当前程序时，即复位到预备状态：各轴移动到初始位—一个合适的位置，装卸工件方便、不易碰触刀具时，装上工件，按启动即可开始加工，主轴运转，冷却液开，各轴按程序设定坐标移动。当加工结束时，机床复位，即各轴又移动到初始位，主轴停，冷却关，这时可卸下工件，完成加工过程。

　　
      工件的加工流程图如图3所示，以Q7产品为例，胎具上一次装夹15只工件，那么就有30个φ3.7的平底盲孔需要加工，刀具选用φ3.7的2刃钨钢立铣刀，钻削加工，钻削深度1.65mm。在预备状态时紧靠工作台上的定位固定好胎具，按启动后，主轴旋转，待主轴即将达到额定转速时，X、Y轴同时运转到加工工位，也就是个孔的X、Y工件坐标值，此时冷却液打开、Z轴快速下降到加工区，即铣刀端面即将触及工件加工面，迅速变用缓慢的工进速度开始钻削加工。当加工深度到达设定深度（1.65mm）时，Z轴带动铣刀迅速抬起，抬起的高度为铣刀端面水平方向上碰触不到工件及胎具为准。计数器加1后程序进行比较运算，判断加工是否完了，如否，则X、Y轴继续运转到下一加工工位，再重复Z轴下降加工动作。如加工完了，产量计数器加数、主轴停转、冷却液关闭，同时发出5s声光报讯，用以提醒操作者，各轴移动到初始位：Z轴到上端；X轴到左端；Y轴到外端。卸下胎具后，一个加工周期完成，装上胎具再按启动即开始进行下一轮加工。　　
  　　

      四、一些着重的电气措施

      1.主回路加装漏电断路器，相应回路都安装合适的断路器。　　
      2.PLC和伺服系统的电源处都分别加有电源滤波器。　　
      3.各直流继电器线圈都并接反峰二极管，交流接触器线圈并接阻容吸收回路。
      4.润滑、主轴冷却都设液位低报警器。　　
      5.伺服控制线、人机界面通讯线等使用屏蔽线，并远离电源线。　　
      6.在拖链内走线，使用耐折的柔性电缆，并尽量增大拖链的弯曲半径。　
      7.变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。

   上位机与下位机的通讯

1.    通讯方式

      上位机与下位机之间以OPC服务器为媒介进行串口通信。

      OPC全称是OLE for Process Control，它的出现为基于bbbbbbs的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

      系统硬件采用永宏PLC，相应的OPC服务器采用永宏FaSvr1.10版本软件。

      通信机制为串口通信，串口标准为RS232C，默认情况下，OPC服务器串口参数如下：数据位7位，奇偶校验位为偶校验，1位停止位，具体的通信参数根据设备类型和下位机的实际需要确定。

2.    PLC接口寄存器变量

      下面对在OPC服务器中上位机与下位机共享的相关寄存器进行说明。

      首先对寄存器变量说明：“R”开头的表示字变量，占2个字节、16位，如：R0、R1、R2等；“DR”开头的表示双字变量，占4个字节、32位，如：DR2、DR4、DR6等。

3.    永宏OPC Server的应用

      一般厂牌的小型PLC都没有 OPC服务器软件，或者都是价格高昂的。这使得技术工程师相当头疼，一方面成本预算不够，另一方面如果完全由自己编写驱动，难度和工作量都大大提高了。而永宏的OPC Server软件是免费的，极大的方便了上位机进行集中监控。 

FaSvr1.10软件运行界面如下：

使用方法：

步骤一：规划——利用FaSvr1.10软件，将PLC接口寄存器变量定义好；

步骤二：联机——在通讯硬件状态就绪的情况下，在FaSvr1.10界面进行联机操作；

步骤三：运行——联机成功后，PC机与PLC都可以对这些接口寄存器变量进行读写操作。

PLC通过梯形图程序来读写变量的数值，而PC机则可通过语言编程来读写变量的数值。

以VB 6.0为例：

If LIAN Then a =server.SetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR2", &H66021A00)  '将变量DR2写入数值66021A00；

If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR4")) '读取变量 DR4 的数值；

If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "R6")) '读取变量 R6 的数值；

从上面可以看出，有了FaSvr软件充当服务器角色，通讯的数据变得一目了然了，程序的编写变得一步到位了，调试的过程变得畅通无阻了。

4.    通讯指令

      用户通过人机交互界面对上位PC机进行操作，而PC机则通过向下位的PLC发送命令，告知PLC何时做何种动作。通讯命令存取的地址，也是在PLC的接口寄存器；而通讯命令的内容，则需要人为定义。以“开门指令”为例，可作如下定义：

命令字：0x11

指令描述：打开自动门，让用户放入图书。

指令功能：打开自动门，准备进行还书或管理员图书上架。

指令格式：第4字节为开门指令命令字，第1字节至第3字节暂时没用，预留，默认值为0x00

                      第4字节      第3字节      第2字节    第1字节

命令字0x11
 预留00
 预留00
 预留 00
 

指令寄存器：DR20

指令码：11000000

相似的，还可以制定“入书指令”、“出书指令”、“上架指令”、“下架指令”等等，作为PC机向PLC下达命令，以及PLC向PC机反馈工作状态的协议。

四、下位机与执行机构

1.    硬件配置与架构

      控制器：永宏FBs-MC型PLC主机，有4轴频率高达200kHz的脉冲输出。该系统中，FBs-32MCT主站控制3轴高速脉冲输出，FBs-32MCT从站控制4轴高速脉冲输出，而两台主机之间通过RS-485高速CPU bbbb进行数据交换，使得7个执行电机协调工作；

X轴伺服：驱动机械手沿水平方向移动，配合限位开关，要求快速、准确定位；

Y轴伺服：驱动机械手沿铅直方向移动，配合限位开关，要求快速、准确定位；

Z轴步进：驱动机械手沿垂直于XY平面方向移动，完成图书入架、出架动作；

夹书伺服：控制书夹的夹紧、放松，要求有转矩信号反馈；

门口步进：控制入书口的门开关，如接收到还书指令，则开门等待放书进来，配合光电开关；

平书步进：还书时将斜着放入的书放成水平状态，借书时将平着的书放回原点；

翻书步进：还书时紧接着平书的步骤，将书翻转成竖直；借书时，将下架的竖直的书翻转成水平；

2.    永宏NC定位功能

该系统中，下位PLC承担的主要任务就是驱动电机，完成定位控制。

      永宏PLC在这方面正好有着卓越的表现——单机支持4轴频率高达200kHz的高速脉冲输出，表格向导式的编程风格，详尽而人性化的参数设定界面，支持直线插补、原点回归的便利指令。

4轴高速脉冲输出组态

区块化的功能指令

表格向导式的伺服命令编辑

深入浅出的参数设定表格

原点复归----可供3种模式

原点复归----运行示意图

        永宏PLC的NC定位功能一直备受业界称赞，由上述可窥一斑。

3.    永宏高速CPU bbbb

      系统需要控制7轴电机，而一般厂牌的小型PLC，多可控4轴，需要控制4轴以上，一般需要增加NC模块，对于电控部分的成本来说，分量不小。

      永宏PLC通过RS-485通讯，结合专用的高速CPU bbbb指令，以原始二进制码作为传输码，高数据传输率达921.6kbps，且采用“立即处理”的命令处理方式，更可靠的CRC16校验方式，大程度的保证了通讯的速度与性能。

      高速CPU bbbb的数据传输理念是以 COMMON DATA MEMORY 观念来设计；例如主站将 R0～R31的内容送出，则所有从站 PLC的R0～R31的内容都会与主站相同； 2号PLC从站将R32～R47 中内容送出，则主站及其它PLC从站的 R32～R47 的内容都会与2号站相同，依次类推。

      利用该特长，永宏PLC可轻易控制7轴电机的工作，很多场合下，甚至可以控制十几轴，体现出很高的实用性与性价比。

五、总结

      随着城市建设进程的加速，自助图书借还终端机将像银行ATM，自助售票机，自助饮料售卖机一样，遍布在我们生活的周围。小型PLC凭借着性能稳定可靠，编程调试简易，接口标准齐全等优点，担当下位机的角色。而永宏PLC在NC定位、通讯方面显现出来的突出性能与性价比优势，一定会在此种设备中得到广泛的应用。