西门子PLC模块6ES7511-1AK02-0AB0

1 引言　　

　　EPS应急电源是根据消防设施、应急照明、事故照明等一级负荷供电设备需要而组成的电源设备。产品由互投装置、自动充电机、逆变器及蓄电池组等组成。在交流电网正常时逆变器不工作，经过互投装置给重要负载供电。当交流电网断电后，互投装置将会立即投切至逆变电源供电。当电网电压恢复时，应急电源又将恢复为电网供电。　　

　　应急电源在停电时，能在不同场合为各种用电设备供电。它适用范围广、负载适应性强、安装方便、效率高。采用集中供电的应急电源可克服其他供电方式的诸多缺点。减少不必要的电能浪费。在应急事故、照明等用电场所，它与转换效率较低且长期连续运行的UPS不间断电源相比较，具有更高的性能价格比。　　

　　目前EPS采用的控制方式和控制手段不同，针对EPS所带的负载可以归纳三种：一是主要用于应急照明和事故照明的EPS;二是除了应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等混合负载的三相系列EPS;三是直接给电动机供电的变频系列EPS。下面介绍的是全面的混合负载三相系列EPS供电。　　

　　本文采用台达公司的应急电源变频器产品研制开发了一种应急电源控制系统，可有效减轻工作人员的负担，提高电网在紧急断开情况下的优化运行程度，增强系统抗干扰性，避免硬件老化损失。　　

2　系统分析　　

　　台达EPS解决方案主要利用变频器担当了消防系统风机水泵卷帘门的逆变交流电机驱动功能。台达EPS客制化专用变频器能够真正的实现共直流母线的连接，从而不仅能够应用于EPS行业，也可以应用于化纤、玻璃制造行业中。台达专用变频器和同步卡配套使用，可以实现输入输出相位相同，从而满足了特殊场合的应用。针对EPS行业电机驱动的特殊性，台达变频器主要增加自动转矩补偿、转矩补偿限制、异常再启动等参数，来满足特殊行业需求。与变频器相配套的EPS充电模块为客户降低的成本，减少了沉重的变压器，降低了运输费用。　　

2.1 EPS专用机的整体概述　　

　　台达EPS专用机的一个主要特点就是能够实现共直流母线，从而扩展了EPS专用机的应用领域。同时内部的接触器和软启动电路的直流化满足了EPS专用机的电池直接启动的需求。台达EPS专用变频器通过搭配适当低通滤波器和变压器，能够构成可靠性很高的混合性负载专用逆变器。并且保证逆变器的输出电压稳定性和波形平滑性。台达EPS应急电源专用变频器要满足EPS行业的绝大部分场合的应用，是EPS厂家的一款的专用性变频器。　　

2.2 台达EPS专用机的功能特色　　

　　（1）变频器的辅助电源、软启动电路接触器都是采用了直流化，因此可以完全实现直接直流供电。

　　（2）超强的硬件和软件保护功能，保证了变频器可靠性。

　　（3）内含多种调制方式，从而能够适用多种变压器，从而保证了输出端电压波形更接近于正弦波。

　　（4）台达EPS专用变频器有AC380V，AC220V两种规格，功率范围从0-220KW，可以满足客户的不同场合的需求。

（5）同步卡的采用保证了输入输出相位的相同。　　

2.3 台达EPS专用变频器应用设计　　

（1）电原理设计。交流直流双供电EPS原理如图1所示。直流单供电EPS原理如图2所示。

图1 交直流双供电EPS原理

图2 直流供电EPS原理

（2）控制端子的定义说明　　

控制端子的定义如表1所示：

表1 控制端子的定义表

2.4 台达EPS变频器特殊参数设计

表2 台达EPS变频器特殊参数设计表

3 结束语　　

　　台达EPS专用变频器真正的实现了客制化服务，完全根据EPS行业的技术特点而开发，满足了EPS行业客户的需求。台达变频器以其严格品质管理和较高的性价比受到了用户的好评。通过台达严格的品质管理，优良的性能以及强大的技术支援能力真正实现了客制化服务

    在服装工业工艺流程设备序列中，分为准备机械设备、裁剪机械设备、粘合设备、缝纫机械设备以及后整理缝纫机械设备等多个工艺环节设备。其中切布机用于在准备机械设备序列中完成剪裁备料工艺。XJICI系列自动送料切布机是结合国外**技术，主要用于裁切布料、皮革、棉纺织品、硬纸及其他类似材料。切布周边形状分为直边和花边两种。

    XJICI系列切布机替代了从国外进口的同类设备。

    2 自动送料切布机概念设计

    XJICI系列自动送料切布机外形如图片1所示。

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    图1动送料切布机外形如图片

    2.1功能设计

    （1）裁切幅面宽度分为：800mm、1600mm，可满足不同客户的生产要求。

    （2）四根立柱采用自动供油润滑，主轴设有自润滑轴承，减少磨损，延长使用寿命。

    （3）裁布刀采用液压传动，使裁刀上下动作，裁切力大，噪音低；采用伺服电机带动滚珠丝杠传动，送料尺寸准确。

    （4）电气控制部分以台达可编程控制器、触摸屏、交流伺服驱动器构成自动化集成系统，协调控制送料、下料及自动停机，定位精度可达0.01mm。

    2.2技术性能设计

    （1）裁切力：50KN100KN；

    （2）裁切长度：20-1000mm20-1600mm；

    （3）裁切幅宽：800mm1600mm；

    （4）裁切厚度：50mm；

    （5）裁刀行程：140mm；

    （6）刀刃距工作台面高度：150mm；

    （7）工作台面尺寸：800×1000mm1600×1600mm；

    （8）裁切尺寸误差：≤1mm；

    （9）主电机功率：2.2KW；

    （10）前进定位电机功率：1KW轻惯量伺服电机；

    （11）液压油量：85L。

    2.3台达机电产品产品应用

    切布机使用台达机电产品之配置：PLC：EH系列；触摸屏HMI：AS38；伺服驱动器：ASD-AB（1KW-L）。具体型号：DOP-AS38BSTD+DVP-32EHOOM+08HM+ASD-A1021-AB+ECMA-C31010ES，参见系统结构图2所示。

    3 自动送料切布机电控系统

    3.1整体结构

    电控系统系统架构如图2所示。

    HMI主要用于设置系统定长、设备加工刀数布料加工速度、点动速度、准备裁切宽度等

    参数的设置；设备状态、故障信息、切刀当前对应位置、当前已加工刀数等的显示。

    PLC部分主要完成整机逻辑动作的控制及伺服的定位控制和伺服的编码器位置反馈信号。

    伺服主要工作完成送料的定位。     

图2电控系统系统架构

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    HMI

    DOP-AS38BSTD

    PLC主机

    DVP-32EH00M

    PLCI/O扩展

    DVP-08HM

    伺服驱动器

    ASD-A1021-AB

    常规I/O控制

    电磁阀、电机、光电及限位等的控制及信号

    3.2自动送料切布机工艺流程

    自动送料切布机工艺流程如图3所示。机器加工之前的机械初始位置，伺服送料轴需在参考点位置，切刀需在上限位，工作台在下限位；在流程连续加工过程中若按下暂停键，机器处于暂停状态，此时再次按下连续裁切可继续加工，按下回零键伺服送料回到对刀零点（此处主要是初次加工时裁切压力未调整到位，布料裁切不透需重新裁切压力），调整完裁刀压力后可再次按下连续裁切完成加工；另制约条件工作台只有伺服送料轴在参考点附近+/-10mm位置时方可上行，工作台不在下限位时，伺服送料轴不可移动；若发生安全光幕及急停等信号被触发时，不论什么情况下均需让切刀回到上限位及伺服回归参考点位置以保证机器处于安全位置，确保作业人员安全。

    准备裁切

    反复寻找对刀点并试切以确认对刀点

    行走一个准备裁切宽度完成     

    裁切计数加1次

    裁刀裁切1次

    连续裁切（记忆对刀点的位置）

    伺服行走1个裁切宽度完成

    计数到？     

一、应用背景
本文讲述了DVP-EH2型PLC在我公司的双工位深孔钻机床上的应用。双工位深孔钻机床为我公司开发生产的重点产品，机床主要用于汽车刹车泵缸体的钻孔加工，在市场上具有很大的应用潜力。

机床加工的基本原理是：枪钻钻头动力头平置于机床工作台，加工件安放于竖直的滑台上的工件夹具内。滑台沿枪钻钻头旋转的垂直线上下运行。加工时，钻头高速旋转，滑台带动工件往下运行，对产品进行钻孔加工，加工尺寸到位后，滑台再往上运行，退出工件，关闭动力头。

传统的机床采用液压油缸驱动。当液压油缸行程到位后，利用行程开关控制液压电磁阀动作，使油缸返回。液压驱动的大问题是加工孔深精度很难控制。运行速度调节也不是很方便。

　　机床采用伺服电机控制丝杆滑台上下运行定位，滑台往下运行时，对产品进行钻孔加工，加工完成后，滑台再住上运行，退出。与传统的液压油缸驱动相比较，由于利用伺服电机定位控制，可以很方便的进行加工速度设置，高**地达到钻孔深度的控制。

　　双工位深孔钻机床是两个工位同时加工，互不干涉。一个机床操作员控制，可以同时进行两件工件的加工。是提高加工效益，减少投资的之举。

　　机床控制方案可以选用简易型数控控制系统（CNC）。当前市面上也有很多两轴的数控产品。数控系统有着标准的G代码编程，也能够很方便的进行伺服的定位控制。但是须要完成两轴相互独立，互不干扰的定位时，CNC在编程时遇到了制约。CNC的两轴或多轴G代码在编程时，不能做到同时执行两段独立的定位指令。当然，也可以采用两台单轴的CNC控制系统。但是，这样的控制过于冗杂，成本也过高，应用价值不高。

　　鉴于以上原因 ，实现此机床控制要求可以选用PLC进行控制。机床的定位动作并不复杂，只需要正向加工定位、反向退出定位两段位置控制指令。很多型式的PLC都带有高速脉冲输出功能，具有很方便的相对定位，定位指令。不需要另加扩展模块，能够很方便的实现机床的运动控制。

二、控制概要
　　1、机床需要两轴脉冲输出，以分别控制两个工位的丝杆滑台运行。滑台的定位速度不小于6m/min。定位精度小于0.01mm。在电气控制设计上，一般都设计为0.001mm/P，即0.001mm每脉冲当量。 这样，方便进行运算，电子齿轮比也容易计算。机械制造上采用精密丝杆传动（双螺母滚珠丝杆），也比较容易就能达到0.01的定位精度。

　　2、 机床人机对话采用控制面板的开关按钮与触摸屏接合。工件的加工速度，加工尺寸在触摸屏上利用参数的形式进行设置。

　　触摸屏与PLC组态后，可以对PLC的一些关键内部数据时行监控，包括实时显示工件坐标、动力头电机电流。显示加工状态、关键的PLC内部数据或一些故障码、异常信号，方便进行机床的状态分析、故障疹断。

　　触摸屏与PLC可以很方便的实现通信。两者组态时，只要设置好两者之间的通信协议，触摸屏即可以读写PLC的D、M数据了。

　　3、枪钻的加工因为工件的材质不同、加工孔径的大小不一，枪钻钻头的转速也要求能够很方便的进行调节。因此，机床的动力头转速采用变频器进行调速控制。

　　机床控制系统，可以监视变频器的相应状态，包括输出频率，输出电压，负载电流。因此，可以将PLC与变频器进行RS485通信读取读据。同时，PLC对变频器的速度、运行、停机等可以通过RS485通信进行控制，方便变频器的控制接线。

　　4、机床加工还须要一定的外部辅助功能。如加工过程中的冷却液，工件装夹，防护门开关等等。

　　5、机床具有手动控制和自动控制两种工作方式。手动控制主要用于机床的调试和首件产品的试制，可以分别对辅助功能进行开关，手动控制工件滑台的上下运行。自动控制为自动进行一个工件的加工周期，人工装夹好工件后，操作人员按下起动按钮，机床即进行工件的钻孔加工，钻孔完成后，即行自动退出工件，加工过程中，自动注入冷却液，开关防护门等相关辅助动作。加工完成后，自动工件松开。完成一个工件的加工过程。

三、PLC在专用机床上的控制实现
根据机床控制要求，电气控制系统以PLC为控制核心、以触摸屏与控制面板按钮为人机对话界面，控制机床的各项辅助功能输出、控制双轴伺服定位、变频器调速。其中，PLC与触摸屏的通信为RS232通信；PLC与变频器的通信采用RS485；PLC对伺服驱动的定位控制采用脉冲+方向形式的脉冲输出方式。机床总体控制框架如下图所示：

机床电气控制总框图

1、PLC 在机床上的定位控制

　　PLC的脉冲输出高频率直接影响运动定位控制的速度和精度，是一项非常关键的技术指标。一般PLC都会带两路脉冲输出或四路脉冲输出。并且脉冲输出频率并不低，甚至比一般的CNC数控还要高，如台达的DVP-EH2系统的PLC高输出达200KHz，有些甚至更高，如Omron公司的CP1H-Y系列的PLC还达到了1MHz。

脉冲定位速度为：
V=Fmax×δ×60 (式1)

其中，V为速度，单位：m/min（米/分钟）；Fmax为高脉冲频率，单位：Hz（赫兹）；δ为脉冲当量，单位：mm/P 。

　　台达DVP-EH2型PLC共有四路高速脉冲输出，其中两组为AB相脉冲，两点为单脉冲输出端。四路脉冲输出端口分别为：CH0（Y0，Y1），CH1（Y2，Y3），CH2（Y4），CH3（Y6），输出频率都达到200KHz。如果采用0.001mm/P脉冲当量进行控制，那么，根据式1，PLC的定位速度快为：
200000×0.001×60=12000mm/min=12m/min
即定位的高速度为12米每分钟。完全可以达到机床的控制要求。

　　现在很多的微型机，或小型机都有内置高速脉冲输出功能。可以运用脉冲定位指令实现相对定位、定位。台达PLC的相对定位指令[D]DRVI或定位指令[D]DRVA。(指令前缀D为双字控制指令，高定位区间可以达到232，即定位范围为-~+)。在机床控制中，当电气精度做到0.001mm时，则机床的定位范围在-2mm~+214748.367mm之间，完全可以满足机床的控制要求。

　　机床在定位控制中，需要用到单步方式、连续方式、自动加工定位。单步方式主要用于调试机床时的**定位，即按动一次正向定位或反向定位的控制按钮，机床即进给一定量值（PLC发出指令数量的脉冲值）。单步方式一般采用脉冲相对定位指令[D]DRVI，脉冲定位数量可以在触摸屏人机界面中设置。相对定位指令格式如下：

S1：脉冲输出数目；（定位量）
S2：脉冲输出频率；（定位速度）
D1：脉冲输出装置；（脉冲输出通道CH0，或CH1）
D2：定位方向输出装置；（脉冲正向定位/反向定位）

　　其中，EH2机型的脉冲输出通道D1可以指定为Y0（CH0）或Y2（CH1）；定位方向输出D2可以指定其他任何输出端点，D2根据脉冲定位数量的正值/负值自动决定为ON/OFF。当S1为负值时，D2=OFF，当S1为正值时，D2=ON。

　　对于操作数S1，和S2 可以指定为数据寄存器D。通过触摸屏对寄存器D的访问，进行操作数的设定。

实现程序如下所示：

　　程序中，M17为触摸屏界面的触控按钮，X17为操作面板“滑台升”按钮，特殊辅助继电器M1029为CH0脉冲输出完毕标志，当按下X17（M17）时，定位脉冲输出端子即刻输出由D120指定的定位脉冲数，并因M21的自锁而持续输出，当定位脉冲数值完成时，脉冲输出完毕标志置ON，指令条件解除，须得由下一次按钮按下时再次起动。

　　机床在自动加工时，采用定位指令[D]DRVA。使用[D]DRVA指令之前，需要**行原点设定，也即在定位指令前，须要将现在的脉冲输出当前值做出设定，否则定位指令不能执行。原点设定可以在PLC上电的初始化中进行设置。一般使用PLC的启动正向脉冲对D1336进行数据传送。特殊数据寄存器D1336为CH0脉冲的现在值。

原点设定的实现程序如下所示：

　　当机床在定位时，PLC实时的读取当前的脉冲数，随时将D1336内的数值读出到D200进行保存。在机床再次起动时，再将D200内保存的数值送入到D1336中，这样，就可以在机床关机时，能保持机床的当前坐标。

定位指令实现程序如下所示：

　　使用定位指令时，也可以指定定位起动时的加减速，设置脉冲输出的加减速一个作用是使机床能平稳地起动停止，另外一个用处是伺服电机驱动器对输入脉冲用一个响应频宽，如果送给伺服电机驱动器的定位脉冲是突变的，有可能会造成驱动器对定位脉冲的丢失。设置脉冲输出的加减速只要设置脉冲输出通道相应的加减速时间即可。CH0的加减速时间在特殊数据寄存器D1343中设置。EH系列PLC加减速不可低于10mS。若低于10mS或高于10000mS，则将以10mS输出。如果不对D1343进行设置，PLC会以出厂默认值100mS执行。
脉冲输出加减速实现程序如下所示：

　　D210内数据在触摸屏界面中进行设置，从而实现以参数的形式对定位加减速进行设置。

2、变频器通信程序的设计

　　PLC与变频器的通信采用RS485 MODBUS通信协议进行通信。EH2系列PLC有内置的RS485通信接口。MODBUS通信协议包含三个层次：物理层，数据链路层和应用层。物理层和数据链路层采用了基于RS485的MODBUS通信协议，应用层即通过MODBUS之RTU模式对变频器的运行、停机控制和变频器参数的读写操作。

　　变频器的MODBUS通信为主从通信。上位机发送指令，变频器应答。
RTU帧格式如下：

MODBUS通信的RTU模式具有如下所列功能：

　　循环冗余码校验（Cyclical Redundancy Check），简称CRC校验码。CRC-16码由两个字节构成，CRC码的生成如下：

　　在开始时设置CRC寄存器，并给其赋值FFFF(hex)；
　　将数据的个8-bit字符与16位CRC寄存器的低8位进行异或，并把结果存入CRC寄存器；
　　CRC寄存器向右移一位，MSB（高位元）补零，移出并检查LSB（低有效位）；
　　如果LSB为0，重复第三步，若LSB为1，CRC寄存器与多项式码相异或；
　　重复第3与第4步直到8次移位全部完成。此时一个8-bit数据处理完毕；
　　重复第2至第5步直到所有数据全部处理完成；
　　终CRC寄存器的内容即为CRC值。

　　台达DVP系列PLC有专门的MODBUS通信指令，只要设定好指令参数，然后触发指令，PLC会自行按照通信帧格式自动发送数据，指令发送完毕后，PLC会对回传的数据自动进行检查是否出错。如果出错，则会给出相应的状态标志，相应的特列辅助继电器有所动作。
MODBUS数据读取指令格式如下：

　　S1：从机地址；
　　S2：欲读取的数据的地址；
　　N：批量读取数据的长度。

MODBUS数据写入指令格式如下：

　　S1：从机地址；
　　S2：欲写入的数据的地址；
　　N：批量写入数据的长度。

通信指令各特殊寄存器说明：
　　D1120：通信协议设置；
　　D1129：通信超时时间设置；
　　D1130：MODBUS回传错误码记录；
　　D1070~1085：MODBUS回传信息数据缓存器；
　　D1050~1055：如果MODBUS通信格式为ASCLL码，则PLC自动会将回传的D1070~D1085内的ASCLL码转换为HEX格式，将存于D1050~1055寄存器内。
　　M1120：COM2端口（内置RS485端口）通讯设定保持，置ON后，D1120（通信协议）变更无效；
　　M1123：MODWR指令执行时回传数据接收完成标志；
　　M1127：MODRD指令执行时回传数据接收完成标志；
　　M1129：通信超时标志；
　　M1140：数据接收错误标志；
　　M1141：发送地址错误标志；
　　M1143：为0，通信为ASCLL格式，置ON，通信为RTU格式。
　　M1122：触发通信指令。

　　专用机床在做PLC与变频器的通信时，因为要读取变频器内部的状态信息，改写变变频器的参数。故可以采用步进指令STL。当个变频器内数据通信完成后，再与第二个数据进行通信。当第二个数据通信完成后，再与第三个数据进行通信，当后一个数据通信完成后，再与个数据进行通信。通信程序节选如下所示：

以上省略若干行……

　　程序中，D240数据由触摸屏设置RS485的通信协议。D241数据由触摸屏设置通信超时时间。程序执行时，将D240的数据送入特殊寄存器D1120，D241数据送入特殊寄存器D1129，从而设定RS485的通信协议和设置通信超时时间。特殊寄存器数据设置好后，将M1120置ON，从而保持通信协议。再将M1143置ON，将MODBUS通信设定为RTU模式。

　　MODRD指令（数据读取）读取的信息存放在以D1070~D1085的特殊寄存器中。在使用RTU模式时，读取的目标地址内的数据只会存放于以D1073开始的低半位。程序中，如果设置D320的数值为3210H，即PLC访问变频器地址为3210H的内存数据，程序在由STL语句步进到S127状态时，会触发通信数据读取指令。数据在回传成功后，回传的数据会存放于D1070~D1085内，D1070~D1085数据内容如下所示：

　　从表中可以看出，数据内存分为高低两个半字节分别进行了存放（D1073、D1074），因此在数据处理时，须要将接收特殊寄存器的两个字节的低半字节数据送入到一个寄存器组合成一个整字节。半字节指令为SMOV。本程序中，分别用两条SMOV指令，将D1073的低半字节送入D320高半字节，将D1074的低半字节送入D320低半字节。从而使D320整合为从机地址为3210H的数据0057H。

　　SMOV（移位传送）在执行时，当控制位M1168为OFF时，数据传送为BCD码，当控制位M1168为ON时，数据传送为BIN值。本通信程序为传送BIN值码。因此在程序开始须将特殊辅助继电器M1168置ON。

　　程序执行时，若通信超时，则标志继电器M1129置ON，程序由M1129再次触发通信指令。
若通信时回传数据错误，则标志继电器M1140置ON，程序中由M1140再次触发通信指令。
若通信程序发送地址错误，则标志继电器M1141置ON，程序中由M1141再次触发通信指令。
通信程序若回传数据无误，则将接收的数据内容进行处理，然后再将M1129，M1140，M1141复位，并将接收完毕标志继电器M1123（MODWR通信接收完毕）或M1127（MODRD通信接收完毕）复位。然后再触发下一从机地址的通信指令。直到从机的所有通信地址访问完成后，再循环访问从机的个通信地址。

3、触摸屏人机界面的程序设计

　　对于PLC的人机对话窗口，相对于计算机（IPC）的高成本和控制面板仪表元件的笨重复杂，触摸屏（HMI）是一个非常好的选择。通过人机界面的组态编程对PLC内存数据进行访问，可以读取改写数据寄存器内的数据，也可以对辅助继电器进行位控制，还可以对连续的位单元组合为字节进行处理。

　　如下图所示中，可以在人机界面中对机床外部辅助功能进行控制。也可以显示PLC的内部数据，如伺服电机的脉冲量，通过RS485读取的变频器参数。

　　只要设置好HMI与PLC的通信协议，两者之间即可以进行通信，不需要另外编制复杂的通信程序。在组态HMI的界面程序时，只要将画面元件访问地址设定为相应的PLC内的数据寄存器或继电器，两者即建立相关联系。

　　如果一个屏有若干画面，可以采用弹出式菜单。选择相应的画面，进入相关画面进行操作。

　　利用HMI方便的组态功能，可以对机床各保护信号进行显示，如果机床有报警发生，可以在HMI界面中显示出来，并提示相应的处理方法。还可以显示历史上出现的异常情况，为机床的检修提供相关依据。使机床做到简便的操作。

　　另外，也可以对机床的基本操作在HMI上做一个简略的说明，从而使机床大的做到操作界面友善。

四，总结
　　机床采用PLC作为主体控制，在实际使用过程中，性能稳定，操作使用方便简单，对于机床操作员来说直观易懂，不需要了解数控编程也可以很快的熟练机床的加工操作。因此，该方案在专用机床上的应用是比较成功的。