西门子CPU模块6ES7214-1AF40-0XB0
PLC(Programmable Logic Controller)及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，成为工业自动化的三大支柱之一，在数控加工中心同样发挥的作用，对数控机床的转位或夹紧及刀库的管理等都能很好地控制。其中对刀库的控制管理主要是在刀具库中自动快速、可靠、准确的换刀定位。盘式刀库是加工中心应用广泛的一种刀库形式。小型PLC的I／O点数少，是困扰其在刀库自动选刀控制系统应用的一个难题。
本文以盘式刀库的自动选刀模拟实验系统为基础，应用TRIZ理论对刀库选刀控制系统进行创新设计，研究并提出采用小型PLC控制的自动选刀控制系统。
1 刀库自动选刀机械系统
刀库自动选刀机械系统主要由安装架、电机、模拟刀盘和反射式传感器等组成，如图1所示。电机固定在安装架上，电机选用JSM M36S B1A—型直流制动电机，电机联接驱动刀库盘转动；刀库模拟转盘边沿均匀分布的10个圆孔表示l0个刀位；用反射式传感器采集刀盘转动的位置信号。
本文的刀库自动选刀系统的控制系统为开放式设计，既可以应用单片机，也可应用PLC控制和计算机控制。这里主要探讨基于小型PLC的选刀控制系统设计。以选刀模拟机械系统作为被控制对象，驱动直流电机带动模拟刀盘转动，可以直观的体现自动选刀的每个动作。
图1 刀厍自动选刀机械系统示意图
2刀库自动选刀控制系统分析
2．1 刀库选刀方式
目前加工中心大量使用记忆式的任选方式，该方式将刀具号和刀库中的刀套位置(地址)通过编码识别系统对应地记忆在数控系统的PLC中，无论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着。刀库上的位置识别系统可以检测出每个刀套的位置，使刀具可以任意取出再送回。刀库上还设有机械原点(即取刀口)，使每次选刀时就近选取。本文主要采用记忆式取刀方式，即任意刀座转到传感器都能被判断出其刀座号，传感器所在位置设为取刀口。
2．2 自动选刀控制原则
演示系统的刀库容量为10把刀具，其编号为0—9，沿转盘的周向均匀分布，如图2所示。根据要求，指定刀具自动转至换刀位置(取刀口)。为提高取刀效率，按路径短原则取刀，即要求换刀时按小旋转角(≤1800)转动。“设定取刀号”减去“现值刀号”，如果其值大于5，则确定刀库盘转动的方向为正向，否则反转。例如：设定取刀号为9，现值刀号为3，则9—3=6>5，置正转标志(刀库将正转1440)；若设定取刀号为6，现值为3，则6—3=3<5，置反转标志(刀库将反转108°)；如果设定取刀号为1，现值为3，则1—3=一2
图2刀库示意图
2．3控制系统的工作过程
本控制系统的主要工作过程：①初始状态，0号刀具应在取刀口，确立原点。若0号刀具不在取刀口，需要手动调整使0号刀具转动到取刀口。每按一下手动调节按钮。刀盘正向旋转过一个刀位；若持续按下手动调节按钮则刀盘连续正向旋转，直到松开按钮后的下一个刀位停止。②确立原点后，可以进入自动取刀演示状态。输入要取的刀具号，利用数码管显示该刀具号；然后按启动按钮，根据路径短原则，直流制动减速电机驱动刀盘转动，数码管即时显示转动到取刀口处的的刀具位号，当要求的刀具号来到取刀口，然后发出制动指令，使刀盘迅速制停，提高刀具的定位精度，并规定时间内不接受取刀指令。③取刀过程中可按暂停键，使电机制动，暂停刀盘的转动，再次按暂停键可以去除制动继续该次取刀过程。
3 刀库自动选刀控制系统创新设计
3．1 控制系统创新设计理论基础——TRIZ
TRIZ是前苏联G．S．Altshuler为首的科学家在技术系统演变规律基础上，建立的发明创造和实现技术创新的新理论”引。技术系统演变的8个模式、39个通用工程参数、40条发明原理、39×39冲突解决矩阵、76个标准解、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程知识效应库等一同构成了TRIz的理论与方法体系。
TRIZ认为，产品进化过程就是不断解决产品所存在冲突的过程，推动其向理想化方向进化。技术冲突是典型的工程妥协问题，即当提高系统某一技术特性(参数)时，另一特性(参数)会恶化。TRIZ创新原理的核心就是解决技术系统中存在的冲突，冲突解决矩阵是解决技术冲突的有效工具。一旦技术问题抽象成技术冲突的形式，就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个冲突，然后将这个冲突转换成TRIZ的通用工程参数，后由通用工程参数在技术冲突解决矩阵中选择可用的发明原理。
2.3 PLC下位机程序设计
在科威PLC自带编程软件环境下，利用梯形图语言[5]对系统进行程序设计，程序梯形图如图3 所示。其中X0、X1、X2分别代表电机正转、反转、停止按钮；X3 、X4 是手动/ 自动运行方式切换按钮；Y0~Y5分别是对应操作的自锁。PLC 的程序设计相对简单，只是进行简单的衔接操作，系统关键还是取决于上位机Kingview软件的编程控制。
图3 PLC下位机程序梯形图
2.4 系统联机调试
连接上位机工控机、科威PLC、富士变频器、交流电机以及储油罐等硬件设备；设置变频器中的电动机参数和运行参数；在Kingview 中进行设备连接配置，将科威PLC与Kingview连接，以便两者之间进行数据交换；在Kingview 中编写应用程序命令语言，实现各个界面（包括主界面、手动变频界面、自动变频界面、状态变化界面等）的逻辑控制，具体控制可以根据现场需要进行在线修改。
将控制子程序下载到科威PLC中，并将其开关打到运行挡；给富士变频器通电，将Kingview从开发状态切换到运行状态，即可进行变频调速系统的调试。单击界面中的相应操作按钮，就可以实现电动机的起停控制、正反转控制以及速度控制等一系列的常规控制。当其连接储油罐设备，并引入液位反馈构成闭环控制时，在自动变频情况下，该系统即可跟踪液位变化，与液位给定值进行比较，进而发出相应指令来控制电动机的运行状态，满足控制要求。系统运行过程中状态显示如图4所示。
图4 系统运行状态显示图
3 结语
通过Kingview 组态软件的强大功能，将科威PLC、富士变频器等硬件设备结合在一起，构成了变频调速系统装置，大大简化了装置开发周期。在实现对三相异步电动机基本控制的前提下，可以针对不同的设备要求形成变频调速系统；装置采用成型硬件，可靠性、灵活性大大提高，具有很强的实用性。
随着工业自动化技术的飞速发展，人们对自动化监控系统的要求越来越高，如要求界面简单明了，易于操作，实时性好，开发周期短，便于修改、扩充、升级。这些要求促使工控组态软件应运而生，组态是指通过专用的软件定义系统的过程，工控组态软件是利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，构成系统所需的软件。国外软件商推出了各种工业控制软件包，如美国Wonderware 公司的In-Touch，美国Inbbblution 公司的iFIX，德国西门子公司的WinCC；国产工控组态软件则以北京亚控科技发展有限公司出品的“Kingview（组态王）”组态软件为代表。
PLC 作为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一，编程、操作简易方便，程序修改灵活，功能强大。被广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。科威公司生产的EASY系列嵌入式PLC 是将PLC 内核构建于控制器内，运用PLC 语言开发用户所需产品，能提高开发速度，降低开发费用，提高控制器的稳定性。嵌入式PLC 又称客制式PLC，即根据用户的控制需要定制硬件，以PLC 的应用方式解决对象控制问题的专用PLC。EASY嵌入式PLC软件平台具有开发通用、专用PLC的基本功能，支持CAN bus现场总线、支持通用HMI、组态软件包。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，可以实现大范围内的高效连续**调速控制。其完善的保护功能既能保护变频器，又能保护电机及相关用电设备。富士系列变频器是高性能和多功能的理想结合，动态转矩矢量控制能在各种运行条件下实现对电动机的佳控制。强大的功能和鲜明的特点使其广泛应用于工业场合。
1 Kingview组态软件
Kingview（组态王）完全基于网络概念，支持客户机- 服务器模式和Internet/Intranet 浏览器技术，并且是一种可伸缩的柔性结构，根据网络规模大小，可以将不同站点设计成I/O 服务器、报**务器、数据服务器、登录服务器、校时服务器、客户机等，在系统扩展和变化时，有着极大的灵活性。组态王设计成全冗余结构，在五个层面上提供了冗余：I/O通道冗余、双设备冗余、双网冗余、双机冗余及双系统冗余。组态王被设计成一个完全意义上的软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥，它也是一个ActiveX容器，无须编程即可将第三方控件直接连入组态王中。
组态王不仅是OPC 客户端，还是OPC服务器，可向任意支持OPC 客户的软件提供数据；组态王中的报警信息可直接输出到带ODBC 接口的数据库中，像Access、SQL Server 等；提供了一套动态链接库，允许用户用VB、VC 直接访问组态王的数据库，构筑功能更加强大的工控系统；组态王还可以和King PLC 1.0完全集成起来，组态王在前台进行人机界面显示。组态王是运行于Microsoft bbbbbbs2000/NT4.0/XP 中文平台的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务。
工程浏览器是组态王软件包的核心部分，它具有管理开发系统的功能，将画面制作系统设计中的各种管理、配置、记录、资源进行集中管理。组态王核心的部分是数据库，在TouchView 运行时，工业现场的生产状况以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令可迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。
2 变频调速系统设计应用
2.1 变频调速系统控制流程
变频调速系统主要由基于组态王软件设计的上位机控制系统、科威PLC和富士变频器构成的下位机执行系统两部分组成。组态王上位机控制系统将操作者改变的模拟量和数字量写入科威PLC 的数据寄存器，科威PLC不断地循环执行控制子程序，将产生的控制信号送至富士变频器的控制端，富士变频器作为后的执行器输出信号，控制三相异步电动机，实现变频调速的目的。
系统首先选择电机的运行状态———正转/反转/停止。然后选择变频运行方式，系统默认的是手动变频运行方式（该方式主要供检修及变频器故障期间用于手动控制电机运行），可以通过调节游标进行变频控制；如果需要进入自动变频运行方式（该方式主要通过自动跟随液位负载的扰动改变频率），可以通过单击手动/自动变频按钮进行切换。系统运行过程中可以随时观察系统运行状态以及频率变化曲线等。
2.2 Kingview上位机系统界面设计
首先建立一个“组态王”工程，启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，按照对话框提示完成工程的建立。然后进行图形画面的制作，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象，这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。启动组态王工程浏览器的工程目录显示区，在工程浏览器中左侧的树形结构中选择“画面”，在右侧视图中双击“新建”，工程浏览器将弹出“新画面”对话框，根据需要设置新画面对话框中的各项内容，完成画面的绘制，图1所示即为变频调速系统监控主界面图。可以遵循同样的步骤来建立报警界面及实时窗口等其他界面。后须将仿真界面中变量的定义与数据进行连接，单击“数据词典”定义画面中连接的变量，根据实际需要来定义变量名和变量类型（如图2所示），将画面中的操作按钮等与定义的变量联系起来，即动画连接。
图1 变频调速系统监控主界面图
图2 变量定义与数据连接设置示意图