西门子模块6ES7355-2CH00-0AE0技术参数

一、概述

CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类：

单机系统：整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种 NC功能。

主从结构，系统中只有一个CPU( 称为主CPU) 对系统的资源有控制和使用权其它带CPU 的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU 发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。

多机系统：CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：

多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。

分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。

二、单机或主从结构模块的功能介绍

CNC装置是按模块化设计的方法构造的

模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块，并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。

实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS) 标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。

1 、计算机主板和系统总线(母板)

计算机主板是CNC装置的核心。

功能结构：

CPU及其外围芯片；内存单元及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口) 。软、硬驱动器接口。

计算机主板的主要作用：

对输入到CNC装置中的各种数据、信息( 零件加工程序，各种I/O信息等) 进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。    

系统总线(母板) ：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：

数据总线：8根数据线、总线宽度8位；地址总线：16根地址线（直接寻址64k）；

控制总线：

工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2 、显示模块(显示卡)

显示卡的主要作用：

接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。

在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。

显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。

3 、输入/输出模块 ( 多功能卡)

它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。

该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是标准主板，则此板可省略。

以上三部分（计算机主板、显示卡、输入/输出），再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC 装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。

4 、电子盘(存储模块)

电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：

系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等) ；用户的零件加工程序。    

计算机领域所用存储器件有三类：

磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如 RAM 、ROM 、FLASH 等。

前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。

电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类：

只读存储元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）；易失性随机读写存储元件（RAM）。非易失性读写存储元件。

这类器件有：

E2PROM ；FLASH ；带后备电池的RAM 。

在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。

因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5 、PLC(Programmable Logic Controller)模块

PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。

PLC 模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。

CNC装置与被控设备交换的信息有三类：

开关信号、模拟信号、脉冲信号。

上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC 装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。

PLC模块变换处理其目的：

满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括几个方面：

电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。

CNC 机床用的PLC 一般分为两类：

内装型（Built-in Type ）PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-alone Type ）PLC（或通用型）

6 、位置控制模块

位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC 装置与伺服驱动系统连接的接口模块。

常用的位置控制模块有：

开环位置控制模块：CNC 装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC 装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。

7 、功能接口模块

实现用户特定功能要求的接口板，实例：

仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。

三、数控系统( 硬件) 简介

我国数控系统是具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业 PC 机为基础，采用开放式的体系结构，系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标 (2-5 轴) 数控 镗 铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床 ( 数控磨床、车床、齿轮加工机床等) 以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。

四、多主结构的CNC系统硬件简介

多主CPU 结构中，有两个或两个以上的CPU 部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线 仲裁器( 由硬件和软件组成) 来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。

1 、多主结构的特点：

能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作

2 、多主结构的结构形式：

共享总线结构型；共享存储器结构型。

结构特征：

功能模块分为带有CPU 的主模块和从模块 (RAM/ROM ，I/O 模块 ) ，以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上。采用总线仲裁机构 ( 电路) 来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。

共享总线结构的优点：

结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高；

共享总线结构的缺点：

总线是系统的“ 瓶颈” ，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。

结构特征：

面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。

由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。

从表1可知，从16.8亿的交流伺服运动控制产品总量上来说的确是一个很大的数字。在调查中发现，交流伺服运动控制产品的增长量主要来自于机电设备使用运动控制产品的比例大幅度增加、生产工艺对机电设备的自动化程度提出了更高的定位定长等要求以及先进制造技术的商品化加快等几方面因素促成的。

    但是在中国机电产品的发展过程中，由于入世等引起的市场的急剧扩大对机电控制系统产品（尤其是交流伺服运动控制产品）提出了一个非常高的要求，而这些要求又无法找到合适的国内产品时，必然转为世界先进产品，如西门子、松下、三菱等。

    以食品包装机械为例，今年上半年我国食品包装机械行业的生产销售继续呈稳步增长的态势，出口交货值也有所增加，尤其是进入4月之后，食品包装机械行业的利润累计增幅为67.94%，成为增速大的行业之一。食品包装机械之所以能够实现利润高速增长，主要原因就是市场需求的强劲推动。据的预测，到2010年，国内食品包装机械行业总产值仅能达到1300亿元（现价），而市场需求则可能达到2000亿元，远超过供给的需求，这就为行业的发展提供了宝贵的战机，产品的更新换代也势必加速。而实际上在该领域应用交流伺服运动控制产品已经逐渐成为共识，如饮料灌装机、封口机等，成为仅次于机床传统领域的第二个大应用行业。

    在交流伺服运动控制产品领域，国外品牌尤其是日本和欧美品牌凭借其先进的技术水平和更新速度逐渐占据了主导地位，国内交流伺服运动控制厂商在学习国外先进技术的同时，也相继研发出了一些适于特殊行业应用的专利和通用产品，并在市场预期中评价良好。

    从厂商来看，日本品牌在价格上具有一定的优势，在性能上又能符合中国小型机械OEM商的需求，因此在本次统计中，松下电器、三菱电机、安川电机和三洋已经占据整个交流伺服运动控制产品的近一半市场容量，处于市场的前列。此外，其他如富士、欧姆龙等在一些工业领域也表现突出，并带动了自身其他系列产品的发展。与其他进口产品相比，日本的交流伺服产品的优势在于价格、在于化和系统化。日本的机床工业、食品包装机械都分别位于世界该领域的前列，因此它在机床和食品包装领域积累了先进的控制技术，如1987年，日本率先研制出伺服电机驱动的包装机械，使该行业实现了由机械装置为主向电脑程控为主的技术升级，迅速提高了机械性能的柔软性和系统化程度，为日本的包装机械以其独特性赢得了世界市场广阔的销售空间。从这个层面上来讲，交流伺服控制产品的品牌演化在相当长的时间内还会是日本品牌为主导。

    欧美品牌如西门子、力士乐和伦茨在高端设备和生产线上占据了一定的份额，具有高性能和高价格的特点，其中以西门子为典型。其他欧美品牌还有AB、施奈德、丹那赫、柯比、GE、贝加莱等在其特定的领域保持了高速增长。在国内企业中，已经在伺服市场的发展中已经培养了一批的品牌，如机床领域的华中数控、广州数控、珠海运控等。

    三、交流伺服运动控制产品的应用行业

    交流伺服运动控制产品的应用主要以机械配套为主，主要涉及机床工具、食品包装、纺织印染、电子制造、塑料机械、印刷造纸、橡胶机械等，具体的市场份额比例如表2所示。    

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    表2交流伺服运动控制产品

    以占据行业前三位的机床工具、食品包装和纺织印染为例进行应用说明。

    1、机床工具

    作为机床工具，尤其是数控机床的重要功能部件，交流伺服运动控制产品的系统特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为交流伺服运动控制产品的发展方向。

    从发展的总量看，机床工具行业的产值从“十五”开始，连续五年都以两位数高速增长，产值和产量增长了2.5倍。“九五”末产值排在八，去年跃到了三，紧随日本、德国之后。

    在机床工具领域，交流伺服运动控制产品主要应用特点有：

    （1）这里所分析的交流伺服运动控制产品包括交流伺服（1）高速高精度。用于高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床大移动速度90m/min，加速度1.5g；使用直线电机的高速高精加工机床大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

    （2）多轴化。随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，尤其是在加工自由曲面时，克服了3轴联动控制的时切速接近于零时的切削弊端。控制器、交流伺服电机、专用控制平台和伺服检测装置，这些产品组成一个完善的交流伺服运动控制产品，如图1所示。

    2、食品包装

    随着中国市场经济高速发展以及人民生活质量的提高，预计消费者对微波食品、休闲食品及冷冻食品等方便食品的需求量将不断增加，这将直接带动相关食品包装的需求。预计中国食品与包装机械业在今后的一段长时间内将维持正增长。因而，国家在“十一五”规划中明确指出要缩小供需差距，使食品工业赶上世界先进水平，并提供先进的技术装备。这就必须要求国内食品和包装机械的年发展速度超过18%，新产品产值率达到25%。   

    在食品包装领域应用交流伺服运动控制产品主要有以下特点：

    （1）机械结构大为简化。传统的包装机械控制系统多采用继电器、接触器控制电路，其复杂程度随着执行机构的增多以及调整部位的增加而加大，使得机器也越来越复杂，给制造、调整、使用和维修均带来不便。而交流伺服运动控制产品的应用，可用微机、传感技术、新型伺服技术取代笨重的电气控制柜和驱动装置，使零部件数量剧减，结构大为简化，体积也随之缩小。

    （2）产品质量提高。参数变化越多，调整部分越多，交流伺服运动控制的优越性也越大，这是一般控制方式无法相比的。功能增多，可靠性提高，流伺服运动控制系统除可保持原来包装机的功能外，还可赋予其他许多功能。如液体饮料软包装机，它在气动、电气和机械的共同配合下，可具有制盒、灭菌、灌装、封口等功能，还可存储如生产速率、产品数量、故障现象、故障原因等数据，同时能对这些数据根据实际情况进行相应处理，大大方便了操作，使包装机的可靠性大为提高。