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西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0速发
1 前言
注塑机是目前广泛应用的高分子材料加工机械，目前在国内大量使用的注塑机基本上是采用机械或液压驱动的，控制系统大多采用触点继电器逻辑控制电路，这种控制系统的大的弊端是控制系统自动化程度不高、精度较低、生产效率较低。采用硬件PLC的控制系统虽然能够实现各种控制功能，由于每个厂家的硬件专有性，封闭性使的用户升级和改造困难。随着自动化和计算机技术的发展，利用计算机的软硬件资源，通过软件可以实现硬件PLC的功能，并能实现的电子齿轮和电子凸轮的同步运动控制，即软件PLC技术。它遵循IEC61131-3的标准。
采用软PLC的典型的系统结构是工控机加I/O接口加软PLC软件包。软PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转化成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。通过采用软PLC和控制性能的伺服电机作为驱动系统的全电动注塑机能大的提高设备的易操作性，产品的质量和生产效率。
2 全电动注塑机结构及工作原理
2.1全电动注塑机的结构
全电动注塑机主要由装置、合模装置和电气控制系统组成。如图1所示，和通用的机相比，采用了控制性能的伺服电机和滚珠丝杠实现圆周运动到直线运动的转换。装置的作用是将塑料均匀地塑化,并到模具型腔中。装置由塑化部件（螺杆,料筒,加热装置,喷嘴）,料斗、计量装置、传动装置、电机及基座电机等组成。合模装置实现模具的开闭,在时应保证模具地合紧。合模装置主要由前后固定模板,移动模板,连接拉杆,连杆机构,调模装置,合模伺服电机,脱模伺服电机组成。电气控制系统提供动力并使机按预定的工艺过程要求（压力,速度,时间,温度）和动作顺序工作。
图1 注塑机系统组成示意图
2.2 工作原理
注塑机生产一件产品的过程一般要经过合模、、保压、冷却（塑化）、开模、出制品工序
操作方式：
（1）手动操作 利用手动操作可以进行单步的调试，包括手动设置开合模，手动模高调整，螺杆的手动操作，座的前后移动的手动调节等。
（2）半自动操作 按下半自动操作按钮，注塑机开始合模、等工作，直到产品加工完成，然后处于等待状态，当再次按下半自动操作按钮时，将开始下一次循环。
（3）自动操作 完成一个和计量周期后，程序自动进入下一个循环周期。
3 系统设计
全电动注塑机控制系统设计中需要解决三大问题：一是采用了伺服电机后如何保证的运动控制，如何在程序中实现位置控制、速度控制、力矩控制以及这几种控制之间进行切换的问题。二是如何实现温度、压力模拟量的控制，来确保每个周期都能保证塑胶原料充分加热至合适的温度和确保压力、保压压力的控制。三是如何设计人机界面来实时状态的监控、在线数据的修改、出错报警的处理、对错误进行及时的诊断及。
3.1 系统的硬件设计
控制系统的硬件由工控机、SERCOS IO模块、博士乐公司数字伺服驱动器以及伺服电动机组成，控制系统的结构示意图如图2：工控机作为上位机构成控制系统的，通过软PLC和SERCOS光缆环控制锁模伺服电机、伺服电机、塑化伺服电机、脱模伺服电机按照编写的程序运动，可以实现注塑过程中的运动控制，以及位置、速度、力矩以及这几种控制之间切换的问题。输入按钮、行程开关等外部数字量输入信号通过IO模块采集到PLC程序中，经过程序处理变成逻辑关系，得到所需要的输出状态来控制现场设备，指示灯和报显示当前设备运行状况和错误报警信息。温度传感器、压力传感器模拟量信号通过SERCOS IO模块转换为软PLC可以识别的数字量信号，通过在编程系统中编写的PID模块程序可以实现注塑过程中的温度和压力PID调节。
SERCOS运动控制总线符合开放式数控系统的标准，可以根据系统需要灵活添加设备，有利于智能数控设备的集散控制，节省了设计和调试周期，同时使系统的性大大提高。
3.2系统的软件设计
3S公司的CoDeSys与其它软PLC产品如SIEMENSE公司的SIMATIC Wi、SOFTPLC公司的SoftPLC等相比。大优点在于它集成了逻辑控制、运动控制和可视化于一体。
CoDeSys是符合IEC61131-3标准的编程工具。只要在计算机上安装了CoDeSys SP RTE软件，就可以成为一台的可编程控制器（PLC），另外用CoDeSys不需要其它的组态软件就可以轻松实现实现可视化。可以用CoDeSys SoftMotion实现运动控制编程，包括单轴运动到复杂的多轴插补运动。
图2 控制系统结构示意图
本控制系统的程序设计采用模块化的设计方法，包括了运动主程序、手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序、IO控制程序、温度控制程序的设计
（1）任务设置
在程序任务中设置四个任务 MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask
如图3所示：四个程序任务是并行的，根据设置的级和周期扫描的时间，这样就能保证逻辑控制和运动控制的不互相干扰。
图3 任务配置图
（2）运动主程序设计
运动主程序中主要由参数初始化、轴组上使能、电机回零位、操作模式选择、轴组状态处理模块组成，在操作模式选择下，选择相应的操作模式（手动、半自动、自动），主程序将调用相应的处理程序（手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序）程序模块简图如图4所示：
图4 程序模块简图
4 结束语
本文作者点为该控制系统的设计采用了软PLC技术和SERCOS运动控制总线技术，简化了硬件结构，使得开发的控制系统符合开发式体系结构的要求，系统的可扩展性、性、可维护性大大提高，重要的是实现了的高速以及短周期循环。经过实践检验，本控制方案达到了预期的效果，具有十分广阔的应用前景。
由于原来系统中多块SDC控制仪表出现故障，在维修中采用 PLC 对原系统做替换改造。原来控制系统完成对洁净房室内温度、湿度、室内外压差进行检测并控制。室内空气要求为 100 级。空气经过过滤后成为洁净空气，满足生产线对空气洁净度、温湿度的要求。
一． 系统工作原理
新风机鼓入的新风经加热交换器、制冷交换器、加湿器进入房间。房间内有温度、湿度、差压检测器测的信号反馈给控制器。由反馈信号通过数字控制仪来控制加热、制冷交换器控制室内温度。当湿度低时，由加湿器输出蒸汽；湿度高时，制冷交换器要降温以使空气温度降低，达到目的。原来的湿度、温度信号还要经过高选处理。当温度信号高时，以温度控制；当湿度信号高时，以湿度控制。原来仪表调试比较繁杂，调试不容易满足要求。加热、制冷、加湿器的控制信号是 4-20mA 信号。压力系统原来是由变频器控制。本次改造并没有涉及。
二． 改造方案
温度、湿度信号是变送器送出的DC 4-20mA 的信号。输入的信号经过比较判断，当输入的温度信号小于 12mA 时，要执行加热逻辑，当大于 12mA 时，要执行制冷逻辑。当输入的湿度信号小于 12mA 时，要执行加湿逻辑，当大于 12mA 时，要执行逻辑。而制冷和信号中要选大的来控制制冷交换器。由于 PLC 有很好的逻辑判断能力及数据处理能力，改造中选用了信捷 FC 系列 PLC 。 FC 系列是模块式结构，可以根据要求配置不同的模拟模块和数字量模块。由于是改造，我们使用的数字量少，仅用做故障报警。 FC-16R-E CPU 有 8 点输入 /8 点输出。根据我们需求又配置了 FC-4AD 模拟量输入模块和 FC-4DA 模拟量输出模块。
15年前，当我用8031单片机控制PPN折弯机时，觉得汇编语言是多么神奇啊！但干了十几年的围绕用户工艺要求定制各类嵌入板的工作后，感觉佛陷入了无边的苦海。用户每提出一个新的小要求，我就得改程序，只要用户有新的需求，这种工作就没有尽头。
12年前，我采用数据采集卡，在IPC上用C语言实现了唐山热河82米辊道窑全计算机控制。做了几十条窑炉计算机控制系统后，我发现走入了系统控制的误区。在IPC上运行实时控制算法，风险太大；用C、VC、组态软件编程的辛苦无人认可。尽管硬盘、键盘、接口花去了大量的售后服务费用，用户终还是抛弃了工控机系统。
而PLC以其高性，十几年来市场不断扩大，在解决好了逻辑控制的同时，加强过程控制的功能，并增加了大量的扩展模块，其应用范围向上挤占DCS的市场，向下覆盖了部分嵌入式单片机应用的市场。PLC的现场总线功能、支持人机界面及易学易用的梯形图语言，让工厂电工都易于接受。
如果PLC能满足用户的工艺要求，谁还愿用需要昂贵的一次开发费用的嵌入板或不稳定的计算机系统呢？幸好是设，PLC也有的短处。由于控制对象千差万别，工艺要求五花八门，即使有大量的扩展模块供选择，也难以满足特定对象的工艺要求。否则谁还会要工控嵌入板？
今天工厂自动化人员能进行二次开发的软件一是组态，二是梯形图语言。这二者如果能解决的问题还用VB、VC去开发，那一定是在做傻事！借助工具软件开发各类应用系统，既提高了开发速度，降低开发风险，又能节约开发费用。但组态软件只能在PC机（或PC）上运行，梯形图语言只在PLC可编程逻辑控制器中运行。制LC不能满足用户工艺要求的，不是梯形图语言，而是PLC的硬件不够灵活。
嵌入式PLC软件正是在这种困惑中开始开发的，它以PLC梯形图语言为内核，强化过程控制的运算能力，提供开放式扩展结构，增加网络互连功能。它融合嵌入板的特殊要求，发扬PLC梯形图语言优势，为特定对象控制问题的解决提供了一个通用开发平台。
嵌入式PLC软件是面向单片机嵌入板的软件设计而开发的（当然做标准PLC很容易），解决PLC不好解决的问题（如成本、硬件支持、工艺保密等）。在开发初期，试图在Uclinux、Uxwoek环境下开发，但深入进去发现，要实现片级嵌入（8位单片机），运行Uclinux、/D的芯片都大了。终开发选择了汇编（针对51系列单片机）语言，难的是自己，但为保证应用的稳定性、实时性，值得！
嵌入式PLC软件的扩展能力体现在扩展接口及协议的开放性上。世界上各家的PLC生产商都有现场总线接口，如三菱的CC—bbbb，西门子的Profibus等。但我选择了CANbus，一是中国的现场总线标准是DeviceNet（CANbus是其底层协议），二是CANbus在中国工控市场上已形成事实标准。
嵌入式PLC软件的网络互连能力体现在嵌入式Web服务器上，其深度裁剪TCP/IP协议（仅运行TCP/IP、ICMP ARP），在远程端加载浏览器后，即可实现远程监控。
嵌入式PLC软件提供的硬实时体现在用户定制中断系统干预内核任务调度机制，实现高速实时控制系统要求（如步进驱动，可控硅移相触发等）上。
当我写完EASY-V1.00嵌入式PLC软件时，它已具备以下功能：
1、支持三菱、台达等多家人机界面
2、支持梯形图编程（86条指令）
3、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）
4、支持三方开发扩展单元的接线
5、提供硬实时，用户嵌入接口
EASY-V1.00嵌入式PLC软件，为单片机嵌入设计提供了一个全新的设计方法，设计人员多地关注接口及性，而将用户工艺交给梯形图语言，仅需数数I/O口数量，画画PCB板，就可快速推出产品。
EASY-V1.00嵌入式PLC软件，将变国产PLC设计格局，使PLC生产厂家能快速设计出贴近终端市场的PLC，即嵌入式PLC，也可形象地称为客制式PLC（为客户定制的PLC）。
采用罗克韦尔自动化公司的PLC-5系列PLC和DeviceNet总线，奇瑞公司轻松地实现了对总装车间复杂的控制系统的管理和监控。
汽车制造厂的输送线和装配线的控制系统非常复杂，它需要控制道岔、停止器、捕捉器、隔离开关、急停开关、接近开关、光电开关、传送机、张紧器、提升机、举升台等许多执行机构。在奇瑞公司二期工程总装车间里，采用两条装配线实现了四种车型的混线生产。整个控制系统由控制室和四个远程控制站组成了一个全厂工业局域网，远程控制柜PLC通过以太网将自己所控制区域内的生产情况传送至控制室的计算机系统。
系统选型及特点
在认真分析控制系统公司的产品基础上，奇瑞公司根据自动化控制技术人员在产品实际应用上的经验，鉴于一期工程采用罗克韦尔A-B PLC产品的良好运行状况，决定在二期工程中仍采用A-B PLC用来控制整个生产车间。
A-B PLC在工业界享有，其PLC-5系列作为A-B家族中旗舰产品拥有许多功能模块，可以实现多种复杂的控制系统。此外，罗克韦尔的软件众多，功能强大，能够给予A-B的产品广泛的支持。
终，奇瑞公司确定选用罗克韦尔的PLC-5可编程序控制器、RSLogix 5编程软件、RSNetWork控制网组态软件以及RSView软件组成的自控系统来实现对总装车间的整个生产装配线的控制。除此之外，奇瑞公司二期工程的焊装输送线和涂装输送线也采用了罗克韦尔的A-B PLC。
PLC-5/40E CPU的特点是内存容量大、数据处理能力强、网络功能强大，带有以太网网口，不需要额外的以太网通讯模块。PLC-5/40E CPU使用钥匙开关改变处理器的操作模式：在运行模式下，用户不能创建或删除程序文件、创建或删除数据文件、或通过编程软件变操作模式；在编程模式时，用软件编程不能变操作模式；通过编程软件，在远程编程、远程测试、远程运行模式之间改变。
RSLogix 5编程软件具有的通讯能力、强大的编程功能以及的诊断能力、监控能力、运行控制功能。运用RSLogix 5梯形逻辑编程软件可以优化系统性能，节省项目开发时间，提高生产率。
上位机软件RSView32是罗克韦尔自动化公司推出的组态软件平台，其特点是使用方便，可以构造灵活的界面和强大的功能，能够开发出较强的组合画面。利用上位机软件RSView32，坐在控制室就可对现场的生产情况一目了然，实现监控生产。
系统结构与配置
罗克韦尔的通讯网络分为信息层、控制层和设备层。信息层应用以太网进行全厂的数据采集和程序维修；控制层应用控制网、DH+、DH485、远程I/O网络；设备层应用DeviceNet网络进行底层设备的、率信息集成。
罗克韦尔采用基于生产者/客户模式的通讯技术控制网，即传送对时间有苛刻要求的控制信息也可同时传送其他的信息，但对时间无苛求的信息不会影响对时间苛求信息的传送。
该控制网具有以下特点：
* 连续性；
* 传送与梯形逻辑程序的扫描异步；
* 以一个与用户在I/O映象表中所设定的通讯速率相等或快的速率传送，充分保证了控制网中的数据准确、、快速的发送、传递、接受和处理。
总装车间控制系统是一个基于DeviceNet网络的现场总线控制系统。控制系统由一个控制柜和四个远程控制柜组成，并与上位机和企业的以太网相连接。系统的层是设备控制层，主要实现对生产设备的现场控制与监控；控制网主要是通过上位机完成对全车间生产线的在线监测，并向设备控制层下达控制指令；上层是EtherNet网络通过EtherNet网络与公司的企业资源管理（ERP）系统连接，向ERP系统提供整个车间的生产数据
1、控制室
控制室采用RSView32组态软件。RSView32是高度集成、基于组件并用于监视和控制自动化设备和过程的人机界面软件，通过开放的技术扩展用户的视野，能够实现与罗克韦尔其他软件产品、微软产品以及三方应用程序的高度兼容。RSView32除了具备高质量人机界面软件的功能外，还能够提供特的系列工具以大限度地提升生产效率。
控制室承担了数据管理、车间数据采集、报警、趋势、数据记录及中文报表等工作。在控制室设有操作员工作站，操作员通过操作终端详细了解整个车间的生产运行情况，下达操作控制指令指挥整个车间的生产，以实现车间自动化控制。
控制室主要实现以下功能：
* 控制操作：在控制室对整个系统的被控设备进行在线实时控制。
* 显示功能：用图形实时显示各PLC站被控设备的运行工况；动态显示生产线工艺流程图，并能在流程图上选择弹出多级细部详图；动态显示各种信号的数值和范围清单。
* 数据管理：建立生产数据库、操作信息库、故障信息库。
* 数据处理：利用实时数据和历史数据计算主要生产指标。
* 报警功能：当装配线出现故障时，工人按下呼人开关和急停开关，装配线停止运行，并把故障信息输入到报，屏幕显示报警信息，打印机输出报警信息，声光报警，并可依据报警信息推出相应的动态画面。
* 报表功能：包括即时报表、日报表、月报表、年报表。
* 功能：按不同操作级别分级加密，并记录操作人的员工号和所有操作信息。
* 打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警的实时打印。
2、双行道板式输送机系统
总装车间有两套双行道板式输送机系统。该系统由四柱叉式提升机、助推器、回转举升台、传送机和接近开关等设备组成，每套系统由两条平板输送线组成。平行回行是一种非常复杂的控制技术，在国内处于技术的地位。该输送线能够在很大程度上降低工人的劳动强度，提高生产效率。因此，对控制系统技术的要求比较高，难度也比较大。设备控制和调试起来非常困难，要求控制系统的各个部分互相紧密配合，不能出现半点差错，这是控制中的难点和。
从四柱叉式提升机的控制系统中取一个信号，用来控制吊具从宽推杆积放式悬挂输送链到双行道板式输送机上或从双行道板式输送机到宽推杆积放式悬挂输送链上，过程之间的紧密衔接，以杜绝差错和故障的出现。同时，在现场设有自动/手动切换箱，以防生产过程中出现紧急事故。
3、车型吊具识别系统
在油漆车身上料点，操作人员将当前吊具号及车的信息输入到录入计算机中，然后通过以太网传送至PLC进行堆栈存储。录入计算机将车的信息通过识别系统写头写入载码体，通过以太网将吊具号及车的信息传送至上位机，并在录入计算机内存储，当录入完毕后向PLC发送信号。
上位机做出与输送线相对应的画面及参数，通过PLC给出的指针及录入计算机给出的信息进行显示，并与PLC给出的堆栈信息进行比较，上位机根据信息及要求控制出入库的道岔及停止器。当上位机出现故障时，操作人员采用人工控制运行，待上位机正常后从PLC调出堆栈信息恢复显示。
在库存入口处的识别系统读头读取载码体信息通过以太网传至上位机，上位机根据库存及车的信息控制入库区的道岔及停止器。当上位机出现故障时，操作人员人工控制运行，待上位机正常后从PLC调出堆栈信息恢复显示。
库区出口处，上位机根据计划及库区信息通过以太网控制停止器。当上位机出现故障时，操作人员人工控制运行。
载车吊具入口处，上位机根据识别系统读头读取载码体信息通过以太网传至上位机，然后上位机根据车的信息控制道岔及停止器。当上位机出现故障时，操作人员人工控制运行。
在装配悬链整车下线提升机工位处（ST48）设置识别系统读头，现场仪表板上线处设置显示计算机及打印机各一台。当车通过ST48工位时，读头将载码体信息读入，并在计算机处显示。
发动机上线完毕后，通过以太网发送一信息，计算机自动。计算机能依次显示3台车辆的信息，并能打印当天的产量及参数。
4、吊具储存区
总装车间吊具存储区分空吊具存储区和油漆车身吊具存储区。其中油漆车身吊具存储区由九条宽推杆积放式悬挂输送链系统组成，用来存储不同的车型和同种车型的不同颜色车身的吊具。
控制系统需要区分吊具的类型，在吊具进入存储区和移出存储区时需要鉴别吊具的类型，并与已经输入的信息进行比较。然后做出吊具应该进入哪一条悬挂输送线存储区，或者哪种吊具从悬挂输送线存储区出去的决定。
在空吊具存储区前有一个坏吊具识别和检修区，把需要检修的吊具送入检修区进行维修，正常的空吊具进入吊具存储区。
结束语
总装车间控制系统的特点同时也是控制的难点，主要体现在以下两方面：一是，要切实保证设备运行的性，在生产过程中出现任何微小的故障都可能导致重大的事故和的经济损失；二是，控制系统复杂的连锁关系，从载油漆车身的吊具上线到成品车下线，包括工艺链和快速链之间的衔接，需要设备的各个环节紧密配合，不能出现丝毫差错。
总装车间控制系统自动化程度较高、数据采集量大、控制站多，因此，对系统性的要求较高。通过采用罗克韦尔的产品和技术，系统基本达到设计要求，运行效果较好，运行稳定、，灵活地实现了复杂的连锁任务，具有较高的机电一体化水平。同时，该系统设计合理、，减轻了工人的劳动强度，减少了设备运行的故障率，提高了生产效率。
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