西门子6ES7223-1PL22-0XA8使用方式

西门子6ES7223-1PL22-0XA8使用方式

应市场要求，我们研发设计了宽幅平带平板硫化机系列机组，其主机要求3.2～6.4米幅宽、采用可解体预应力框架、多缸上位下压、低位节材、陶瓷电热、单高压液压站、可中割分幅、单层/双层设计，双向组线等。该机组定位于装备、国内及再生胶利用市场中高强钢绳运输带和片卷材生产用户，为保护知识产权，该系列机组关键技术拟申报发明。其中多缸同步与电热同步智能控制为本研发项目的要点之一。

1. 同步智能控制需求产生

通常，柱式、框架式平带平板硫化机的下位上压或上位下压采用分步供油大径液压缸方式，这些方式中，由于硫化过程中需对硫化生带施加1.5～3MPa的压力（国外厂家达到4MPa），致使液压缸体、本机机体庞大，耗材总量惊人，成本居高不下。异于以往设计，本研发设计采用反传统的多缸上位下压，而多缸中空行程部分采用气液补偿、作功保压部分采用薄型单作用高压千斤，开裆回程则采用反向同型高压千斤。研发过程中虽然设计了机械同步和采用单一高压泵站强制间歇供油，以及同型号的电液伺服阀控制，且所有电液伺服阀有相同的基本输入信号保持基本同步，通过调节电液伺服阀的输入信号控制进油量同步误差。但出于半闭环伺服控制要求，我们在各缸附加了静磁栅油缸行程检测仪，这是一种新型的油缸外置式位置传感器，其具备显示位置、闭环控制和通讯转换等多种功能。而这种机电液一体化位置控制需要考虑控制智能化。

其次，异于蒸汽-过热水、电热油或电热管加冷却水的双道热板加热方式，我们采用共烧陶瓷电热组件对热板加热，其以高热导率陶瓷——氧化铝瓷为基体，以耐热难熔金属作为内电形成发热电路，通过一系列特殊工艺将两片氧化铝生瓷片共烧而成（片状元件），其优点是: 1）结构简单；2)升温；3) 功率密度大； 4) 加热温度高逹400℃以上； 5) 热效；6）加热均匀； 7）无明火,使用； 8) 可实现复杂型状的平面加热； 9) 发热电路与空气隔绝，组件耐酸碱及其它腐蚀性物质，寿命长； 10) 组件本身及生产过程符合环保（ROHS）要求等，具备认证。采用陶瓷电热件，对节材，节水、降耗效果显见，其能对加热区域分别控温，对稳定硫化效果甚至于不同材质的覆层硫化平带具有柔性化，同样，这种电热控制也需要考虑控制智能化。

在硫化过程中，硫化压力和温度是为重要的参数，由于产品用途不同，硫化材质、配方不尽相同，硫化工艺参数亦多变，即便是细微变化，也是装备制造厂家研发设计时需要前瞻性综合考虑的。而上述两类控制智能化的整合思维则是本文成因。

2. 多缸同步控制

多缸配置中，采用基准缸的行程位置校准其余加压缸的位置传感器零点，而动/定热板均压分布筋采用FEA优化设计，机械同步、制造和使用误差采用传统压铅方法对冷热静态取值机械补偿，确定机械原始零点。但产品厚度偏差检测标时，需再次校核该原点。

同步控制过程如下：各非基准油缸的位置与基准缸位置静磁栅油缸行程检测同步误差经A/D转换采集到PLC或计算机，在预设控制智能化的软件算法下进行处理后输出数字控制量，再由D/A转换成模拟电压信号，通过调节电液伺服阀的输入信号控制差位油缸进油量同步误差，控制电液实现子系统驱动各油缸实现同步运动。误差到达容差平衡值时，加压系统进入保压状态，高压泵站停机。此后的泄漏造成误差由于密封件与油缸制造精度统一，基本控制在等同容差范围是肯定的。

3. 电热的同步控制

由于共烧陶瓷电热组件在制造过程中可能造成单件面积上的区域温差和件间差异化温差，因此，设计中采用夹装铝制均热板，测温采用每块共烧陶瓷电热组件相对的热板背面钻孔安置若干热电偶，而共烧陶瓷电热组件也分别控制供电。校正测温方法同传统方法无异，单一基准温度直接在HMI设定。

温度同步控制过程如下：各共烧陶瓷电热组件温度误差经A/D转换采集到PLC或计算机，在预设控制智能化的软件算法下进行处理后输出相对共烧陶瓷电热组件开关量信号，通过通断信号控制可控硅对其导通供电生热，实现同步控温。由于采用接近需要温度时，断电并逐渐补温，类似占空比方式保证温度波动限制在容差平衡值范围，因此也不用冷却水降温，但端头局部防硫化水冷装置仍然需要，因为钢热板随时间延长会均热，可能造成接头搭接部焦烧、过硫影响平带质量。

4. 整合控制智能化的实现

同步控制系统为关键的部分就是控制智能化方案的选择及优化。不同的控制方案都各具特色，都可以通过某种调整方式和调整原则达到预期的目的。经过比较分析，对上述同步采用FUZZY-PID复合控制。

模糊（FUZZY）控制不建立数学模型，鲁棒性较好，但其控制动作欠细腻，稳态精度欠佳，由于采用一部PLC或IPC进行控制，需兼顾控温和控位两方面要求，温度同步控制在此处可以采用模糊控制，同时，多缸位置同步在行程终点近达段以前也可以采用模糊控制，而接近终点平抑误差时采用PID控制为好，因此可以综合以上两种控制的优点，引入FUZZY-PID复合控制，来提高控制系统的综合性能。

模糊控制与PID控制相复合的方案为：设定一个域值，当误差在域值以外时，采用模糊控制，以获得好的瞬态性能；当误差落到域值以内时，则采用PID控制，以获得好的稳态性能。这种模糊控制与PID控制两种控制模式相结合的控制策略就是模糊-PID复合控制。

模糊-PID复合控制图

具体的控制程序中，采用相同的控制智能化的模块软件算法，只是相对于多缸同步和温度同步，将A/D转换的误差值换算成等量级误差数据，输出分别为D/A量和开关量，分别控制两项同步，在实际运行中，这两种控制随硫化工艺步骤一般不会同时发生，采用人工干预或轮询即可避免。同时，数据采集量和点数的A/D转换模块的需求也不一样，分段控制也是势在必行的。

5. 结语

平带平板硫化机是生产定型久远的成熟装备产品，国产机型和国外机型差距在于控制和稳定性的水平差异。研发新机定位在于拉近差距，所以，我们在研制宽幅平带平板硫化机时，对其关键技术多缸同步与电热同步智能FUZZY-PID复合控制做了整合探讨，其方法是一种的尝试，同时，也为同业研发技术人员一种借鉴思路，其抛砖引玉的目的是共同推动中国的橡机装备制造水准迈向世界的进展。

一、引言

在纸张分切设备的计数装置，能给用户提供具有计数十分的纸张分切盘子，我们采用西门子S5-115可编程控制器，构筑整个分切计数控制的程序，组成了测量，时间，控制，判断，确认等各种状态设计，并充分考虑到各种抗干扰特性，达到控制稳定,计数。

二、分切操作的现象与分析

分切操作中经常会遇到以下三种情况：

1． 正常的分切操作控制；
2． 在分切操作控制中遇到各种因素，如断纸后重新操作控制；
3．对已卷上的纸张进行剔除处理的操作控制（退纸操作控制）。

上述三种情况中，只要设备运行正常，原纸的生产质量好，一般经过种的分切操作控制，所分切出来的纸张计数基本上都能满足用户的需求。然而经过二种和三种分切操作控制，所分切出来的纸张计数情况就差了，通过复卷校对时，其计数控制要么少，要么多，由此带来了产品质量的麻烦和用户投诉。所以采用计数控制稳定，的计数控制系统就显得十分重要了。

三、可编程控制的应用

采用西门子S5-115可编程控制器，充分运用它的特点，能够较好的解决分切工在操作中，所遇到三种分切生产的现象使分切计数准确。只要把程序设定在所有需要的生产操作控制之中，就能使得计数控制稳定，计数精度准确。它的分切计数控制程序如下：

（一）正常计数控制

在正常的分切纸的操作生产中，当纸张由分切设备的各种引纸辊进人主辊，然后由卷取辊将纸张完成分切卷取。分切机的计数检测信号通常是从主辊上取出的。因此在主辊上装有的计数检测传感器，它就控制着整个分切计数检测的作用。分切操作工，根据纸品种的不同，可任意设定分切纸张的作业时间，也就是主辊转动分切的速度，我们可从已知的主辊的直径φ，得到一个单位的脉冲长度。若主辊直径φ=261.0mm，则单位脉冲长度＝φ*π/1000=0.81995568mm，当检测通过脉冲中个数等于N个时，那么就得到已卷取的纸张长度L=N*0.8199556mm。同时，在计数器接受脉冲个数前，我们将单位脉冲长度输人CPU内，通常将一脉冲代表长度（0. 88995568mm）除以一个因子100，得到81.995568mm，分别设置为A=81.99和B=5568两部分，分别储存在二个地址码中，如果复卷的盘纸实测长度与计数长度不等，则可以通过系统的编码开关加以修正，修正因子=实测长度/计数长度，使计数准确、。

（二）断纸后的计数控制

当因纸张的质量或者其它机器设备的原因等，引起断纸或者主辊停转时，由于机械运行的惯性，主辊此时仍有瞬间的运转时间，使传感器的检测仍会随着主辊的旋转而计数，这时就会引起检测计数的误差。因此在系统中需断纸检测信号，一般可采用光电传感器控制完成。只要一断纸，光电传感器就可检测到一个断纸信号。这样会马上使计数器停止计数，拒绝任何是否有计数脉冲信号的输人，从而就解决了由于断纸或机械停机的惯性所造成的计数误差。

（三）退纸计数控制

退纸控制是为了满足分切工艺的要求，在分切生产操作中，由于纸张的原因或设备机械转动的原因时常碰到断纸，所以要对纸张的接头做重新连接粘贴的操作，因此要对已经在卷取辊上的纸做剔除处理。也就是退出一部分纸张，这样就会使卷取辊上的纸张长度减少若干米，由于此时的生产操作，主辊是停止的，因此计数器上并未记录检测退纸的长度，这样重新启动时，总的计数就会缺少若干米，引起计数不准，通常所说的少数米。因此这时就要有一个“补偿”功能设置，通过在卷取辊上的检测传感器得到一个每转一圈的脉冲信号，输人到计数器内。当主辊重新启动时，计数器则从卷取辊上的脉冲信号与主辊上的脉冲信号进行采样叠加，得到一个变化的△信号。只有当主辊重新再检测到一个F= F（主辊原先的计数值脉冲）＋△F（卷取辊退纸计数脉冲），这时才重新开始计数，否则不计数。这样就将损失的退纸部分计数补偿了，从而解决了退纸时所产生的计数误差问题。

四、结束语

由于本系统结合分切工艺生产操作的实验，充分利用了原有分切机的设备和设施，利用西门子S5-115可编程控制器的优异性能，使得实际生产操作控制简单方便控制灵活。稳定计数准确率十分和准确。在设定分切操作每盘长度计数为5000米一般纸张时，不管在设备运行中发生什么情况，如断纸或者退纸，它的计数率可达到千分之一。

1 概述

从MIT开发出台三轴铣床数控系统到现在的四十多年中，数控系统的设计方法经历了的变化。特别是近十年来，随着计算机技术的迅猛发展，数控系统从整体结构到详细设计，从软件设计到硬件设计，都与早期的数控系统有了很大不同。早期的数控系统出于效率的考虑，许多功能采用硬件电路实现，性很强，可维护性、可扩展性比较差。另一方面，通用计算机的运算速度随时间以指数规律不断提高，现在一台微机的运算能力已经达到或过了早期的小型机，而且，通用型微机应用广泛，有完善和开放的标准，有众多外围硬件设备和丰富的软件资源的支持。借助微机进行数控系统的开发可以达到事半功倍的效果，因此成为目前数控领域的趋势。

五轴联动数控系统联动轴数比较多，同时又涉及到两个回动，插补算法复杂，而且其各组成部分，如伺服驱动单元、位置反馈单元、误差补偿、电气控制、机床机械结构等在不同的应用场合有不同的特点，在系统整体设计时对此应有充分的考虑。目前，多数数控系统不能满足这种多样性的需要，对不同的应用场合，就得选用不同型号的数控系统，这势必增加开发与维护费用。研究开放式数控系统及其功能部件，就可以根据用户需要，比较容易地对整个数控系统进行重新组合，以提高系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容性。

2 数控系统硬件的开放化设计

2.1 硬件设计的一般原则

传统数控系统的硬件设计分为两个流派：采用芯片的大板结构与总线式体系结构。大板结构对用户而言是一个封闭的系统，功能的扩展与系统维护都受到限制。总线式结构有一定的灵活性，但由于这种总线由生产厂自己确定，缺乏共同的行业标准，不同厂商的产品之间不具备互换性，所以，这种设计方法已不适应现代制造业的需要。另一方面，随着计算机技术的发展，微机的速度与十几年前相比是天壤之别。在这种形势下的软硬件设计中，人们关注的出现了由效率向互换性、可维护性转移。受其影响，在数控系统的设计进程中，由大板结构或总线向标准总线、可重组的单元模块发展成为趋势。

硬件设计的开放化主要体现在总线标准上。开放化的数控系统是由多种模块构成的，模块通过标准的总线连成一个整体。总线的选择应当满足三个要求：①在技术上有一定的性，能够满足数控系统各种功能模块对信息交互的需要。②总线标准开放，且在上得到广泛认可与应用，而不是由某个厂商自己定义使用的某种特殊总线标准。③具有高度的性。

选择了合适的总线标准后，才能进行各功能模块的设计。在数控系统中，主要的功能模块有：运动轴位置控制模块、电气控制模块、机床操作面板及数控面板接口模块、通讯模块、显示模块等。功能模块应当能够重新配置，以免不同模块I/O端口地址及中断类型发生冲突。

2.2五轴联动数控系统的硬件设计

在五轴联动数控系统开发过程中，我们选择工控机作为设计的基础。工控机本身符合多种工业标准，是一种开放化的计算机系统，与常用的微机有良好的兼容性，有大量的软硬件的支持。目前工控机底板插槽总线类型主要有两种：ISA总线(工业标准总线)和PCI总线(外围设备接口)。ISA总线的速率比较低，但已能满足数控系统的需要。同时，高总线速率会对各功能模块的硬件提出高的要求。因此，我们选用ISA总线作为所有模块设计的基础。

由于五轴联动插补算法复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，我们选用Pentium 166 CPU完成插补运算。另外，系统中各个坐标轴还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，且控制轴数比较多，该任务与插补共用一个CPU会导致数控系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中，较好做法是每根轴采用一个立的CPU进行控制，采用层次式体系结构构成系统。根据位置控制CPU与主机交互信息方法的不同，分为两种结构(见图1)。种结构把位置控制板直接插到工控机底板的ISA插槽中，在这种情况下，主机与多个位控板之间直接进行信息传输，由于位控板CPU速度低，数据通讯阶段会浪费主机CPU资源，控制轴数越多，主机CPU的效率就越低。此外，主机还需采取措施来保证多个位控板在时间上的准确同步。因此，我们选择了二种结构。二种结构采用单的通讯机完成主机与位控板之间的信息传递。通讯机一方面通过双口存储器与主机之间进行信息交换，另一方面通过自建的局部总线与位控板进行信息交换。双口存储器容量为2kb，它同时也起数据缓冲器的作用。这种方案大大减少了主机用于信息交换的CPU时间。

图1 分布式多CPU数控系统的两种结构

通讯机在系统中起着承上启下的作用。它接收Pentium 166插补得出的各坐标轴位置指令，通过并行口把这些指令分发给位控板。另外，通讯机还提供对数控面板按键及指示灯的管理功能。通讯机的设计见图2。图中的ISA总线，提供了通讯机与位控板之间传输信息的通道。这时的“ISA总线”是根据位控板及常用控制插卡的需要而设计的，它重建了标准ISA总线的部分信号，包括：I/O操作所需的各种信号线、中断信号线、就绪控制、电源线等。按照“ISA总线”设计的位控板与标准的ISA总线兼容。这样做有两个好处：①在系统开发阶段，通讯机与位控板的设计和调试工作可借助微机各自单完成，两者之间无先后依赖关系；②在控制轴数较少的系统中，可以采用图1 中的种结构，把位控板直接插到工控机的底板上，方便地实现对系统的重组。

图2 通讯机设计原理

在设计过程中，在通讯机与位控板之间，我们曾采用了自定义的总线。总线效，但根据总线设计的位控板与工控机不兼容，互换性较差，开发、调试与维护都比较麻烦。为此，我们对这一部分进行重新设计，走开放化道路，采用“ ISA总线”向标准总线靠近，收到了良好的效果。

3 数控系统软件的开放化设计

开放化数控系统的软件设计需要选择合适的操作系统和软件开发工具。目前常用的操作系统如DOS、bbbbbbs 3.1、bbbbbbs 95、bbbbbbs NT等均被应用到数控系统中。DOS本质上是一种单任务操作系统，在DOS下的多任务只能通过中断技术来实现。数控系统各软件功能模块一般不能同时执行，若要同时执行，需自行解决模块之间的调度问题。但DOS的规模很小，人们对DOS的了解比较多，在DOS上开发应用程度相对容易。bbbbbbs 3.1是一种非抢先多任务操作系统，可同时完成多个任务。其缺点在于某个任务，如任务A得到CPU资源时，其它任务是否能顺利执行完成取决于A是否能及时处理完其本次事件，因此实时性没。bbbbbbs 95和bbbbbbs NT都是性能优异的抢先式32位多任务操作系统，操作介面良好，就功能而言，适合数控系统的需要。但在工业场合使用，其稳定性有待证实。综合考虑的结果，我们选择了DOS操作系统。与此相应，我们选择Turbo C＋＋ 3.0作为软件开发工具。

软件设计工作分为三个部分：主机软件、通讯机软件和位置控制卡软件。制订完善的通讯协议是其要问题。为了保证传输数据，通讯机构件采用分时处理的方法分别完成与主机及位控卡的信息传输。其时间上的同步关系见图3。时间片的划分及三部分之间的同步关系由通讯机进行控制。时间片开始时，通讯机向主机及位控卡发出同步信号，通知主机向双口RAM中写入新的数据，同时使位控卡开始位置控制运算。二个时间片内，通讯机从双口RAM中取出位置指令，分发给各个位控卡，同时从各位控卡采集实际位置数据，写入双口RAM。

图3 数控系统各进程之间的关系

主机软件主要由NC程序编辑模块、手动操作、电气控制模块、通讯模块、自动加工、机床参数调整、系统定位、螺矩补偿等功能模块构成。下面以电气控制模块为例说明软件模块的开放化设计方法。

电气控制是所床的一部分。在数控机床中，其实现方法有三种：外装式PLC、嵌入式PLC和虚拟PLC。市场上现有的各种PLC一般具有通讯功能，可以通过通讯接口与数控系统构成一个整体，这种电气控制方式称为外装式PLC；此外，也可以设计一个智能型I/O接口卡，通过总线直接与数控系统构成一体，卡上带有CPU，完成开关逻辑运算与控制，这种方式为嵌入式实现。也可以直接利用数控系统主机CPU周期性地进行逻辑运算，配合普通的开关量 I/O卡实现对电气开关的控制，这种方式称为虚拟PLC。

如果采用常规的程序设计方法，对于以上三种电气控制方式，就得设计不同的软件接口，数控系统软件主体就会直接涉及到电气控制的实现方式及其细节，一旦控制方式发生变化，将不得不对软件进行大量。这样编写出的软件通用性较差，难以适应预料之外的变化。为了增加软件与硬件之间的相互立性，我们运用面向对象技术对系统进行了开放化设计。

显然，不论哪一种控制方式，其目标都是相同的。经认真分析，我们找出了三者之间的共同点，由此得出一抽象类CPlc，它提供了数控机床电气控制所有的外部特征，为数控系统主体软件提供了完备的消息处理函数，数控系统中其它部分只需向PLC对象发送消息(message)就可使电气开关做出相应的动作。该部分不涉及电气操作过程中的细节。

在抽象类CPlc的基础上，针对三种方式分别定义了派生类CExernalPlc、CbbbbbPlc和CVirtualPlc,在这些类中，完成消息的解释及硬件的操作。按照这种设计思想得到的电气控制部分软件具有图4所示的结构。由图中可以看出，这种设计方法在数控系统主体软件与电气控制硬件之间加入了抽象类层次，使其相互依赖性减弱，成为相对立的两部分。运用这种方法得到的数控系统软件具有与设备无关的特征。当有新的硬件设备出现时，只需在原抽象类上派生出新的对象类，按照共同的标准对消息进行解释，操纵硬件做出相应的动作即可，对软件其它部分做任何修改，大大提高了软件设计的效率，实际上，在对消息的数据结构及其意义做出明确的规范后，其它任何人都可以参照该规范设计出新的电气控制硬件及相应的驱动程序，集成入系统中。这也是软件开放化设计的主要目的。

图4 电气控制软件的抽象化设计

上面以PLC为例说明了数控系统软件开放化设计的思想。我们按照这种思路完成了数控系统的软件设计。虽然在开发初期反复做了多次分析讨论，但在系统结构确定后，软硬件开发还是比较顺利的。从开发过程和联机调试情况来看，开放化设计可以有效缩短软件的开发周期，提高数控系统软件的质量。

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