西门子中国授权一级代理商电源总代理商供应

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日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼的高位水箱，再供应给用户。蓄水池中的水一般是由**自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响居民的身体健康。但是为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以稳流罐、负压器和不同功能的传感器等，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。不对**供水管网产生负压，适用于一切需要增高水压、恒定流量的给水系统。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。结合使用可编程序控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定，大大延长了设备的使用寿命。

1　系统设计

(1)原理

系统采用2~3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保管网的压力稳定时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，表现为变频器已工作在速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLC再停掉2台工频运行的电机，直到后一台泵用变频器恒压供水。

所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

(2)系统硬件

系统选用了西门子公司的S7-200 (CPU224XP CN )PLC，主要检测元件有水位检测、执行继电器状态等，共计14个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等，共10个输出点。模拟量有压力检测、变频器运行频率检测和压力比对检测，共2个输入、1个输出量。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。水泵分别由变频器软起动，旁路工频运行，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为使用触摸屏或文本显示器等设备软控制和PLC自动控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的工频起、停。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。系统原理图如图1所示。

2　系统软件

为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。

(1)手动运行模块

当系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。

(2)自动运行模块

图2　自动运行模块流程图

自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。自动运行模块流程图如图2所示。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。

控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按PID控制规律进行。 

电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到50 Hz(即水泵全速运转)时仍不能满足供水需要时，则PLC自动将台泵切换到工频运行；2台泵由变频器供入运行，如果2台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将2台泵切换到工频运行，3台泵由变频器供入运行，依此规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin（设定变频器频率下限）时，供水量仍大于用水量，则系统自动将三台泵停止运行。同样，三台泵停机后，如果此时供水量还大于用水量，则系统自动将二台泵停止运行，依此类推。电机控制子程序功能图如图3所示。

(3)故障诊断和报警输出模块

变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等元件的辅助触点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指示灯亮等。

3　结语

变频调速恒压供水系统具有节能、、的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。另外，S7-200(CPU224XP CN )PLC基本单元提供二个RS-485接口，一个与触摸屏或文本显示器（系统参数显示、设定、系统运行软控制设备）等设备通讯控制，另一个可以与楼宇监控进行通讯，实现无人远程控制。

随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。

一、机型的选择

我国市场行的有如下几家PLC产品：

1．施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

2．罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；

3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；

4．GE公司的产品；

5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列产品。

PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合

应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。

二、I/O的选择

PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。

PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

（一）确定I/O点数

根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

（二）开关量I/O

开关量I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

（三）模拟量I/O

模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。

（四）特殊功能I/O

在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。

（五）智能式I/O

当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

综上，表3归纳了选择I/O模块的一般规则。

表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则

三、存储器类型及容量选择

PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法

四、编程器和外部设备的选择

在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。

五、实例

（一）利用三菱PLC实现对印刷机的控制

印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，因此采用双机通讯。上位机采用三菱的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485, 通讯，通讯方便，。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次。

（二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用

在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到性、性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，了显著的效果。

六、结束语

随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统

1. 微机基本子系统

它是整个系统的，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

2. 数据采集子系统

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

3. 数据分配子系统

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

4. 基本I/O子系统

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

1. 上位机软件设计

上位机软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

(1) 初始化模块

硬件初始化

对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化

包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

(2) 数据采集模块

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

(3) 检测/控制模块

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

(4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等。

(7) 故障自诊断与处理模块

它是提高系统的性和可维护性的重要手段，主要采取开机自检的形式，每当电源接通或复位后，系统自动执行一次自检程序，对硬件电路进行一次检测。上位机软件主要程序流程

通过对应急发电机自启动要求的分析，结合装备现状、配电系统的设计要求，利用PLC（可编程控制器）改造现有设备的优势，提出了详细的设计思路和方案以供参考。
通常传统发电机控制采用落后继电接触器控制方式，中间继电器和时间继电器太多，体积大，功能少，寿命短，线路复杂，接点多，造成故障多性差，维修困难；而采用微电子技术由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，，工艺复杂，抗干扰性差，性差；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
应急发电机组用PLC控制有很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的性与抗干扰能力；由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，使系统的“柔性”大大提高。

主要设计功能
在生产过程中突然停电，应急发电机立即给设备继续供电。应急电源原动机一般采用一台立冷却和供油系统的柴油机，并设有自启动装置，保证在主站失电后0-50秒内启动，应急电网通常为主电网的一部分，在正常情况下，这些用电设备由总配电板供电，只是在应急情况下由应急发电机组供电，因此在应急配电板上的应急发电机主开关与主开关向应急配电板供电的开关之间设有电气联锁，以保证。
应急发电机组作为一个应急电源，应具备以下基本要求：

1、自动启动
当正常供电出现故障(断电)时，机组能自动启动、自动升速、自动合闸，向应急负载供电。
2、自动停机
当正常供电恢复，经判断正常后，控制切换开关，完成应急电到正常电的自动切换、然后控制机组降速到怠速、停机。
3、自动保护
机组在运行过程中，如果出现油压过低（小于0.3MP）、冷却水温过高（大于95度）、电压异常故障，则紧急停机，同时发出声光报警信号，如果出现水温高（大于90度）、油温高等故障。则发出声光报警信号，提醒维护人员进行干预。
4、三次启动功能
机组有三次启动功能，若次启动不成功，经10秒延时后再次启动，若二次启动不成功，则延时后进行三次启动。三次启动中只要有一次成功，就按预先设置的程序往下运行；若连续三次启动均不成功，则视为启动失败，发出声光报警信号（也可以同时控制另一台机组起动）。
5、自动维持准启动状态
机组能自动维持准启动状态。此时，机组的自动周期性预供油系统、油和水的自动加温系统、蓄电池的自动充电装置投入工作。
6、具备手动、自动两种操作模式。

控制系统的硬件设计
应急电源多采用135系列的柴油机组，下面就以此为例用PLC实现对柴油机自启动的控制。
电路分析
设计说明：控制面板上有“手动/自动”选择旋钮， “启动”、“加速” 、 “减速、”“合闸”、“分闸”按钮，柴油机上加装接近开关(旋转编码器),用于测速度，加装油门电机用于控制柴油机转速，加装电磁铁用于停机熄火，电压检测、水温、油压都是外部开关信号。
一次启动过程：正常电失电后，经5秒确认，“启动电机”启动4秒钟，如柴油机发火运行，则接近开关(旋转编码器)测到柴油机达到启动转速，PLC立即停止“启动电机”。柴油机怠速30S后开始根据接近开关的信号加速，直到稳定转速，发电机开始发电，电压正常后合上主开关向负载供电。运行中PLC自动稳定转速。
三次启动过程：若一次启动未成功，则接近开关(旋转编码器)测到柴油机达不到启动转速速度，并在5秒后测不到柴油机转速，由PLC内部的定时器来进行控制进行再次启动，以10秒作为一个周期，三次启动时间约30秒，32秒后输出报警，如启动中接近开关(旋转编码器)测不到柴油机达转速，则直接启动失败。
启动失败及柴油机组停机：启动失败后，电磁电把油门拉回到“停机”位置，当正常电恢复时，PLC发出分闸信号并由油门电机减速到怠速60S后，电磁电将油门拉回“停机”位置，柴油机缺油熄火。
并可根据用户需要增加小型人机界面，以文字﹑指示灯﹑图案等形式显示柴油机的各种数值及状态。并可通过其面板的按钮改变柴油机的数值及状态。可修改有与时间有关的参数，对输入的数据进行范围设定，出范围的数据拒绝输入。可以对柴油机的各种故障以文字形式显示以便于查找故障，如三次起动失败，转速高，缸温高，市电供电等等。带密码保护功能，可以防止非授权用户改重要数据和开关量。机组--自控的特点

（1）机组由柴油机发电机组和控制柜组成，可以单机单柜、双机单柜或联网自动化控制（无人值守）。
（2）控制柜的是可编程序控制器（PLC），通常选用选用北京凯迪恩公司CPU306小型可编程序控制器，运行，质量稳定。
（3）充分利用PLC的指令和功能编制程序，尽量减少外围控制元器件和接口，电路简单，操作方便，便于维护。
（4）利用PLC的高速计数器功能，准确测出机组转速，不采用原来的测速发电机、转速表，避免了安装困难并提高了性。
（5）控制器采用直流24V供电，并配备的高频开关式直流充电设备，可对蓄电池进行浮充电，保证控制柜直流供电。
（6）PLC中的EPROM（只读存储器）可固化程序，使原程序长期不丢失。
（7）利用PLC的通信功能可实现近程、远程集中监控。

技术要求：

采用旋转编码器比接近开关性能效果好。

接近开关技术要求：

螺纹式接近开关检测距离10mm±10%工作电压DC型：10-30VDC 三线型响应频率400Hz

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。
根据所需的输入/输出点数选择PLC机型
根据自动化机组的控制要求，所需PLC的输入点数为14个，输出点数为10个。系统的控制量基本上是开关量，只有电压是模拟量，为了降，可以通过电路把模拟量转换成开关量、如电压监测可以用电压保护器代替。这样可以选用不带模拟量输入的PLC。对于小型发电机可不加装油门电机用于控制柴油机转速。本系统选用北京凯迪恩公司CPU306小型可编程序控制器，性高，体积小，输入点数为14个，输出点数为10个。电源、输入、输出电压均为24VDC

引言

PLC以其性高、逻辑控制功能强、体积小、适应性强和与计算机接口方便等优势在工业测控领域广泛运用，已大量替代由中间继电器和时间继电器等组成的传统电器控制系统。近年来，PLC技术发展迅猛，新产品层出不穷。PLC不仅擅长开关量检测和逻辑控制，而且能够处理模拟信号、进行位置控制和回路控制，还可以连接各种触摸屏人机界面并具有强大的网络功能。PLC配备适当的位置控制单元和触摸屏人机界面，并根据计算机集成制造系统(CIMS) 或柔制造系统( FMS) 的具体要求，配置相应的网络模块或网络单元，即可实现网络互连，构成开放的数控系统。本文介绍一种基于OMRONPLC的磨削数控系统，这种数控系统装备的位置控制单元可以实现两轴联动，并可根据实际需要，任意扩展控制轴数；触摸屏人机界面可以根据操作需要灵活设计；还可通过DeviceNet、Controller bbbb和TCP / IP协议单元进行多层次的网络互连。这种数控系统目前已在3MZ2120磨床数控技术改造中获得成功应用。

1、数控系统的开放特征与典型模式

开放式数控系统一般基于PC平台，具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发和适应联网工作等特征。基于PC平台的开放式数控系统目前有3种典型模式。种为衍生型(NC + PC) ，在传统CNC中插入专门开发的接口板，使传统的CNC带有PC的特点。此种模式是由于数控系统制造商不能在短期内放弃传统的CNC技术而产生的折中方案，尚未实现NC内核的开放，只具有初级开放性；二种为嵌入型( PC +NC控制卡) ，将基于DSP的高速运动控制卡(NC控制卡)插在PC的标准扩展槽中，由PC机执行各种非实时任务，NC控制卡处理实时任务。是目前基于PC平台的开放式数控系统的主流；三种为全软件数控系统，PC机不仅能够完成管理等非实时任务，也可以在实时操作系统的支持下，执行实时插补、伺服控制、机床电器控制等实时性任务。这种模式的数控系统实现了NC内核的开放和用户操作界面的开放，可以直接或通过网络运行各种应用软件，是真正意义上的开放式数控系统。与PC平台开放式数控系统相比，基于PLC的数控系统的开放性主要体现在网络层面和系统扩充层面。PLC采用类似于PC的总线结构和面向操作的梯形图语言编程，模拟量处理单元、位置控制单元、回路控制单元、网络模块或网络单元等部件都有控制语句，具有系统构建灵活、扩充能力强、应用软件设计便捷等优点。编程语言标准化和部件可互换性的不断增强，现场总线技术和工业以太网络标准的普遍采用，都使基于PLC的数控系统变得加开放，将成为面向CIMS或FMS的设备层的重要组成部分。

2、基于PLC的磨削数控系统

基于PLC的磨削数控系统组成结构如图1 所示。

图1 磨削数控系统组成结构图

2.1 开关信号监测与逻辑控制

当前系统输入输出单元是PLC的基本组成部分，在磨削数控系统中承担所有开关信号的监测和全部逻辑控制功能。监测信号主要有：机械手进出、机械手上下、料盘正反转、修整器起落等动作的位置信号，磨削设备和辅助装置上的各种工作状态信号和异常报警信号。系统输出单元控制磨削设备上所有电磁阀和机床电器系统等，通过磨削设备上的液压系统，控制机械手、料盘、工件卡盘、砂轮轴、床身、修整器等基本部件和冷却、润滑、过滤等辅助装置按照磨床动作和磨削工艺要求工作，实现磨削加工过程的自动化。

2.2 工件与砂轮运转速度控制

保持工件与砂轮转动速度恒定，对提高磨削加工质量十分有利。为此系统配备了2台带RS - 485串口变频器，分别驱动工件轴和砂轮轴。PLC采用联机随动控制保两者之间速度的配合与稳定。操作人员依据磨削加工要求设定工件轴变频器速度参数，PLC接收该参数后，参照砂轮直径(设定或记忆值) 和转动速度比例关系，计算并自动设定砂轮轴变频器的速度参数。在磨削加工过程中，PLC对砂轮在磨削及修整过程中的损耗给予速度自动补偿。PLC多可以控制32台变频器，不同厂家的变频器可采用协议宏通信联接。PLC按照变频器地址( 0 - 31) 、指令代码和相关数据顺序向变频器传送命令，对变频器运行、停止、正转、反转等实施控制；PLC还可以监视变频器运行状态，当变频器发生过电流、过电压、变频器过载、硬件异常、电机过载、过力矩检测、电源异常、通信时等情况，可将异常参数传输给PLC，由PLC作出相应处理。

2.3 位置控制单元(PCU) 与位置控

制PLC配备单轴位置控制单元，与步进电机或交流伺服电机驱动器配套使用，可以完成开环或半闭环位置控制及速度控制，配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制，实现直线和圆弧曲面等加工控制。目前各主要PLC制造商都已推出与PLC配套的PCU，具备高速和的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU 自带PCU 的位置脉冲速度为1kBPS，PCU 的速度可达到500kBPS，松下PP2 或PP4 系列的位置控制速度高达1MBPS。采用PLC设计数控系统，需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择适合的位置控制单元( PCU) 。磨削数控系统控制精度要求较高(F1μm) ，一般选择数字交流伺服系统。OMRONPLC指令控制脉冲输出，可选择梯形、S形或三角形速度曲线运行，实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。程序设计可选择相对坐标系或坐标系，按照图2 所示的梯形图编程运行，可实现各种磨削加工所应遵循的运行曲线。

图2 位置控制编程示例

图3表示该数控系统准确实现铁路轴承内套挡边粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。

图3 磨削加工中的砂轮运动轨迹

2.4 触摸屏人机界面设计

基于PLC的磨削数控系统可选用触摸屏人机界面( Programmable Ter2minal，PT) ，采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等) 以及动画功能等，按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以3MZ2120磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要，该系统主界面下设8个子画面(图4) 。

图4 界面转移关系示意图

系统上电自动进入主界面，核对操作密码后弹出主菜单，在主界面上点击操作可转移相应的子界面。加工参数和修整参数设置界面提供设置数控磨削相关参数提示；手动操作和手动修整界面用于前、快退、慢前、慢退、返回等手动位置控制和手动修整砂轮操作，为设备调试提供便利；自动报警界面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计，对油雾润滑、液压系统、机床电器系统、料槽状态、冷却系统和伺服电机等实施监测和自动报警，当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(报警时间、故障代码及应对措施等) ；自动运行界面(图5) 采用棒图显示当前磨削余量值；采用动画方式实时显示加工状态和加工位置等。还设有“紧急停车”等应急按钮。PT有RS232 /422 /485 通讯口，能够兼容众多厂家的PLC。人机界面应用程序可脱机编制和调试，然后下载到PT上运行，PLC一般通过RS232接口与PT相连。许多PT还配备并行接口，可直接与打印机连接，实时打印数据或进行屏幕拷贝。

图5 自动运行界面示意图

2.5 网络结构与联网功能

灵活的网络结构和强大的联网功能是PLC的重要特征。OMRONPLC配有标准RS232接口连接触摸屏人机界面、上位机或编程工作站。还可扩展DeviceNet通信单元，使各种符合DeviceNet通信协议的产品都可以连入系统中，以构成基于DeviceNet开放式现场总线的数控系统；系统与车间管理层计算机及车间其它PLC 的连接可以采用Controllerbbbb方式，在PLC中扩展Controller bbbb 通信单元，车间管理层计算机装备Controller bbbb支持卡即可实现互连，由底层DeviceNet设备、基于PLC的数控系统或其它测控设备和车间管理层计算机构成3层递阶结构的网络测控系统。PLC一般都可配置符合TCP / IP协议标准的以太网单元，支持远程监控等应用。

3、结束语

广泛建立计算机集成制造系统(CIMS) ，提高制造自动化水平是我国制造业发展的重要方向。然而缺少设备层的有力支持正逐渐成为发展CIMS 的“瓶颈”，研究开发各种面向CIMS的数控装备显得十分重要而紧迫。基于PLC的数控系统具有系统构建灵活，应用软件设计便捷等优点。灵活的网络结构、强大的联网功能和系统扩充能力使这种数控系统具有一定的开放性，将成为CIMS设备层的重要组成部分。本文所述基于OMROMPLC的磨削数控系统已成功应用于3MZ2120 磨床数控技术改造，使原来手工操作的磨削设备成为的数控磨削设备，并在铁路轴承内套挡边磨削加工中发挥了重要作用。