FX2N系统集成在玻璃钻饰自动磨钻机上的应用

一 概述
由于玻璃钻饰品外型的特异性，玻璃钻饰品的加工和检测基本上处于手工或半手工状态，耗费较大的人力资源，效率低下，而且产品质量不一，很难保证产品质量的均衡性和持续性。二年前受广东某玻璃饰品有限公司的委托，我公司代其开发专用机电一体化加工设备------玻璃钻饰自动磨钻机，目前该设备已投入试生产运行，本人独自担当了整套设备的电控系统集成设计任务，该设备的自动化程度较高，逻辑控制比较复杂，设备的控制核心由三菱FX2N系列PLC和扩展模块以及FX2N-1PG特殊模块集成，本人在此想同大家交流一下该系统的集成过程和应用体会。
二 磨钻机用途
本磨钻机主要用于加工玻璃钻饰品，加工原料为球状态玻璃，可加工直径为φ1.0mm---φ10.0mm间的球状玻璃，加工面为17个，分别为台面一个，冠面8个，亭面8个，如下图所示：

三 磨钻机组成
为了减小设备体积，节约设备制造成本，提高生产效率，整台磨钻机设备设计成双边进料交叉加工形式，所以，整套设备有许多相同的部件，由以下各主要部件组成：粘杆夹具（4个）、上料机构（2个）、下料装置（2个）、翻转机构（2个）、磨抛机构（2个）、导轨齿条及支架等。
整个设备长约8米，宽约2米，高度约为2米。外型见所附设备照片。
四 磨钻机传动
磨钻机夹具在水平方向的移动定位要求较准确，故采用导轨导向，齿轮齿条传动，步进马达驱动方式，磨头、抛头以及磨抛转换采用普通三相异步交流电机驱动，上料机构、夹具垂直方向运动、磨抛换面等均采用气缸气动传动。
五 磨钻机加工工艺
磨钻机加工工艺过程比较简单，设备单边加工工艺过程如下：粘沙——上料——烧结——磨切——抛光——（换面——磨切——抛光，共八个循环）——下料。
六 磨钻机机械运动过程
按每个位置加工功能分，磨钻机有四个加工工位，分别是：粘沙位、上料（下料）烧结位、转接位、磨抛位。由于两边的加工过程一样，所以以一边为例说明其机械运动过程。
为了便于方便描述，把加工冠面的夹具称为冠面夹具，加工亭面的夹具称为亭面夹具，相应地，加工冠面的换向气缸称为冠面换向气缸，加工亭面的换向气缸称为亭面换向气缸，加工冠面的磨抛机构称为冠面磨抛机构，加工亭面的磨抛机构称为亭面磨抛机构。具体机械运动过程如下：（参看《磨钻机总图》）
自动开始，系统找原位------在粘沙位冠面夹具和亭面夹具定位——冠面夹具和亭面夹具在气缸带动下同时向下粘沙——粘沙完成后两夹具向上——冠面夹具在步进马达的驱动下向前移动到上料位（而亭面夹具则在另一步进电机的带动下向前移动到转接位，并在翻转气缸的驱动下做180°的翻转，做好转接准备）——上料机构在气缸驱动下向上上料——上料完毕，上料机构向下，同时冠面夹具在步进马达的驱动下移动到磨抛位（冠面夹具开始作周期性往复慢行，直到抛光加工结束为止）——冠面夹具在气缸的驱动下向下磨台面——加工完台面，冠面夹具垂直向上，同时撤消冠面夹具定位，——冠面换向气缸1动作换面，——冠面夹具向下磨第一冠面，——磨完冠面1，冠面夹具向上——撤消冠面换面气缸1——冠面换向气缸2动作换面——冠面夹具又向下磨第二冠面（如此这样，一直把第八个冠面磨完）——然后，冠面夹具向上，磨抛机构在电机的驱动下做工180°的旋转，准备进行抛光，（抛光接着从最后一个被磨冠面即第八冠面开始）——冠面夹具向下——抛光第八冠面——第八冠面抛光完毕，冠面夹具向上——同时撤消冠面换向气缸8——冠面换向气缸7动作——然后，冠面夹具向下抛光第七冠面（如此这样，直到把第一冠面抛光完成）——冠面夹具向上——冠面夹具定位气缸动作定位——冠面夹具向下抛台面——抛光完台面，冠面夹具向上（磨抛机构准备180°转换）——冠面夹具停止往复慢行，然后找基准——冠面夹具在步进马达的驱动下向后移动到转接位——亭面夹具向上转接玻璃球——点火烧结——亭面夹具向下——亭面夹具作180°翻转——转接完成，（冠面夹具则在步进马达的驱动下向后移动到粘沙位，开始冠面夹具下一周期循环工作）——亭面夹具移到磨抛位——亭面夹具撤消定位（亭面夹具开始周期性往复慢行，直到亭面磨抛加工完成为止）——亭面换面气缸1动作——亭面夹具向下——磨第一亭面——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸1——亭面换面气缸2动作——亭面夹具向下——磨第二亭面（如此这样，直到把第八个亭面磨完）——亭面夹具向上（亭面磨抛机构180°转换，准备抛光）——亭面夹具向下——抛光第八亭面（接着从最后被磨的第八亭面开始抛光）——亭面夹具向上，撤消亭面换面气缸8——亭面换面气缸7向下——抛光第七亭面（如此这样，直到把最后一个亭面即第一亭面抛光完成）——亭面夹具停止往复慢行，找基准——亭面夹具向上（亭面磨抛机构准备180°转换）——亭面夹具定位——亭面夹具在步进马达的驱动下向后移动到下料位点火——下料——亭面夹具向后移动到粘沙位粘沙——（亭面夹具下一周期循环开始）
至此，一个玻璃饰品的加工已完成。
七 磨钻机控制方式
设备控制有手动、自动、停止三种方式，在自动方式下又分为全自动和单步自动两种，停止也分为自然停止和紧急停止两种，下面加以详细解释：
. 手动
手动方式的设立主要是方便于设备调试、维护，在手动方式下，
可任意起停各相对独立的每一可动部件，如每一气缸运动、马达的起停等。
. 自动
自动分为全自动和单步自动。
全自动是指设备两边自动同时上料交叉加工，完成一周期加工后，自动再上料加工，直到接收到停止或故障命令为止。
单步自动是指设备一边进行全自动上料加工，另一边可不进行加工。
. 停止
由于设备自动工作后，一直处于不断自动上料加工状态，所以，设备停止分为自然停止和紧急停止。
自然停止是指按下停止按钮后，设备并不马上停止，而是进行完当前一周期的加工并返回到原位后停止下来。
紧急停止是指为发生意外或故障时设立的停止方式，按下紧急按钮时，机器马上中止当前的工作。
八 控制关键
. 冠面夹具和亭面夹具水平移动定位准确要求为10丝（道），除了步进电机控制精度要求较高外，还要考虑齿轮齿条之间间隙的影响。
. 玻璃球饰品磨切和抛光时，是由升降气缸带动粘杆向下紧压在高速旋转的磨、抛平台上完成的，其磨切尺寸和抛光精度（包括台面磨切抛光）均由三个台阶式的气动限位块进行调节，气动限位块由两限位气缸驱动，气缸电磁阀采用双线圈锁紧式电磁阀，气缸可停在任意行程位锁紧，以实现三台阶定位驱动，这样自动配合磨切和抛光时的不同尺寸。
. 冠面夹具和亭面夹具的找原位和找基准是否准确会影响到其水平方向的定位精度。
. 逻辑关系、整机动作配合相当复杂，程序量较大（目前实际程序长度为3980）。
九 控制系统集成方案选择
控制系统集成基于可行性、可靠性还有性价比等多方面因素来综合确认。下面就单片机控制、工控机（IPC）控制、PLC控制等简单比较说明。
说明：基本控制约I/O=128/75，此外，还有四台步进马达控制。
1 单片机控制
. 可靠性低
单片机本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不
论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。
. 开发成本高
单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不
过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，以本人几年来单片机开发经验可知，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。
另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。
. 开发周期更长
单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调
试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对最为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。
. 不便于修改和维护
利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能
找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户最不愿看到的。
基于以上（不限于）的原因，本人认为此方案不适用
2 工控机（IPC）控制
无疑，从可靠性来说，IPC要比单片机要好得多，但其价格昂贵，
不计其整机价格，单就要满足I/O点数据的板卡量（32通道，约10块）费用就不少，其价格要远远高于采用PLC控制的价格。
更为重要的是工控机更新换代较快，不但硬件如此，而且最根本的操作系统也不断地更新换代，换句话说，如果设备控制系统出现故障，更换硬件，可能意味着更新操作系统，进而导致整个系统的应用软件（包括界面）都要重新设计（或开发），这对太多数用户来说是不能接受的。
所以，本人认为此方案也不适用。
3 PLC控制
. 可靠性
自第一台PLC诞生就是应用于工业现场控制，不可否认，PLC的
可靠性得到了工控业界的认可。据最近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90％。
. 成本低
就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用
都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。
. 开发周期短
采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。
. 性能加强
随着微电子控制技术的发展，PLC的处理能力也越来越强，其通讯能力、运算处理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有长足的发展。
所以，从可靠性和性价比等方面来说，本人认为采用PLC控制是适合的。
4 PLC选型
目前世界上PLC品牌众多，由于各公司的发展战略不同，价格也参差不齐，性能特长也各不相同，但从市场占有情况来说基本上可以划为两大阵营，一是以Rockwell、SIEMENS、施耐德等公司为首的欧美洲流派，一种是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司为首的日本流派，它们各有特点，各有所长，欧洲流派以大型系统而见长，而在中小型系统方面则是日本流派一统天下，占据了市场大部分份额。
下面以国内市场占有率较高的SIEMENS和MITSUBISHI为例，按所要求的数字量I/O点进行配置（暂不包括步进控制），以目前的市场报价进行统计对比，以便确定哪一种PLC更加适合本系统的应用。
按I=128点，O=75点，另加四台步进电机控制进行配置，考虑到用触摸屏可节约大量的输入点，经初步统计实际I点按约64点配置即可。（其余I点由HMI软元件满足）
下面为SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置表

下面为三菱（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表

上面比较可以说明，同档次的PLC，基本配置相同I/O时，用SIEMENS所花的费用比用三菱要贵多两倍，当然，对此系统配置来说，问题还远远不如这些，因为用SIEMENS配置需要用14个扩展，已远远地超过了其一个CPU最多只能带7个扩展模块的限制，还有就是S7200系列还没有相应的定位模块，换句话说，用S7200系列的PLC根本无法完成此系统的功能，除非用多个CPU或者用S7300系列才有可能完成此系统的功能，这样费用更高。
反观三菱的PLC系统，只带一个扩展就完成了配置，而且还可以轻松带4个定位控制模块，也不会超出其最大配置的限制。而且，其特有的顺控指令对处理复杂的逻辑关系又是其它PLC不能相比的。
日本公司的PLC产品正是凭借其自身的优点，进入世界各大市场，据有关资料报道，在中小型系统PLC方面，日本产品占据了世界上约70%的份额。而三菱系列的PLC更是占据了国内大部份市场份额。
所以本系统选用了三菱的PLC作为控制系统。
十 系统集成简介
本系统选用日本三菱的PLC为控制系统，下面对整个系统的集成简单介绍：
1 系统结构与控制原理简介
本系统由一个FX2N-128MR-001主体CPU，一个FX2N-48ER扩
展模块，四个脉冲定位控制模块FX2N-1PG，一个人机界面（HMI），四个步进马达驱动模块组成。
HMI与PLC直接通过通讯口进行通讯，系统参数的设置以及手动时的各部件的操作均通过HMI进行；FX2N-48ER作为系统的自然扩展，自动识别，直接利用其I/O点；四个FX2N-1PG上与PLC以FROM/TO指令进行数据交换，下输出高速正(或反)脉冲对驱动模块进行控制，完成定位驱动控制。
具体参看如下《系统连接原理图》。

其它辅助控制按加工的工艺要求逻辑进行，不再详述。
2 系统集成配置

本系统实际要求输入点128点，输出点75点，在上面的配置中输出点数共84点，输入点数共84点，不足够的输入点由触摸屏软元件满足，整个系统配置的I/O总数如下：128+48+32（每个特殊模块点用8个I/O点），共208点，没有超过系统最大配置容量256点。
4 输入分配
输入主要分配给必要的行程、位置检测、系统工作方式选择、部
分交流马达的驱动与控制等，对于手动方式操作的大多数输入选择（约占输入的80%）通过HMI软元件执行解决。
系统按完善配置的话，需要输入点数多达128点，但有的输入点数只在设备调试和维护过程中用得较多，在自动工作过程中运用较少，所以，把系统不必要的输入点集成到HMI中用软元件来代替，这样一来减少系统输入模块的配置，二来节约大量接线、灯、按钮等费用，三来简化了电控柜操作面板（让120多个手动按钮集成在HMI上，还有部分工作状态指示），四方便系统参数的更改与设置，有利于调试、五提高了设备控制的档次和性能，对设备常见故障可以给帮助提示，整体费用也得到下降。
就本系统来说，事实上如果不用HMI，采用增加输入模块的方法解决输入不足，这样所花的费用更多。
5 输出分配
输出分配给四台三相异步电机和气缸（共62个气缸）驱动的电磁阀以及四台步进电机的辅助控制，此外还有少量辅助部份控制。
6 主要组件简介
l FX2N-128MR-001
FX2N可以是三菱公司目前FX系列PLC中性能最好的 系列机型之一，大量的软元件、丰富的应用指令以及内置大容量的程序存贮器，即使面对复杂的控制，也可以从容应对，其位执行指令达0.08μS，如此速度比SIEMENS的S7-200系列要快几倍，即使SIEMENS的S7-300也不过0.32μS而已 ，这足以证明FX2N的优越性，本人长期对各种品牌的PLC应用体会，FX2N系列是性价比不错的机型，在小型控制系统中，FX2N系列一直是本人的首选之一。
l 脉冲输出模块FX2N-1PG
作为定位控制用的脉冲输出模块FX2N-1PG，可作单轴控制，最大输出可达100KPPS，针对定位控制的特点，该模块具有比较专业完善的控制参数设定，如定位目标跟踪、运转速度、爬行速度、减速速度等等各种参数，这些参数都可通过PLC的FROM/TO指令轻松设定。除高速的响应输出外，还准备了常用的输入控制，如正、反限位开关、STOP、DOG（近点信号）、PGO（零点信号）等等。
此外，还内置了许多方便的软控制位，如返回原点、向前、向后等，对这些特定的功能，只要通过设置特定的缓冲单元已定义的位就可轻松实现。如通过如下简短程序，当按下返回原位按钮（本例用X10）或通过触摸屏内置位某软元件（本例用M66）即可驱动设备返回到原位，这对定位控制来说是非常方便而重要的。
LD M8000
TO K1 K25 K4M260 K1
LD X10
OR M66
OUT M266
十一 应用体会
本人在长期应用三菱公司的FX系列产品中，有如下几点体会：
1 功能强大
FX系列PLC配置了强大而完善的功能指令，尤其是FX2N系列PLC，按其功能分类共有程序流向、传送和比较、四则运算和逻辑运算、循环移位与移位、数据处理、高速处理、便利命令、外部机器I/O、外部机器SER、浮动、时钟运算、二进制循环码以及接点比较共13大类130条指令，如PID运算、浮点运算等，而其它品牌的PLC往往在高档系列中才配置有较完善的指令。所以，在完成一些特别的功能时，用FX系列的PLC就可轻松配置完成，例如此系统的的配置，如果采用SIEMENS的PLC，至少要用S7-300系列的PLC才能完成此系统的控制功能。
2 性价比高
对于系统集成来说，价格不单是指单个自动元件的价格，更主要是完成整个系统的配置的费用，FX2N系列PLC有比较完善的各种配置供用户选择，并且有多种类多规格的特殊模块供用户选择，你总是可以在众多的配置中做出你最需要的合适的性价比较高的选择，以本例来说，如果采用SIEMENS的S7-300，则费用可能要高约50%左右。
3 系统配置完善
如果按I/O点数来分，FX2N系列共有6大基本单元，如果按输出类型分，则共有三大类共17种基本单元；扩展单元有12种，同时还兼容FXON系列的扩展模块，除此外还有各种模拟量模块、定位控制模块及其它通讯机能模块，基本上满足各种小型控制要求。
4 应用方便简单
如果你对多数厂家的PLC都有过应用经验的话，应该不难体会出FX系列的PLC应用非常简单，无论从选型还是硬件组态及软件编程，它避免了其它公司除产品型号外还有一大串定货号的烦琐要求；也没有过多的通讯协议，让人感到无所适从，即使是新手上路也会很快掌握其方便简单的应用。
十二 结束语
目前此设备处于试产阶段，生产周期约为3分钟，每周期生产钻饰品约260个，节约生产工人几十人，而生产产量和质量都得到大幅度的提高。
系统运行几个月来，平均每天工作约十六个小时，到目前为止，系统一直正常运行，说明此次控制系统的选择和集成是成功的。
十三 附设备实物照片
附设备实物照片两张！

图1:电控柜局部照片

图2:设备局部照片