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一、項目簡介
1. 江蘇新瑞機械有限公司坐落于江蘇常州，是一家專業從事數控設備的研發、生產、銷售和服務的現代化制造型企業。公司主要產品覆蓋立式加工中心全部系列、數控車床全部系列、SR系列壓鑄機全部系列，具有高速度、高精度、高可靠性等特點。新瑞機械秉承“務實敬業、合作高效、銳意進取、精益求精”的企業精神，把一流的產品貢獻給客戶，把永不滿足留給企業，把信心、技術和競爭力來實現“構筑業界一流企業，爭創業內第一品牌”的承諾。
2. 壓鑄機的主要工作原理是壓鑄成型。在高壓的作用下，使液態或半液態的金屬，以較高的速度填充壓鑄型型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。系統有2組比例閥：比例壓力和比例流量，用來控制機器的液壓動作，如動芯一入、動芯二入、靜芯入、動芯一出、動芯二出、靜芯出、開模、合模、頂針進、頂針退；壓射動作分3步：慢壓射、快壓射和增壓射，由3個獨立的步進電機調節油泵的開口；輔機由噴霧機械手、給湯機械手和取件機械手組成，動作速度由畫面設定，由相應的變頻器控制輸出。
3. 項目當中使用的西門子自動化產品的型號、數量、類型、何種控制對象
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型號 |
數量 |
類型 |
控制對象 |
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OP270 10 |
1 |
10.4”,256色 |
HMI |
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CPU313C
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1
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24DI,D24V
16DQ,DC24V,0.5A
5AI
2AQ
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數字量輸入
數字量輸出，3 PWM輸出
模擬量輸入：給湯機械手湯臂位置，給湯機械手湯勺位置，系統壓力
模擬量輸出：給湯機械手湯臂速度，給湯機械手湯勺速度 |
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SM321 |
3 |
32DI,DC24V |
數字量輸入 |
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SM322 |
2 |
8DQ,DC24V,2A |
數字量輸出（電磁閥輸出） |
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SM322 |
3 |
16DQ,DC24V,0.5A |
數字量輸出 |
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SM335
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1
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4AI
4AQ
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模擬量輸入：移模電子尺、壓射電子尺、頂針電子尺、壓射壓力檢測
模擬量輸出：比例壓力、比例流量 |
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IM365 |
1 |
P-BUS |
擴展機架 |
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RAIL |
2 |
480mm |
導軌 |
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MPI Cable |
1 |
5m |
電纜 |
4. 照片
新瑞SR150型壓鑄機
二、控制系統構成
1. 硬件配置、系統結構及選擇依據
系統由HMI和S7-300型PLC構成。因為有位置、壓力、速度等曲線需要顯示，所以選擇了OP270 10。顯示效果比較好，有操作按鍵，容易維護；由于需要3路PWM輸出控制步進電機，所以選擇了CPU313C，幾乎全部利用該CPU的數字量輸入輸出及模擬量輸入輸出，性價比非常好；另外，由于壓射過程非常快，通常為10-50m/s，有時甚至可以達到100m/s以上。系統需要高速采集大量的數據進行顯示、分析和比較，因此選擇了SM335模塊，它的模擬量輸入輸出速度快、精度高，還可以產生硬件中斷。
2. 附加系統的硬件配置圖，網絡結構圖，應用中的監視畫面。
輔機系統主要是由3個機械手構成：噴霧機械手、給湯機械手和取件機械手。他們根據壓鑄機的動作循環，在相應的位置進行動作。
3. 多種可選方案的比較：由于有3個步進電機需要控制，在選擇方案時考慮過用CPU313C加3個FM353模塊，該模塊是1軸步進電機定位模塊，最高脈沖頻率可達200KHz，但此方案成本太高；考慮到本機器對脈沖頻率要求不高，CPU313C模塊中集成的3路PWM輸出脈沖頻率可達2.5KHz，已經完全可以滿足系統的要求。因此只用1個CPU313C就完成控制要求，性價比很完美！
三、控制系統完成的功能
1. 整個控制系統可以分為人機界面顯示部分和PLC控制部分。其中PLC控制系統可以分為以下幾個部分：壓鑄機動作順序控制、壓射曲線顯示、PWM輸出控制和機械手控制。壓鑄機的動作控制如開模合模，是根據不同的位置送出不同的壓力和流量，通常合模分4級，開模分3級。考慮到液壓動作的平滑，本系統加了軟件斜率，在每個動作的開始、切換和結束時都要通過斜率平滑過渡，使動作很流暢而且聲音很小。在機器的使用過程中模具的調整很麻煩，自動調模功能自動完成的繁瑣的調節過程，簡化操作；壓射過程對機器的成型非常重要，需要采集大量的位置、壓力和位置數據，壓射動作分3步：慢壓射、快壓射和增壓射，由3個獨立的步進電機調節油泵的開口控制壓射的速度；PWM輸出是控制3個獨立的步進電機，分別對應慢壓射、快壓射和增壓射的速度。控制上由PLC調用系統功能塊SFB49來實現；本機器配備了3個機械手：噴霧機械手、給湯機械手和取件機械手，他們是可選的。根據壓鑄機的動作循環，在相應的位置進行動作。
脈寬調制功能是系統集成功能，僅需在硬件配置中作簡單設定后，即可在PLC程序中調用SFB49，使用非常方便。
CALL SFB 49 , "DI_PULSE_1"
// 慢壓射
LADDR :="DI_PULSE_1".LADDR
// Count Address:768
CHANNEL :=0
SW_EN :="DI_PULSE_1".SW_EN
MAN_DO :="DI_PULSE_1".MAN_DO
SET_DO :="DI_PULSE_1".SET_DO
OUTP_VAL:="DI_PULSE_1".OUTP_VAL
JOB_REQ :="DI_PULSE_1".JOB_REQ
JOB_ID :="DI_PULSE_1".JOB_ID
JOB_VAL :="DI_PULSE_1".JOB_VAL
STS_EN :="DI_PULSE_1".STS_EN
STS_STRT:="DI_PULSE_1".STS_STRT
STS_DO :="DI_PULSE_1".STS_DO
JOB_DONE:="DI_PULSE_1".JOB_DONE
JOB_ERR :="DI_PULSE_1".JOB_ERR
JOB_STAT:="DI_PULSE_1".JOB_STAT
2. 在壓射過程中如何高速采樣位置、壓力和速度數據是項目的難點。在硬件上，我們選用SM335模塊，它的模擬量輸入處理速度約為每通道200us，精度為14位，并產生硬件中斷OB40。系統中設定了2ms的硬件中斷，在壓射過程中采集位置、壓力和速度數據；在PLC程序方面，我們使用了變址尋址的編程技巧，壓縮程序空間，提高運行效率，使系統可以在2ms的中斷周期內完成運算；在HMI方面，配置了TREND曲線，在壓射過程結束后可以馬上更新曲線。
L #Index
SLD 4
LAR1
OPN "DB_Curve"
L #Act_Pos
T DBW [AR1,P#0.0] // Actual Position
L #Act_Prs
T DBW [AR1,P#4000.0] // Actual Pressure
L #Act_Pos
L #Act_PosPre
-I
L 33
*I
T DBW [AR1,P#8000.0] // Actual Speed
L #Act_Pos
T #Act_PosPre
L #Index
+ 1
T #Index
3. 附加生產工藝當中有特點或較典型的設備或工藝照片。
四、項目運行
系統在2005年4月份投入使用后，運行情況良好，獲得用戶的好評。該方案將用在大型、高檔的壓鑄機上。由于壓鑄機的使用環境非常惡劣，因此硬件很可靠性非常重要，S7-300堅固的硬件保證了系統的可靠性。而HMI方面由于使用了OP270 10，操作簡便，顯示效果比較好，也回避了觸摸屏的一些缺點，如不適合使用在多油污、金屬碎片的環境等。
五、應用體會
項目進行當中，深深地感到西門子自動化產品無與倫比的靈活性。STEP 7強大而便捷的編程功能和PROTOOL靈活自如的組態性能使項目的編程和調試進展非常快。更改容易，維護方便。在PLC的編程中，使用了符號編程，簡單明了，易學易懂易維護。為了節約成本，編程中使用模塊化編程和變址尋址，大量壓縮程序空間，否則必須使用更高一擋的CPU314C-2DP。
當然在調試的過程中，也在所難免地遇到了麻煩。PWM輸出原本是集成功能，很方便使用。但由于我們節約成本，使用CPU313C上的數字量輸入點，在沒有配置使用硬件門的情況下，CPU313C上的部分數字量輸入點還是會影響3通道的PWM輸出。由于西門子手冊上的描述也不確切，在求助無門的情況下，對CPU313C上的數字量輸入點一一進行測試并與3通道的PWM輸出對照，終于弄清楚了硬件門的準確定義，完滿解決了問題。
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