一 概述
由于玻璃鉆飾品外型的特異性，玻璃鉆飾品的加工和檢測基本上處于手工或半手工狀態，耗費較大的人力資源，效率低下，而且產品質量不一，很難保證產品質量的均衡性和持續性。二年前受廣東某玻璃飾品有限公司的委托，我公司代其開發專用機電一體化加工設備------玻璃鉆飾自動磨鉆機，目前該設備已投入試生產運行，本人獨自擔當了整套設備的電控系統集成設計任務，該設備的自動化程度較高，邏輯控制比較復雜，設備的控制核心由三菱FX2N系列PLC和擴展模塊以及FX2N-1PG特殊模塊集成，本人在此想同大家交流一下該系統的集成過程和應用體會。

二 磨鉆機用途
本磨鉆機主要用于加工玻璃鉆飾品，加工原料為球狀態玻璃，可加工直徑為φ1.0mm---φ10.0mm間的球狀玻璃，加工面為17個，分別為臺面一個，冠面8個，亭面8個，如下圖所示：

三 磨鉆機組成

為了減小設備體積，節約設備制造成本，提高生產效率，整臺磨鉆機設備設計成雙邊進料交叉加工形式，所以，整套設備有許多相同的部件，由以下各主要部件組成：粘桿夾具（4個）、上料機構（2個）、下料裝置（2個）、翻轉機構（2個）、磨拋機構（2個）、導軌齒條及支架等。

整個設備長約8米，寬約2米，高度約為2米。外型見所附設備照片。

四 磨鉆機傳動

磨鉆機夾具在水平方向的移動定位要求較準確，故采用導軌導向，齒輪齒條傳動，步進馬達驅動方式，磨頭、拋頭以及磨拋轉換采用普通三相異步交流電機驅動，上料機構、夾具垂直方向運動、磨拋換面等均采用氣缸氣動傳動。

五 磨鉆機加工工藝

磨鉆機加工工藝過程比較簡單，設備單邊加工工藝過程如下：粘沙——上料——燒結——磨切——拋光——（換面——磨切——拋光，共八個循環）——下料。

六 磨鉆機機械運動過程

按每個位置加工功能分，磨鉆機有四個加工工位，分別是：粘沙位、上料（下料）燒結位、轉接位、磨拋位。由于兩邊的加工過程一樣，所以以一邊為例說明其機械運動過程。

為了便于方便描述，把加工冠面的夾具稱為冠面夾具，加工亭面的夾具稱為亭面夾具，相應地，加工冠面的換向氣缸稱為冠面換向氣缸，加工亭面的換向氣缸稱為亭面換向氣缸，加工冠面的磨拋機構稱為冠面磨拋機構，加工亭面的磨拋機構稱為亭面磨拋機構。具體機械運動過程如下：（參看《磨鉆機總圖》）

自動開始，系統找原位------在粘沙位冠面夾具和亭面夾具定位——冠面夾具和亭面夾具在氣缸帶動下同時向下粘沙——粘沙完成后兩夾具向上——冠面夾具在步進馬達的驅動下向前移動到上料位（而亭面夾具則在另一步進電機的帶動下向前移動到轉接位，并在翻轉氣缸的驅動下做180°的翻轉，做好轉接準備）——上料機構在氣缸驅動下向上上料——上料完畢，上料機構向下，同時冠面夾具在步進馬達的驅動下移動到磨拋位（冠面夾具開始作周期性往復慢行，直到拋光加工結束為止）——冠面夾具在氣缸的驅動下向下磨臺面——加工完臺面，冠面夾具垂直向上，同時撤消冠面夾具定位，——冠面換向氣缸1動作換面，——冠面夾具向下磨第一冠面，——磨完冠面1，冠面夾具向上——撤消冠面換面氣缸1——冠面換向氣缸2動作換面——冠面夾具又向下磨第二冠面（如此這樣，一直把第八個冠面磨完）——然后，冠面夾具向上，磨拋機構在電機的驅動下做工180°的旋轉，準備進行拋光，（拋光接著從最后一個被磨冠面即第八冠面開始）——冠面夾具向下——拋光第八冠面——第八冠面拋光完畢，冠面夾具向上——同時撤消冠面換向氣缸8——冠面換向氣缸7動作——然后，冠面夾具向下拋光第七冠面（如此這樣，直到把第一冠面拋光完成）——冠面夾具向上——冠面夾具定位氣缸動作定位——冠面夾具向下拋臺面——拋光完臺面，冠面夾具向上（磨拋機構準備180°轉換）——冠面夾具停止往復慢行，然后找基準——冠面夾具在步進馬達的驅動下向后移動到轉接位——亭面夾具向上轉接玻璃球——點火燒結——亭面夾具向下——亭面夾具作180°翻轉——轉接完成，（冠面夾具則在步進馬達的驅動下向后移動到粘沙位，開始冠面夾具下一周期循環工作）——亭面夾具移到磨拋位——亭面夾具撤消定位（亭面夾具開始周期性往復慢行，直到亭面磨拋加工完成為止）——亭面換面氣缸1動作——亭面夾具向下——磨第一亭面——亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸1——亭面換面氣缸2動作——亭面夾具向下——磨第二亭面（如此這樣，直到把第八個亭面磨完）——亭面夾具向上（亭面磨拋機構180°轉換，準備拋光）——亭面夾具向下——拋光第八亭面（接著從最后被磨的第八亭面開始拋光）——亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸8——亭面換面氣缸7向下——拋光第七亭面（如此這樣，直到把最后一個亭面即第一亭面拋光完成）——亭面夾具停止往復慢行，找基準——亭面夾具向上（亭面磨拋機構準備180°轉換）——亭面夾具定位——亭面夾具在步進馬達的驅動下向后移動到下料位點火——下料——亭面夾具向后移動到粘沙位粘沙——（亭面夾具下一周期循環開始）

至此，一個玻璃飾品的加工已完成。

七 磨鉆機控制方式

設備控制有手動、自動、停止三種方式，在自動方式下又分為全自動和單步自動兩種，停止也分為自然停止和緊急停止兩種，下面加以詳細解釋：

l 手動

手動方式的設立主要是方便于設備調試、維護，在手動方式下，可任意起停各相對獨立的每一可動部件，如每一氣缸運動、馬達的起停等。

l 自動

自動分為全自動和單步自動。

全自動是指設備兩邊自動同時上料交叉加工，完成一周期加工后，自動再上料加工，直到接收到停止或故障命令為止。

單步自動是指設備一邊進行全自動上料加工，另一邊可不進行加工。

l 停止

由于設備自動工作后，一直處于不斷自動上料加工狀態，所以，設備停止分為自然停止和緊急停止。

自然停止是指按下停止按鈕后，設備并不馬上停止，而是進行完當前一周期的加工并返回到原位后停止下來。

緊急停止是指為發生意外或故障時設立的停止方式，按下緊急按鈕時，機器馬上中止當前的工作。

八 控制關鍵

l 冠面夾具和亭面夾具水平移動定位準確要求為10絲（道），除了步進電機控制精度要求較高外，還要考慮齒輪齒條之間間隙的影響。

l 玻璃球飾品磨切和拋光時，是由升降氣缸帶動粘桿向下緊壓在高速旋轉的磨、拋平臺上完成的，其磨切尺寸和拋光精度（包括臺面磨切拋光）均由三個臺階式的氣動限位塊進行調節，氣動限位塊由兩限位氣缸驅動，氣缸電磁閥采用雙線圈鎖緊式電磁閥，氣缸可停在任意行程位鎖緊，以實現三臺階定位驅動，這樣自動配合磨切和拋光時的不同尺寸。

l 冠面夾具和亭面夾具的找原位和找基準是否準確會影響到其水平方向的定位精度。

l 邏輯關系、整機動作配合相當復雜，程序量較大（目前實際程序長度為3980）。

九 控制系統集成方案選擇

控制系統集成基于可行性、可靠性還有性價比等多方面因素來綜合確認。下面就單片機控制、工控機（IPC）控制、PLC控制等簡單比較說明。

說明：基本控制約I/O=128/75，此外，還有四臺步進馬達控制。

1 單片機控制

l 可靠性低 單片機本來抗干擾能力較低，從現在所要求的I/O總數來看，不論是MCS51系列還是MCS96系列單片機，都必須進行大規模的擴展，這樣系統電路更加復雜，進一步降低了系統的可靠性。.

l 開發成本高 單片機的售價并不貴，以目前市場價，較有名氣的ATMEL也不過十幾元錢一片而已，但簡單從這表面上看這個問題是不妥的，以本人幾年來單片機開發經驗可知，要購入單片機開發裝置（如仿真器、燒錄器、電源）和還要開模制版等，這都是一筆不小的費用。加上開發周期長所投入的人力物力，其價錢已遠遠地超過應用PLC開發的費用。

另外由于設備是專用特殊設備，其控制系統專用性較強，通用性較差，為其投入過多的開發費用不值得。

l 開發周期更長 單片機的開發周期較長，從電路設計、開模制版、編程、仿真、調試等經歷非常長的周期，工程師往往要花大部分的時間在硬件設計和編程調試處理上，對最為重要的工藝過程往往沒有更多的時間考慮。

l 不便于修改和維護 利用單片機開發的設備往往是專用的特殊設備，在市場上往往不能 找到可替代的備件，所以不便于維護，這是用戶最不愿看到的。

基于以上（不限于）的原因，本人認為此方案不適用

2 工控機（IPC）控制

無疑，從可靠性來說，IPC要比單片機要好得多，但其價格昂貴，不計其整機價格，單就要滿足I/O點數據的板卡量（32通道，約10塊）費用就不少，其價格要遠遠高于采用PLC控制的價格。

更為重要的是工控機更新換代較快，不但硬件如此，而且最根本的操作系統也不斷地更新換代，換句話說，如果設備控制系統出現故障，更換硬件，可能意味著更新操作系統，進而導致整個系統的應用軟件（包括界面）都要重新設計（或開發），這對太多數用戶來說是不能接受的。

所以，本人認為此方案也不適用。

3 PLC控制

l 可靠性 自第一臺PLC誕生就是應用于工業現場控制，不可否認，PLC的可靠性得到了工控業界的認可。據最近行業統計顯示，目前采用PLC控制的設備份額達90％。

l 成本低 就此設備的控制來說，采用PLC來進行的設備開發和控制費用都要遠遠低于采用單片機或IPC的費用，其系統可大可小，小的幾點，大的數千點，甚至上萬點，很好解決工業控制問題，適用于很多場合。

l 開發周期短 采用PLC進行設備控制，工程師無須花太多的精力在硬件的處理上，采用積木式結構很快可以形成系統電路，大部分精力集中在工藝的了解處理和程序的編寫上，有利于設備的快速開發，程序的編輯、修改和調試也都可隨時進行，縮短了開發時間。

l 性能加強 隨著微電子控制技術的發展，PLC的處理能力也越來越強，其通訊能力、運算處理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有長足的發展。

所以，從可靠性和性價比等方面來說，本人認為采用PLC控制是適合的。

4 PLC選型

目前世界上PLC品牌眾多，由于各公司的發展戰略不同，價格也參差不齊，性能特長也各不相同，但從市場占有情況來說基本上可以劃為兩大陣營，一是以Rockwell、SIEMENS、施耐德等公司為首的歐美洲流派，一種是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司為首的日本流派，它們各有特點，各有所長，歐洲流派以大型系統而見長，而在中小型系統方面則是日本流派一統天下，占據了市場大部分份額。

下面以國內市場占有率較高的SIEMENS和MITSUBISHI為例，按所要求的數字量I/O點進行配置（暫不包括步進控制），以目前的市場報價進行統計對比，以便確定哪一種PLC更加適合本系統的應用。

按I=128點，O=75點，另加四臺步進電機控制進行配置，考慮到用觸摸屏可節約大量的輸入點，經初步統計實際I點按約64點配置即可。（其余I點由HMI軟元件滿足）

下面為SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置表

下面為三菱（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表

上面比較可以說明，同檔次的PLC，基本配置相同I/O時，用SIEMENS所花的費用比用三菱要貴多兩倍，當然，對此系統配置來說，問題還遠遠不如這些，因為用SIEMENS配置需要用14個擴展，已遠遠地超過了其一個CPU最多只能帶7個擴展模塊的限制，還有就是S7200系列還沒有相應的定位模塊，換句話說，用S7200系列的PLC根本無法完成此系統的功能，除非用多個CPU或者用S7300系列才有可能完成此系統的功能，這樣費用更高。

反觀三菱的PLC系統，只帶一個擴展就完成了配置，而且還可以輕松帶4個定位控制模塊，也不會超出其最大配置的限制。而且，其特有的順控指令對處理復雜的邏輯關系又是其它PLC不能相比的。

日本公司的PLC產品正是憑借其自身的優點，進入世界各大市場，據有關資料報道，在中小型系統PLC方面，日本產品占據了世界上約70%的份額。而三菱系列的PLC更是占據了國內大部份市場份額。

所以本系統選用了三菱的PLC作為控制系統。

十 系統集成簡介

本系統選用日本三菱的PLC為控制系統，下面對整個系統的集成簡單介紹：

1 系統結構與控制原理簡介

本系統由一個FX2N-128MR-001主體CPU，一個FX2N-48ER擴展模塊，四個脈沖定位控制模塊FX2N-1PG，一個人機界面（HMI），四個步進馬達驅動模塊組成。

HMI與PLC直接通過通訊口進行通訊，系統參數的設置以及手動時的各部件的操作均通過HMI進行；FX2N-48ER作為系統的自然擴展，自動識別，直接利用其I/O點；四個FX2N-1PG上與PLC以FROM/TO指令進行數據交換，下輸出高速正(或反)脈沖對驅動模塊進行控制，完成定位驅動控制。

具體參看如下《系統連接原理圖》。

其它輔助控制按加工的工藝要求邏輯進行，不再詳述。

2 系統集成配置

本系統實際要求輸入點128點，輸出點75點，在上面的配置中輸出點數共84點，輸入點數共84點，不足夠的輸入點由觸摸屏軟元件滿足，整個系統配置的I/O總數如下：128+48+32（每個特殊模塊點用8個I/O點），共208點，沒有超過系統最大配置容量256點。

3 輸入分配

輸入主要分配給必要的行程、位置檢測、系統工作方式選擇、部分交流馬達的驅動與控制等，對于手動方式操作的大多數輸入選擇（約占輸入的80%）通過HMI軟元件執行解決。

系統按完善配置的話，需要輸入點數多達128點，但有的輸入點數只在設備調試和維護過程中用得較多，在自動工作過程中運用較少，所以，把系統不必要的輸入點集成到HMI中用軟元件來代替，這樣一來減少系統輸入模塊的配置，二來節約大量接線、燈、按鈕等費用，三來簡化了電控柜操作面板（讓120多個手動按鈕集成在HMI上，還有部分工作狀態指示），四方便系統參數的更改與設置，有利于調試、五提高了設備控制的檔次和性能，對設備常見故障可以給幫助提示，整體費用也得到下降。

就本系統來說，事實上如果不用HMI，采用增加輸入模塊的方法解決輸入不足，這樣所花的費用更多。

4 輸出分配

輸出分配給四臺三相異步電機和氣缸（共62個氣缸）驅動的電磁閥以及四臺步進電機的輔助控制，此外還有少量輔助部份控制。

5 主要組件簡介

l FX2N-128MR-001

FX2N可以是三菱公司目前FX系列PLC中性能最好的 系列機型之一，大量的軟元件、豐富的應用指令以及內置大容量的程序存貯器，即使面對復雜的控制，也可以從容應對，其位執行指令達0.08μS，如此速度比SIEMENS的S7-200系列要快幾倍，即使SIEMENS的S7-300也不過0.32μS而已 ，這足以證明FX2N的優越性，本人長期對各種品牌的PLC應用體會，FX2N系列是性價比不錯的機型，在小型控制系統中，FX2N系列一直是本人的首選之一。

l 脈沖輸出模塊FX2N-1PG

作為定位控制用的脈沖輸出模塊FX2N-1PG，可作單軸控制，最大輸出可達100KPPS，針對定位控制的特點，該模塊具有比較專業完善的控制參數設定，如定位目標跟蹤、運轉速度、爬行速度、減速速度等等各種參數，這些參數都可通過PLC的FROM/TO指令輕松設定。除高速的響應輸出外，還準備了常用的輸入控制，如正、反限位開關、STOP、DOG（近點信號）、PGO（零點信號）等等。

此外，還內置了許多方便的軟控制位，如返回原點、向前、向后等，對這些特定的功能，只要通過設置特定的緩沖單元已定義的位就可輕松實現。如通過如下簡短程序，當按下返回原位按鈕（本例用X10）或通過觸摸屏內置位某軟元件（本例用M66）即可驅動設備返回到原位，這對定位控制來說是非常方便而重要的。

LD M8000

TO K1 K25 K4M260 K1

LD X10

OR M66

OUT M266

十一 應用體會

本人在長期應用三菱公司的FX系列產品中，有如下幾點體會：

1 功能強大

FX系列PLC配置了強大而完善的功能指令，尤其是FX2N系列PLC，按其功能分類共有程序流向、傳送和比較、四則運算和邏輯運算、循環移位與移位、數據處理、高速處理、便利命令、外部機器I/O、外部機器SER、浮動、時鐘運算、二進制循環碼以及接點比較共13大類130條指令，如PID運算、浮點運算等，而其它品牌的PLC往往在高檔系列中才配置有較完善的指令。所以，在完成一些特別的功能時，用FX系列的PLC就可輕松配置完成，例如此系統的的配置，如果采用SIEMENS的PLC，至少要用S7-300系列的PLC才能完成此系統的控制功能。

2 性價比高

對于系統集成來說，價格不單是指單個自動元件的價格，更主要是完成整個系統的配置的費用，FX2N系列PLC有比較完善的各種配置供用戶選擇，并且有多種類多規格的特殊模塊供用戶選擇，你總是可以在眾多的配置中做出你最需要的合適的性價比較高的選擇，以本例來說，如果采用SIEMENS的S7-300，則費用可能要高約50%左右。

3 系統配置完善

如果按I/O點數來分，FX2N系列共有6大基本單元，如果按輸出類型分，則共有三大類共17種基本單元；擴展單元有12種，同時還兼容FXON系列的擴展模塊，除此外還有各種模擬量模塊、定位控制模塊及其它通訊機能模塊，基本上滿足各種小型控制要求。

4 應用方便簡單

如果你對多數廠家的PLC都有過應用經驗的話，應該不難體會出FX系列的PLC應用非常簡單，無論從選型還是硬件組態及軟件編程，它避免了其它公司除產品型號外還有一大串定貨號的煩瑣要求；也沒有過多的通訊協議，讓人感到無所適從，即使是新手上路也會很快掌握其方便簡單的應用。

十二 結束語

目前此設備處于試產階段，生產周期約為3分鐘，每周期生產鉆飾品約260個，節約生產工人幾十人，而生產產量和質量都得到大幅度的提高。

系統運行幾個月來，平均每天工作約十六個小時，到目前為止，系統一直正常運行，說明此次控制系統的選擇和集成是成功的。

十三 附設備實物照片

附設備實物照片兩張！

圖1:電控柜局部照片

圖2:設備局部照片