模块化设计是一种先进的产品设计方法，它的特点是用功能模块组成产品。而功能模块的交换性和组合性是快速响应市场需求形成各种变型产品的基础。由于功能模块在形状、尺寸、制造工艺上的相似性，因而模块化的设计将使相似技术不只局限在零件的设计和工艺方面，而是能在产品部件和整体结构设计的更广泛的范围内得到应用。
模块化设计是将产品同一功能的单元设计成具有不同用途和性能的、可以互换选用模块，把选用的模块与其他部件相拼合。以组成满足不同要求的基型或变型产品的一种设计方法。显而易见，模块化设计的核心就是要设计一系列的模块。所谓模块，就是一组具有同一功能和结合要素（指联结部位的形式、尺寸和联结件之间的配合或啮合参数等），而有不同用途（或性能）和不同结构且能互换的单元，或能增加产品功能的单元（包括零件、部件、组件和系统），其安装、联结尺寸应一致。
模块化设计的方式，主要有：横系列模块化设计，纵系列模块化设计和跨系列模块化设计。
要搞好模块化设计，应遵循以下几项原则：
（1）编制好系列型谱，它是模块设计的基础。
（2）搞好市场调研。它是模块化设计的关键。产品发展有无生命力，模块技术性能是否先进，能否满足用户需要，产品打入国际市场，是否有较大把握，均与此有关。
（3）技术预测。当前，各种新技术的迅猛发展，要求机床产品必须具有较高的水平，方有市场前途，通过技术预测，使设计人员掌握发展动态，在全面考虑各类功能模块时，分析哪些新科技已成熟，哪些有待验证，哪些当属探索阶段，做到胸有成竹，使机床的水平不断提高，经常以崭新的面孔出现于市场。
（4）品种规划。更新老产品，发展新产品，必须在详尽可靠的市场调查基础上，做出长短期计划，有步骤地进行。在全系列设计时，编制好型谱至关重要。必须统筹安排，使各类待发展品种的功能单元有可能大幅度的模块化，结构上又能高度的现代化。必须在品种发展上有储备量，扭转设计工作的被动局面。
（5）科研先进。加强研究一些适应性强的零部件、新型传动方案，测量手段以及使用工艺的试验研究，才能使产品发展具有扎实基础。
（6）功能分析。所谓功能是指产品或部件的性能和用途，从功能分析人手，可以使思路不受现有部件结构的局限。从而能更好地寻求若干功能相同，而性能、用途各异的单元，所考虑的品种范围愈广，新技术项目愈多，则模块化愈有成效，产品愈有生命力。
3模块化设计与实践
3．1用“模块化“简化设计程序，缩短设计周期
面对市场竞争十分激烈，竞争的焦点“不再是以大吃小，而是以快吃慢”，谁能优先占领，已成为企业生存、发展的关键，然而制约占领市场能力的四项要素，交货期（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）中，T是第一重要的。解决T的主要途径是缩短产品开发与制造周期。在整个生产周期中，开发周期占了70％左右，所以采用先进的快速开发技术是缩短周期、赢得市场的重大关键。
众所周知，传统设计思路是按单一机床应具备的功能进行方案设计、总体布局设计，对各部件进行原理设计、结构设计、零件设计、制定工艺方案，设计、制造工具，产品试制。一种新产品开发周期，一般都在一年以上。随着功能模块设计思想的出现，典型的床身部件、主轴组件、进给部件、控制部件、驱动部件、支撑定位部件的独立化，机床设计从单一机床设计变为系列设计。开发一种系列产品，只进行方案设计、总体布局设计，选用典型的功能模块，加上少量的零件设计，不用试制即可成为产品或商品。在保证制造周期的前提下，可大大压缩设计周期。作为机床制造厂，关键要设计出适应性好的机床平台，以其不变的产品应付客户的不同爱好，不同要求的万变要求。不久的将来，产品将按每个客户的要求专门设计完全相同的产品不复存在。我公司所有产品的设计，正是依据这种新的思路开展设计。
3．2用“模块化”简化工艺流程，缩短生产周期
我公司生产的大型卧式车床，品种多，规格全。由于采用模块化设计，简化了工艺流程，缩短了生产周期。进三年来所研制的新产品约等于前30年新产品总和的30倍。
3．2．1尺寸划分原则
满足机床性能和精度要求，了解因安装机动托架和联结形式而影响机床的性能和精度。
满足冷、热工艺要求，既能在12m龙门刨床上加工，又使热加工的工装数最少。
满足丝、光杠联结和油盘联结，有利于分箱包装的要求。
3．2．2床身尺寸段划分
床身尺寸段划分是否合理，直接影响模块系统的功能、性能和成本。根据我公司现有最大加工设备12m龙门刨床和落地式床身结构特点，将床身划分为基本模块和通用模块两种，分四种形式。
所谓基本（专用）模块，是指整体床身，不与任何通用模块相联结。用Mj表示。
所谓通用模块，是指相互联结，并能互换的模块。床身前段，用Mq表示；床身中段，用Mz表示；床身后段，用Mh表示。
式中：M—模块（Modular）的英文字头。
j—汉语拼音“基”字的字头；
q—汉语拼音“前”字的字头；
z—汉语拼音“中”字的字头；
h—汉语拼音“后”字的字头。
中心距3m：基本模块Mj与通用模块Mq毛坯长度相等，均为5．7m，因Mq后端拼接处需要加工，留有加工余量15mm，因此Mq的成品长度为5．685m。通用模块Mz与Mh的毛坯长度相等，均为3．03m，因Mz两端需要加工，其两端面加工余量各为15mm，故Mz的成品长度为3m，Mh只需一端加工，则其成品长度为3．015mm。
中心距4m：因4m规格，没有床身中段（Mz），只有床身后段（Mh），按3m床身后段推理，则其成品长度为4．015m。
中心距5m：Mj与Mq的毛坯长度相等，均为7．7m，因Mq后端拼接处需要加工，留有加工余量15mm，则其Mq的成品长度为7．685m。
3．2．3各种机床规格的组成
各种机床规格，由基本模块Mj（即整体床身）和通用模块Mt（包括Mq、Mz、Mh）所组成。
示例：
（1）中心距L＝5m卧式车床，其床身长度由表1可知，它是由模块5m的Mj组成（即整体床身） L＝Mj＝7．7m。
（2）中心距L＝8m卧式车床，其床身长度由表1可知，它由5m Mq＋3m Mh所组成。L＝7．685＋3．015＝10．7m。
（3）中心距L＝10m卧式车床，其床身长度由表1可知，它由3m Mq＋3m Mz＋4m Mh所组成。L＝5．685＋3＋4．015＝10．7m。
综上所述，所有模块均已经过模拟试验，并经多年生产考验，实践证明了，其动、静刚度均能满足机床精度需要，结构可靠，工艺性好，沙箱数量少。由于基础件床身模块化，带动了相关件丝杠、光杠、油盘等零件系列化、模块化，从而缩短了设计、生产周期。
作者简介：
张海强，男，1976年出生，甘肃白银人。1999年毕业于甘肃工业大学，本科。工程师，研究方向为机械设计。通讯地址：天水星火机床有限责任公司；邮编：741024；电话：13893830468；E—mail：zhhq76@sohu．com。
可编程控制器（PLC）在粉状物料称量控制系统中的应用实践
张晓强
（金川集团有限公司冶炼厂闪速炉车间 金昌 737100）
摘要：金川镍闪速炉反应塔采用日本七十年代生产的风根秤进行加料，由于一方面原风根秤备件已不再生产，另一方面原控制系统不易实现升级来满足闪速炉生产的需要，所以，原控制系统现已不能适应生产需要。本文介绍用可编程控制器（PLC）改造原风根秤控制系统的控制原理、改造实施、系统操作、实践应用效果及发展潜能。
关键词：PLC称量 应用控制
1前言
在镍闪速熔炼生产工艺中，反应塔要求配加料系统准确按给定的参数将干精矿、粉状熔剂、粉煤、混合烟灰进行配料，所以、计量精度关系到闪速炉炉况控制及各项技术指标。金川镍闪速熔炼炉于1992年10月19日开炉投料至今，一直使用风根秤（环形称）来完成干精矿、粉状熔剂、粉煤、混合烟灰的计量和配料。
风根称的控制系统应用的是1977年日本粉研公司开发的印刷电路板。仪表控制部分主要由电位器、控制板、C—BOX控制盒等部件组成，系统采用DD控制方式（一台微机只能控制一台风根称）。
风根秤仪表控制部分电位器、控制板、C—BOX控制盒等部件，经过十几年的运行已老化，不但检修困难，而且可靠性差，造成风根称稳定性和准确性比较差。而且印刷电路板内使用的C—MOS、0P增幅器、模块零件等部件已停止生产。针对以上存在的问题，拟对风根秤称量控制系统进行技术改造。
风根秤称量控制系统改造总体采用DC控制方式（一台控制器控制5台风根称），控制系统的核心选用目前通用的可编程控制器（PLC），系统改造其他硬件包括：人机界面——工业触摸屏（GP）、称重放大器（CSA－503C）、F／V转换器、隔离放大器、计数器等。
2系统控制原理
2．1概述
现场设备的检测信号（转速、重量）经放大后，输入到可编程控制器（PLC）的模拟量输入模块（AI），由PLC进行计算、比较后，输出调速信号，来调节变频器的运行频率（设备转速），使下料量符合设定值。
通过人机界面（触摸屏）可完成设备的运行数据监控、参数设置、模式切换等功能。
2．2物料流量检测、计算
称重传感器检测的重量信号与环形称的测速信号相乘，再乘以固定的系数，就得到了流量的测量值。
2．3物料流量的控制
通过数字PID来实现，当测量值（PV）与设定值（SV）之间存在偏差时，PID输出操作值（MV），去调节变频器的频率（对现场设备进行调速）。
2．4可编程控制器（PLC）必需的输出／输入信号
环形称重量信号：DC—10V（称重放大器输出）。
环形称转速信号：DCO—10V（F／V转换器输出）。
环形称采样脉冲信号：预置计数器输出。
给料机转速信号：DCO—10V（F／V转换器输出）。
变频器调速信号：4—20mA（PLC输出）。
DCO—10V（隔离放大器输出）。
远方设定信号：4—20mA。
流量反馈信号：4—20mA。
远方开停控制信号：干接点。
运行、故障、报警等反馈信号：干接点。
3控制系统的实施
3．1设备选型
根据本系统的规模及可靠性和安全性，以及今后进一步升级的可能性，可编程控制器（PLC）选择现通用的SIMATIC S7—300硬件和相应的编程、组态软件。
为了与原设备（风根秤）相配套、提高计量精度，F／V转换器、隔离放大器、计数器等核心计量、控制元件选择日本进口产品。
根据现场粉尘大、环境温度高和在运行过程中易于更换等特点，PLC隔离继电器选用OMRON 24V－240V AC／DC通用继电器。
3．2仪表控制柜的制作
由于控制系统技术改造是在原风根秤控制系统基础上改进，而且称量控制系统技术复杂，所以系统采用由风根秤的生产厂家——日本粉研公司，制作与现场相同尺寸的仪表控制盘并完成盘内仪表、设备的设计及软件组态和安装调试工作。
3．3现场安装
仪表专业负责现场计量设备与控制系统的连接。
电气专业负责控制系统与电气控制柜的连接。
仪表、电气专业共同完成控制系统与远方计算机的连接及调试工作。
4系统的操作
4．1设备启动、停止
以PLC为核心的风根秤控制系统采用两种控制方式：本地盘面控制和远方计算机控制。系统中出现的料量偏差、设备过负荷故障时，在本地控制盘报警、动作，在远方控制室计算机上有报警信号；PLC硬件或输入输出故障时，PLC上显示故障详细原因，远方计算机报警。
4．2计量模式
系统PLC程序提供三种计量模式：重量模式、容积模式、直接模式，可以互相切换。在镍闪速熔炼系统，根据物料的性质，选择重量模式更加有利于计量精度，即程序根据环形称的重量信号和转速信号来计算测量值（PV），再通过数字PID来控制变频器的运行频率。容积模式指程序根据给料机的转速计算给料机的容积流量（m3／h），再乘以预先设定值，来作为测量值（PV），后续数字PID控制与重量模式相同。直接模式指程序根据设定值（SV）占设定最大值的百分比，直接控制变频器的频率（或最大频率的百分比）。
4．3流量设定
以PLC为核心的风根秤控制系统采用两种流量设定方式：本地触摸屏设定和远方计算机设定。本地设定用于设备调试或校称；正常生产用计算机设定方式。
5控制系统的应用效果
5．1系统运行的可靠性、安全性得到提升