人机界面和PLC在机床改造的应用

一、摘要： 数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。 本文提出了利用人机界面和PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。二、关键词：人机界面 PLC 步机电机 步机电机驱动器三、前言： 数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹。实现数控系统点位控制的通常方法可以有： 1、采用全功能的数控装置。这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的； 2、采用单片机控制。这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 3、采用可编程逻辑控制器控制。 由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。四、正文： PLC（Programmable Logical Controller）通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小，功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱（即PLC、机器人和CAD/CAM）之一。 人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面由熟练的操作人员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本。同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。1、控制系统的结构： 系统的结构框图如下图1所示，整套电器系统由三部分组成:（1）操作部分（人机界面）:用于操作、设置机床运行状况、故障报警;（2）控制部分PLC）:主要控制机床的定位;（3）执行部分（步机电机及步机电机驱动器）。[align=center][IMG=人机界面和PLC在机床改造的应用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815215947805T.jpg[/IMG]图 1 系统的结构框图[/align]2、硬件的选择： 1）、人机界面的选择的原则：现在市场上的人机界面基本上都能实现以下功能： 指示灯（PLCI/O显示、内部节点显示、多段指示灯等）； 开关（位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等）； 各种动态图表（棒图、仪表、移动元件、趋势图等）； 数据显示（数值显示、ASCII显示、文字显示等）； 数据输入（数值输入、ASCII输入、文字输入等）； 异常报警（报警显示、跑马灯显示、事件显示等）； 静态显示（直线、圆、矩形、文字等） 基于在性价比方面的特点，在本机床作者选择了台湾威纶通的MT506T/C。 2）|、PLC 选择的原则：在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。 （1）、PLC输入/输出点确定：I/O点数选择时要留出适当余量； （2）、PLC存储容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大些； （3）、输出继电器类型一定是晶体管（只有晶体管输出类型的PLC才能输出高速脉冲）； （4）定位和脉冲输出功能：一个PLC单元中每相能同时输出2点100KHz脉冲。 （5）、PLC配备特殊的定位指令，包括零返回、绝对值读出、绝对或相对地址表达方式以及特殊脉冲输出控制。 在本机床上，作者选择了三菱的小型PLC。型号为：FX1S-14MT。 3）、步机电机和步进电机驱动器的选择的原则： （1）、确定步进电机拖动负载所需要的扭矩； （2）、确定步进电机的最高运行转速； （3）、最后还要考虑留有一定的（如30%）力矩量和转速量。 （4）、根据以上指标，再考矩-频特性，就可以选择出适合自己步进电机。 （5）、选择步机电机驱动器，必须跟电机相配套。 （6）、尽量选取细分的驱动器，且使驱动器工作在细分状态。 不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终的维护。 在本机床上，作者选择了斯达特的电机和驱动器。电机型号为：110BYG350A；驱动器为其电机配套的型号MS-3H110M。3、控制系统的软件设计 1）、人机界面组态画面设计 不同品牌的人机界面的软件操作都有其各自的特点，所以在使用时一定要掌握其软件特点。软件一般提供了多种控件和图形库文件，可组态出各种显示和控制功能，实现系统操作状态，当前过程值及故障的可视化。利用人机界面操作被监控系统，对PLC的实时数据进行显示，记录，也可以设计动态画面来模拟控制过程，从而满足监控要求。 机床（例如钻孔、铰孔、镗孔的机床）的操作上每种类型都有一点不同的操作方法，所以在人机界面的设计上都有不同,但一般应有下面几个界面： （1）、主界面：机床的主要操作或其它界面的调动。如下图2示[align=center]图2[/align] （2）、参数设置界面： 用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如工件前进的距离，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。 （3）、手动操作界面：用户调试机床时要机床的某一个部件单独动作时的操作界面。 （4）、故障报警界面：当机床出现故障时在人机界面上显示出相对应的故障代码，使用户据此迅速判断出故障原因。 （5）、帮助页面的设计：考虑到工业现场的需要，在页面设计时，增加了大量帮助页面，包括机床的维护，系统的使用，参数的设置等。 为节省篇幅，这里只介绍了主画面，其它内容的程序设计思路见参考文献。设计完毕后经编译无误，从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行，并且PLC侧相应的程序也正确无误，则即可使用。 2）、PLC程序设计： 根据控制及流程要求，利用三菱简洁而强大的PLC编辑软件，对应输入、输出开发相应应用程序。（采用步进的方式来实现对整个机械的所有逻辑动作）同时连接PLC与外部设备连线；将编制完成的程序写入PLC中，模拟运行，进行调试及修改；在模拟调试成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。 在此项工程上，作者将PLC程序分了几个部分来编写，下图是PLC程序的系统结构图，可供读者参考。[align=center]图3 [/align] 工程的软件系统是采用了PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，最明显的特点PLC程序是用了标志位，将各部分程序分开，达到更好的效果。4、脱机调试 为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面，再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连，上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变PLC和人机界面的通信参数，最后使它们能够正常通信。并能正确显示功能代码的值。最后，把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里，PLC的输入接上开关量进行调试，调试通过。5、现场调试 在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。看步进电机是否运转正常，运行时有没有出现失步和误差 ，定位精度与提高定位速度时机床的精度如何等。五、结束语 系统试验表明，本文提出的应用人机界面和PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造,并在实际运行中是切实可行的。经过长期运行表明，控制精度高，运行可靠，提高了生产的自动化水平，减小了操作人员的劳动强度。参考文献及资料： （1）、王侃夫. 数控机床控制技术与系统：机械工业出版社，2002.01 （2）、于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.2004 （3）、EasyBuilder 500 使用手册 （4）、斯达微步控制有限公司步机电机和驱动器使用手册作者简介姓名：黄景良 单位：广东省江门市高级技工学校 职业：技能指导教师E-MAIL：Y2KHJL@21CN.COM或CEO@JFLJC.COM联系电话：13322883421联系地址：广东省江门市江北路一号江门市高级技工学校电子电工实习教研组简历： 2001年广东工业大学毕业后进入江门市高级技工学校从事电气工程及其自动化技能教学。