人机界面和PLC在机床改造的应用

    一、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。

    二、PLC和人机界面在机床改造中的应用
   
    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CADCAM）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IO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）。

图1 系统的结构框图

    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（PLCIO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MT506TC。
   
    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：IO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。

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    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。

图2

    （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。

图3

    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。

    三、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。