HMI技術(shù)實現(xiàn)通用感應(yīng)淬火自動控制

莊淑君 姚旭東

（洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023）

HMI技術(shù)實現(xiàn)通用感應(yīng)淬火自動控制

莊淑君 姚旭東

（洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023）

基于人機界面觸摸屏（HMI）與可編程序控制器（PLC），配套相應(yīng)的組態(tài)軟件，通過傳感與通信技術(shù)，完成填表式參數(shù)設(shè)定、操作平臺及實時信息監(jiān)控等界面設(shè)計，從而實現(xiàn)感應(yīng)淬火裝備對工件感應(yīng)熱處理的通用性與自動化。

通用感應(yīng)淬火 HMI 填表式參數(shù)設(shè)定 PLC 組態(tài)軟件

在汽車、工程機械、機床行業(yè)的感應(yīng)熱處理中，需對動力輸出從動軸、半軸、凸輪軸等各種軸類零件，以及齒輪類、環(huán)類、平面類等關(guān)鍵零部件進(jìn)行表面淬火，以改善和提高零件性能。通用感應(yīng)淬火裝備的通用性與自動化控制，對于節(jié)省成本，提高感應(yīng)淬火效率和質(zhì)量具有非常關(guān)鍵的作用。

觸摸屏是連接人和機器的人機界面（Human Machine Interface簡稱HMI）。通過相應(yīng)組態(tài)軟件設(shè)計，可對工件感應(yīng)淬火參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實時填表式設(shè)置，實現(xiàn)工件感應(yīng)淬火的通用性。應(yīng)用HMI替代傳統(tǒng)控制面板、鍵盤及顯示器，可對感應(yīng)淬火裝備實現(xiàn)智能化可視操作及實時、歷史信息監(jiān)控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制的自動化。

1 通用感應(yīng)淬火裝備控制系統(tǒng)組成設(shè)計

利用觸摸屏HMI，結(jié)合可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），配套相應(yīng)組態(tài)軟件設(shè)計，通過傳感與通信，可實現(xiàn)參數(shù)現(xiàn)場填表式設(shè)定，實時曲線、動畫與歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)，將操作顯示集為一體，從而實現(xiàn)工業(yè)控制自動化。其組成框圖如圖1所示。

在控制系統(tǒng)中，觸摸屏HMI與PLC構(gòu)成系統(tǒng)的上位機與下位機。通過HMI填表式參數(shù)設(shè)定，將運行參數(shù)寫入PLC的存儲區(qū)域進(jìn)行運算處理。PLC對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集與處理，以“變量”方式實現(xiàn)運算處理單元與機械設(shè)備或過程之間的通信，并根據(jù)需要精確地把機械設(shè)備動作或過程參數(shù)映射在運算處理單元上，完成對整個系統(tǒng)自動控制。

應(yīng)用HMI技術(shù)的通用感應(yīng)淬火自動控制系統(tǒng)主要由可編程序控制器，HMI觸摸屏、配套的組態(tài)軟件、以及相應(yīng)的傳感器、通信接口等組成。其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

觸摸屏（HMI）承擔(dān)感應(yīng)淬火工藝流程監(jiān)控、即時填表式參數(shù)輸入、實時淬火數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示、生產(chǎn)管理、發(fā)布生產(chǎn)操作命令、資料存儲、打印等作用。PLC的功能是采集現(xiàn)場信息，通過通信及時向HMI傳送各類實時感應(yīng)淬火狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并通過HMI以直觀形象的曲線和動畫形式實現(xiàn)實時顯示，并根據(jù)程序運行結(jié)果，通過HMI觸摸屏發(fā)布指令控制設(shè)備操作，實現(xiàn)感應(yīng)淬火裝備的通用性與自動化。

組態(tài)軟件設(shè)計形成不同功能的HMI界面。通過HMI對需要調(diào)試的10余個工藝參數(shù)（電壓、電流、加熱功率、加熱時間、掃描速度、旋轉(zhuǎn)速度等）進(jìn)行即時填表式觸摸設(shè)定。通過PLC現(xiàn)場采集電流、電壓進(jìn)行能量分析計算，對功率密度、溫度等實施現(xiàn)場組態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)感應(yīng)加熱和冷卻過程溫度梯度的優(yōu)化控制及能量監(jiān)控，更好地解決各類工件感應(yīng)淬火中淬硬層不連續(xù)的問題?？s短特殊工件工藝調(diào)試周期，并保證批量工件淬火質(zhì)量的一致性。

2 通用感應(yīng)淬火裝備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)通用感應(yīng)淬火自動控制的要求，選用性價比較高的HMI（觸摸屏）、PLC及相應(yīng)組態(tài)軟件。通過調(diào)用組態(tài)元器件、啟用配方及運用宏指令功能，設(shè)計感應(yīng)淬火通用性、自動化的HMI界面。結(jié)合PLC軟件程序設(shè)計，完成通用感應(yīng)淬火的自動控制。

2.1 即時填表式參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)系統(tǒng)的通用

啟動配方、調(diào)用組態(tài)按鈕及數(shù)值輸入，設(shè)計工藝管理即時填表式參數(shù)設(shè)定界面，實現(xiàn)系統(tǒng)的通用，如圖3所示。

將觸摸屏一部分內(nèi)存劃分為若干個等量存儲空間區(qū)域，每個區(qū)域形成相應(yīng)的獨立配方，一個配方對應(yīng)于一個工件，所有的工件具有唯一對應(yīng)的編號。每一配方由二維表格構(gòu)成，根據(jù)工件感應(yīng)淬火工藝要求設(shè)定11個參數(shù)，構(gòu)成表格的列；根據(jù)零件感應(yīng)淬火不同工藝區(qū)段的個數(shù)，形成表格的行。在HMI界面上，輸入需感應(yīng)淬火的工件編號，對應(yīng)其相應(yīng)配方，可觸摸實現(xiàn)現(xiàn)場即時填表式參數(shù)設(shè)定和修改。執(zhí)行過程中直接觸摸設(shè)置的“下載”、“上載”鍵即可實現(xiàn)HMI－PLC，或PLC－HMI的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸或存儲。因此在同一個工件上，可自動實現(xiàn)同時淬火、連續(xù)掃描淬火、分段同時淬火、分段連續(xù)掃描淬火的工藝。最多可構(gòu)成千余種工件的淬火工藝存儲，方便隨時選擇。

利用填表式界面可對各種工件工藝參數(shù)進(jìn)行觸摸填表設(shè)置，操作簡單方便。尤其在通用感應(yīng)淬火工藝研究實驗中，可以根據(jù)參數(shù)變化趨勢及監(jiān)控信息不斷即時修改上百個工藝參數(shù)，在最短工藝研究周期獲得最優(yōu)化工藝參數(shù)，降低工藝試驗成本，并提高感應(yīng)淬火質(zhì)量的一致性。

2.2 控制與監(jiān)測實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化

2.2.1 系統(tǒng)的控制管理

通過換畫面組態(tài)設(shè)計，設(shè)定9個切換畫面按鈕對照相應(yīng)的管理畫面。實現(xiàn)可以根據(jù)需要在屏幕上直接觸摸，選擇感應(yīng)淬火生產(chǎn)過程所需的各種控制、監(jiān)測操作。構(gòu)成通用感應(yīng)淬火裝備整個控制系統(tǒng)的操作管理。其界面如圖4所示。

2.2.2 實現(xiàn)直觀、便捷的機床操作

通過系列組態(tài)按鈕及狀態(tài)信息顯示設(shè)計，分配相應(yīng)的PLC地址。在HMI上通過觸摸操作按鈕，形成相應(yīng)信息傳輸給PLC，完成設(shè)備相關(guān)操作，并顯示相應(yīng)工作狀態(tài)信息，從而替代傳統(tǒng)的按鈕開關(guān)面板操作。其界面如圖5所示。

在“工件編號”中輸入被加工的工件號，并選擇工作方式為自動循環(huán)或半自動循環(huán)，按“啟動按鈕”，系統(tǒng)將自動下載所選工件（已編制存儲的）淬火工藝參數(shù)到PLC中，PLC按當(dāng)前段設(shè)定的工藝參數(shù)控制淬火裝備對工件自動進(jìn)行感應(yīng)淬火并顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。需要時也可選擇手動方式進(jìn)行調(diào)整操作。

2.2.3 實時信息、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)

使用組態(tài)曲線、數(shù)值輸入輸出，采用相應(yīng)傳感器監(jiān)測現(xiàn)場信息，通過PLC與HMI的通信，運用HMI組態(tài)宏指令實時運算、分析處理，設(shè)計各監(jiān)測曲線界面。實現(xiàn)通用感應(yīng)淬火關(guān)鍵信息實時及歷史顯示，方便監(jiān)測，提供控制依據(jù)，提升通用感應(yīng)淬火設(shè)備作業(yè)過程的可追溯性，形成感應(yīng)淬火的自動控制。

如動力輸出從動軸軸徑變化大（約30 mm），感應(yīng)淬火時，轉(zhuǎn)換段的均勻連續(xù)淬硬是感應(yīng)淬火自動控制的技術(shù)關(guān)鍵。工藝參數(shù)設(shè)定后，需要通過實時監(jiān)控功率密度等參數(shù)的分布及趨勢及時調(diào)整工藝參數(shù)，以提高淬火效率，控制成本，保證和提高淬火質(zhì)量。

圖6為通用感應(yīng)淬火過程功率監(jiān)控應(yīng)用于動力輸出從動軸的實例。通過理論計算設(shè)定基準(zhǔn)功率，在功率監(jiān)控過程中，根據(jù)實際功率相對于基準(zhǔn)功率的分布狀況，對工件各段上工藝參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行及時分析、控制，從而提供滿足工件淬硬質(zhì)量要求所需的能量。

設(shè)計工作實時動畫、故障報警、打印等界面，進(jìn)一步完善通用感應(yīng)淬火自動控制。

2.3 PLC控制程序設(shè)計

對于各種工件實現(xiàn)通用感應(yīng)淬火，其不同淬火區(qū)段根據(jù)當(dāng)前段工藝參數(shù)要求，采用循環(huán)執(zhí)行同一段PLC程序的方法，實現(xiàn)感應(yīng)淬火工藝的自動控制。各淬火區(qū)段的工藝要求雖各有不同，但每段共享工藝參數(shù)的個數(shù)相同，在工藝參數(shù)設(shè)定時進(jìn)行相應(yīng)處理。如對于不同區(qū)段的同時淬火，只是將相應(yīng)各區(qū)段的移動距離、移動速度設(shè)定為0即可實現(xiàn)。因此只需自動循環(huán)同一段PLC程序，就可自動實現(xiàn)不同區(qū)段的連續(xù)掃描淬火、同時淬火、分段連續(xù)掃描淬火、分段同時淬火等多種工藝過程，大大簡化了感應(yīng)淬火通用、自動控制的PLC程序編制。其程序流程如圖7所示。

3 結(jié)語

利用HMI技術(shù)實現(xiàn)通用感應(yīng)淬火自動控制，集控制、操作、顯示為一體，實現(xiàn)各種工件感應(yīng)淬火的自動化和通用性，提高感應(yīng)淬火效率和質(zhì)量。通過對大變徑軸類零件感應(yīng)淬火的工藝試驗應(yīng)用，解決了其硬化層不連續(xù)的難題。并以最短的工藝研究周期，獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)。相應(yīng)課題《大變徑軸類零件感應(yīng)淬火新工藝中控制技術(shù)的研究》2009年底通過河南省科技廳鑒定為國內(nèi)領(lǐng)先水平。在實際生產(chǎn)中，此控制系統(tǒng)具備將每個工藝流程參數(shù)與已檢驗合格的標(biāo)準(zhǔn)樣件做比對，超差就報警。同時對設(shè)備狀況實時報警監(jiān)控，避免超差產(chǎn)品的流出，尤其適合于在大批量工件感應(yīng)熱處理生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。

［1］魏克新.自動控制綜合應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：207 －245.

［2］嚴(yán)盈富.觸摸屏與PLC入門［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［3］臺達(dá)公司.DOP系列人機界面應(yīng)用技術(shù)手冊［Z］.臺北：臺達(dá)公司，2007.

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The Adoption of HMI to Achieve Automatic Control for All－purpose Induction Hardening

ZHUANG Shujun，YAO Xudong
（Department of Electrical Engineering and Automation，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，CHN）

莊淑君，1962年生，女，副教授、主要從事自動控制教學(xué)與研究，發(fā)表文章10余篇。

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2010－03－29）

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