基于嵌入式一體化工控機(jī)的仿形車床電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 曉，張建生，華 亮

WU Xiao1，ZHANG Jian-sheng2，HUA Liang1

（1.南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226019；2.常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，常州 213002）

0 引言

活塞環(huán)加工專機(jī)是內(nèi)燃機(jī)制造行業(yè)的專用機(jī)床?；钊h(huán)內(nèi)外圓同時(shí)仿形車銑組合機(jī)床（以下簡稱仿形車）采用內(nèi)外園同時(shí)仿形，并一次走刀完成加工，較好地實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)要求的活塞環(huán)彈力分布，大大縮短了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率。避免了工件中的殘余應(yīng)力，比較容易控制質(zhì)量[1]。

仿形車原電氣系統(tǒng)使用了PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)等裝置，但控制手段仍采用電位器模擬輸入調(diào)節(jié)速度[2]，控制精度低。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)模擬控制的仿形車電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)需求也就應(yīng)運(yùn)而生。

1 電氣控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)改進(jìn)的要求

仿形車原來的電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心，運(yùn)行速度通過外接輸入電位器設(shè)置，而轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度通過PLC驅(qū)動(dòng)LED數(shù)顯裝置加以顯示。原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中變頻器1用于控制車床主軸轉(zhuǎn)速，伺服裝置則用來精確控制刀具的進(jìn)給速度，變頻器2用于銑床刀具的進(jìn)給速度。它們都用電位器來調(diào)節(jié)運(yùn)行速度。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度通過PLC對(duì)光電編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理，再驅(qū)動(dòng)顯示裝置[2]。

隨著各種控制部件性能的不斷提升，對(duì)原系統(tǒng)提出了新的要求：采用觸摸屏作人機(jī)界面并實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。具體內(nèi)容是：數(shù)據(jù)的傳輸及對(duì)變頻器、伺服放大器、PLC的控制通過網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)，所有按鈕（除急停鈕外）都由觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

圖1 原系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具有5臺(tái)4種部件裝置——觸摸屏、PLC、變頻器（2臺(tái)）和伺服放大器，其中PLC、變頻器與伺服放大器各自具有各自的通訊協(xié)議，無法通過把所有設(shè)備均掛接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)觸摸屏與上述部件均可交換信息的控制要求。這就要求PLC要有多個(gè)通訊接口。觸摸屏設(shè)置和顯示的參數(shù)，通過PLC下送和上傳；但小型PLC從實(shí)用和經(jīng)濟(jì)性上考慮通常不宜多于2個(gè)通訊接口，同時(shí)考慮到觸摸屏一般也能提供2個(gè)串行接口，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)以觸摸屏為中心，同時(shí)充分利用PLC的兩個(gè)通訊接口如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

圖2中觸摸屏—PLC—伺服放大器，組成了第一條通訊鏈路。而觸摸屏－變頻器則形成第二條通訊鏈路，巧妙地避開了變頻器與伺服放大器接在同一通訊接口上，無法運(yùn)行不同通訊協(xié)議帶來的矛盾。

圖3 PLC與伺服放大器通訊程序流程圖

觸摸屏選用MCGSTPC嵌入式一體化工控機(jī)，是以主頻400MHzCPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏[3]。觸摸屏與PLC采用其RS-232串口，而觸摸屏與兩臺(tái)變頻器采用其RS-485串口，組成變頻器通訊網(wǎng)絡(luò)，兩臺(tái)變頻器分別設(shè)為0號(hào)站與1號(hào)站，同一時(shí)刻僅有一臺(tái)變頻器與觸摸屏進(jìn)行通訊[4,5]。PLC和伺服放大器是三菱FX2N和J3系列[6]。

2 通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖M態(tài)

2.1 PLC與伺服放大器通訊程序的設(shè)計(jì)

2.1.1 通訊格式參數(shù)的設(shè)置

設(shè)備之間通訊成功的基礎(chǔ)是遵守相同的通訊協(xié)議，首先是要有相同的通訊格式。伺服放大器的通訊格式可通過參數(shù)PC20、PC21設(shè)置改變[6]。PLC的通訊格式通過D8120特殊單元的設(shè)置來完成[7~9]。

2.1.2 通訊程序的設(shè)計(jì)

伺服放大器的通訊采用的是主-從通訊方式，伺服放大器為從站[6]。通訊程序流程如圖3所示。

圖3中在對(duì)PLC進(jìn)行了一些初始化設(shè)置后，首先判斷是讀出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)還是設(shè)置參數(shù)，對(duì)于讀出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，由于是固定的讀取轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，所以只是發(fā)送一串固定的讀轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)指令同時(shí)等待伺服返回相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)即可，圖4為其關(guān)鍵程序語句。

圖4 讀取伺服放大器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的部分程序

圖3中對(duì)于設(shè)置參數(shù)的處理比較復(fù)雜，設(shè)置了多重保險(xiǎn)措施。首先是按照通訊協(xié)議要求設(shè)置寫入?yún)?shù)的參數(shù)組號(hào)，而后寫入數(shù)據(jù)，寫入后為了保證寫入數(shù)據(jù)的正確性，又重新把寫入的數(shù)據(jù)讀出，與要寫入的數(shù)據(jù)相比較，相同時(shí)才認(rèn)為參數(shù)設(shè)置成功（圖3（a））。其次這里每進(jìn)行一步通訊均要判斷通訊本身正確與否，在正確的前提下才轉(zhuǎn)入下一步，也正因?yàn)槿绱?，這里過程其實(shí)是一步進(jìn)順序過程，可以使用步進(jìn)順序指令實(shí)現(xiàn)，圖5為其簡化了的形式化SFC圖。再次，進(jìn)入設(shè)置參數(shù)后設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志（圖5中為M301），直到認(rèn)為設(shè)置成功才把該標(biāo)志復(fù)位，與此同時(shí)采取了一個(gè)類似于“看門狗”的措施：即對(duì)M301置位的時(shí)間計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)超過一定時(shí)間后則認(rèn)為通訊失敗，報(bào)警要求操作者采取相應(yīng)措施加以解決（參圖3（b））。

圖5 設(shè)置參數(shù)的簡化SFC圖

2.2 觸摸屏與PLC、變頻器之間通信參數(shù)的設(shè)置

由于通訊鏈路的其它通訊軟件是基于觸摸屏中的設(shè)備構(gòu)件（相當(dāng)于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序），所以只要正確設(shè)置設(shè)備構(gòu)件中的參數(shù)與PLC、變頻器中通訊格式參數(shù)一致即可。在一個(gè)父設(shè)備下掛接三菱PLC編程口設(shè)備，在另一個(gè)父設(shè)備下掛接兩臺(tái)三菱變頻器設(shè)備[10]。設(shè)備組態(tài)界面如圖6所示。必須注意所掛接的兩臺(tái)變頻器通訊站號(hào)分別為0和1。

圖6 觸摸屏設(shè)備組態(tài)畫面

通訊格式參數(shù)完全遵守PLC編程口通訊格式要求和三菱變頻器串行通訊格式要求，在設(shè)備構(gòu)件的屬性中設(shè)置[10]。

值得推敲的是設(shè)備構(gòu)件中變量連接以及觸摸屏的人機(jī)工作界面的設(shè)計(jì)。由于要顯示各設(shè)備的實(shí)時(shí)速度和設(shè)置其要求的運(yùn)行速度，所以設(shè)置了相關(guān)變量并與設(shè)備的有關(guān)通道相連接，如表1所示。

表1 觸摸屏與通訊相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

表中由于伺服放大器的參數(shù)是通過PLC傳遞的，所以表中伺服放大器的相關(guān)參數(shù)均連接到PLC的相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的通道上。

根據(jù)仿形車工作的需要，主軸起停過程中要控制不同的運(yùn)行速度[11,12]，因此，在不同的工作狀態(tài)對(duì)設(shè)定速度和運(yùn)行命令賦不同的值，通過觸摸屏的設(shè)備驅(qū)動(dòng)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。其中由于設(shè)定速度經(jīng)常在變化，所以選用設(shè)置RAM頻率形式。圖7為運(yùn)行時(shí)的人機(jī)界面，圖中三個(gè)速度顯示標(biāo)簽分別與三個(gè)實(shí)際速度變量連接，反映了實(shí)際工作時(shí)仿形車的工作狀況。

圖7 系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)的人機(jī)界面圖

3 結(jié)束語

在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是柔性制造系統(tǒng)先進(jìn)性標(biāo)志之一。本文的研究表明：以嵌入式一體化工控機(jī)（觸摸屏）為核心，雙串行通訊鏈路的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是在對(duì)活塞環(huán)仿形車電氣控制系統(tǒng)中觸摸屏，PLC，變頻器和伺服放大器等設(shè)備的通訊功能認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，充分利用觸摸屏及PLC自身有限的通訊資源而提出的，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的技術(shù)含量和可靠性。實(shí)際工作中，按照文中方法進(jìn)行硬件和軟件組態(tài)構(gòu)建的以觸摸屏為中心，觸摸屏與變頻器、伺服放大器、PLC可同時(shí)通訊的網(wǎng)絡(luò)化電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，獲得了用戶的首肯，并對(duì)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

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