基于總線技術(shù)的中小型壓力機(jī)控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

胡 鵬，錢 進(jìn)，徐 凱，唐 堅(jiān)，陳 靜

（江蘇揚(yáng)力堅(jiān)城鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

基于總線技術(shù)的中小型壓力機(jī)控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

胡 鵬，錢 進(jìn)，徐 凱，唐 堅(jiān)，陳 靜

（江蘇揚(yáng)力堅(jiān)城鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

本文針對(duì)當(dāng)前中小型壓力機(jī)智能化程度低、操作復(fù)雜等問題，提出一種基于PLC的壓力機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，依靠中小型PLC日益強(qiáng)大的通信能力，與壓力機(jī)各傳感器、編碼器、觸摸屏和變頻器等電控元件進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，將原本分布在各電控元件上設(shè)置的控制參數(shù)集成到觸摸屏上設(shè)置，同時(shí)將壓力機(jī)各類報(bào)警信息及解決方案顯示在觸摸屏上，大大簡化了壓力機(jī)的操作難度和維修時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。本文通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性和有效性。

壓力機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)；智能設(shè)計(jì)

當(dāng)前，中小型壓力機(jī)的智能化程度普遍不高，關(guān)鍵電控元件的參數(shù)設(shè)定（如電子凸輪、模高控制器、變頻器等）比較復(fù)雜，對(duì)專業(yè)性有一定要求。當(dāng)壓力機(jī)由于誤操作或工藝變化需要調(diào)整這些參數(shù)時(shí)，用戶常常深受困擾。另一方面，壓力機(jī)維護(hù)人員的流動(dòng)也對(duì)故障的及時(shí)有效排除帶來較大影響，新的維護(hù)人員可能需要較長時(shí)間才能準(zhǔn)確判斷故障原因。這些因素幾乎困擾著整個(gè)沖壓生產(chǎn)企業(yè)，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

鑒于此，本文依靠當(dāng)前中小型PLC強(qiáng)大的通信能力[1]，優(yōu)化現(xiàn)有的壓力機(jī)控制系統(tǒng)，提高中小型壓力機(jī)的智能化程度，降低其操作復(fù)雜度，縮短一線工人的培養(yǎng)時(shí)間，同時(shí)增加觸摸屏，通過PLC與觸摸屏之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，提供一個(gè)友好的人機(jī)界面，增強(qiáng)壓力機(jī)與操作者之間的人機(jī)交互，大幅度提高沖壓生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文通過現(xiàn)場運(yùn)用驗(yàn)證了該套控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、有效性和靈活性。

1 系統(tǒng)整體控制方案

本文的研究重點(diǎn)在于PLC與各電控元件之間的通信。各電控元件的應(yīng)用范圍較為廣泛，支持的通信協(xié)議很多，而絕大多數(shù)的PLC由于體系結(jié)構(gòu)的原因，自帶的總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議都是專用的，因此選擇一種PLC支持的通信協(xié)議成為控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。雖然隨著控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，當(dāng)前的PLC可以擴(kuò)展多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議模塊，但是這些模塊價(jià)格不菲[2][3][4]，不適用于中小型壓力機(jī)?？紤]到成本和系統(tǒng)交換的數(shù)據(jù)量不大等因素，本文以基于RS－485總線的Modbus－RTU通信協(xié)議為主來構(gòu)建整體通信網(wǎng)絡(luò)，具體控制方案如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

其中，歐姆龍CP1E型PLC是一款將簡單應(yīng)用概念凝聚一身的微型可編程控制器，它擁有大容量的存儲(chǔ)器，具有靈活豐富的擴(kuò)展功能，適用于不同行業(yè)的應(yīng)用控制。同時(shí)，CP1E支持Modbus－RTU通信協(xié)議，只需要擴(kuò)展一個(gè)CP1W－CIF12接口模塊就可以與支持該協(xié)議的其控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了，硬件成本十分低廉[5][6][7]。本文以歐姆龍CP1E型PLC作為主站采集操作人員通過觸摸屏輸入的需求信息（如裝模高度值，系統(tǒng)參數(shù)更改等），然后與相關(guān)的電控元件（電子凸輪、電子模高和變頻器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)要求將修改值存入對(duì)應(yīng)的地址，退出設(shè)置后再讀取該地址的值，以確定參數(shù)修改成功。同時(shí)，將PLC所采集的數(shù)據(jù)（如故障信息及解決方案，PLC輸入輸出點(diǎn)信息等）顯示在觸摸屏上，以方便操作者與維修人員隨時(shí)監(jiān)控機(jī)床當(dāng)前狀態(tài)。

上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡化了變頻器系統(tǒng)參數(shù)、電子凸輪裁剪角度等設(shè)置復(fù)雜度，可以實(shí)現(xiàn)裝模高度值自動(dòng)調(diào)整，增加了壓力機(jī)的智能化程度，降低了操作難度，并且為以后的工廠智能化改造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 通信原理及硬件設(shè)置

Modbus通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，在中國Modbus通信協(xié)議已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582－2008，通過它不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的信息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)由何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的，它描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄，制定

了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。Modbus協(xié)議分為兩種傳輸模式：ASII模式和RTU模式[8]，歐姆龍CP1E型PLC自帶的是RTU傳輸模式的Modbus通信協(xié)議。

歐姆龍CP1E型PLC運(yùn)用Modbus－RTU協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)PLC的參數(shù)按照Modbus－RTU通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸格式和實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)置，本文中針對(duì)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)刷新頻率的需求，經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇通信參數(shù)如圖2所示。其波特率為19200bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗(yàn)。

圖2 歐姆龍PLC參數(shù)設(shè)定

需要注意的是，當(dāng)歐姆龍PLC運(yùn) 用CP1W －CIF12串口進(jìn)行Modbus-RTU協(xié)議通信時(shí)，會(huì)占用其內(nèi)部存儲(chǔ)器DM的一些固定區(qū)域，用作通信過程中的消息存儲(chǔ)，如從站地址、讀寫功能的設(shè)定、返回?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域和通信狀態(tài)的存儲(chǔ)區(qū)域等，具體如表1所示。

表1 歐姆龍PLC固定分配字

整個(gè)通信程序的編寫需要注意相關(guān)輔助區(qū)的狀態(tài)，這些輔助區(qū)的狀態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控一個(gè)通信過程是否成功。RS－485串口的Modbus－RTU協(xié)議通信的輔助字定義如下，當(dāng)Modbus－RTU主站執(zhí)行位置ON時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送在Modbus－RTU主站的DM固定分配字中設(shè)定的命令。

綜上所述，以本項(xiàng)目中讀取電子凸輪控制器的凸輪角度數(shù)據(jù)為例，具體固定分配字的設(shè)定如表2、表3所示。

表2 歐姆龍PLC通信輔助位

表3 電子凸輪角度讀取固定分配字設(shè)定

圖3 PLC數(shù)據(jù)采集流程圖

3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述通信原理，歐姆龍PLC采集數(shù)據(jù)主要分為以下步驟：

①串口參數(shù)初始化，將操作數(shù)寫入控制字節(jié)，開中斷；②讀取控制器系統(tǒng)狀態(tài)值，判斷當(dāng)前控制器是否處于空閑狀態(tài)；如控制器不處于空閑狀態(tài)，則繼續(xù)讀取系統(tǒng)狀態(tài)值，判斷當(dāng)前控制器是否處于空閑狀態(tài)；③讀取PLC通信輔助位數(shù)據(jù)，判斷通信是否正常；如正常進(jìn)行下一步；如不正常，則轉(zhuǎn)至步驟①；④控制器處于空閑狀態(tài)下，則發(fā)送寫寄存器指令請(qǐng)求進(jìn)入用戶設(shè)置狀態(tài)；⑤發(fā)送另一組寫寄存器指令，確認(rèn)進(jìn)入用戶設(shè)置狀態(tài)，否則判斷通信是否正常，如正常則轉(zhuǎn)至步驟④，如不正常則轉(zhuǎn)至步驟①；⑥控制器用戶設(shè)置狀態(tài)下，發(fā)送控制指令請(qǐng)求進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)；⑦發(fā)送控制指令，確認(rèn)進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)至步驟③；⑧控制器系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)下，發(fā)送需要更改的系統(tǒng)參數(shù)值，按要求修改控制器參數(shù)設(shè)定；⑨發(fā)送控制指令，退出當(dāng)前設(shè)置狀態(tài)；⑩讀取控制器各更改參數(shù)值，判斷控制器參數(shù)更改是否成功，如參數(shù)修改成功，則通信進(jìn)程結(jié)束；如參數(shù)修改不成功，則轉(zhuǎn)至步驟②。

具體通信流程如圖4所示。

根據(jù)上述通信原理和流程，進(jìn)行程序編寫，部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序代碼如下所示：

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性和實(shí)時(shí)性，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)在本公司現(xiàn)場制造的JH系列壓力機(jī)上進(jìn)行。通過較長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以大大簡化壓力機(jī)的操作難度。部分觸摸屏操作界面如圖4所示。幾乎所有的壓力機(jī)系統(tǒng)參數(shù)都可以通過觸摸屏設(shè)置，各類機(jī)床故障也在觸摸屏上有所體現(xiàn)，裝模高度調(diào)整等實(shí)現(xiàn)了智能化調(diào)整，大大增強(qiáng)了壓力機(jī)的智能化程度，使操作者能夠更加方便、舒適地使用壓力機(jī)。

圖4 電子凸輪設(shè)置界面

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前中小型壓力機(jī)智能化程度較低、操作復(fù)雜度較高等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PLC的壓力機(jī)智能化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過PLC日益強(qiáng)大的通信能力，與壓力機(jī)傳感器、編碼器、觸摸屏和變頻器等電控元件進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，將原本分布在各電控元件上設(shè)置的控制參數(shù)集成到觸摸屏上設(shè)置，同時(shí)將壓力機(jī)各類報(bào)警信息及解決方案顯示在觸摸屏上，大大簡化了壓力機(jī)的操作難度和維修時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)今后的設(shè)備智能化升級(jí)有非常大的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。同時(shí)，該系統(tǒng)完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和整理，與當(dāng)前流行的制造執(zhí)行系統(tǒng)可以很好地銜接，為后續(xù)的工廠智能化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Intelligent design of control system for medium and small press based on bustechnology

HU Peng,QIAN Jin,XU Kai,TANG Jian,CHEN Jing
（Jiangsu Yangli Jiancheng Metalforming Machinery Co.,Ltd.,Yangzhou 225000,Jiangsu China）

Aiming at problems including poor level of intelligent medium and small press and more complicated operation,anoptimized design method for control system based on PLC has been put forward,which can perform data exchange with each sensor,encoder,touch screen,and frequency inverter by means of medium and small PLC increasingly strong communication ability.Thecontrol parameters distributed in various electric control components have been integrated into the touch screen setting.The information of various alarm and solutions of the press have been displayed on the touch screen.Thus in this way,the operation difficulty has been greatly simplified and the maintenance time has been saved,while the production efficiency has been improved.The feasibility and effectiveness of this control system have been verified by site testing.

Press;PLC;Control system

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.022

1672－0121（2016）04－0071－04

2016－03－19；

2016－05－13

胡 鵬（1981－），男，工程師，從事機(jī)械壓力機(jī)電氣設(shè)計(jì)及管理。E－mail：760354218＠qq.com