PLC在設(shè)計(jì)開放式數(shù)控車床系統(tǒng)的應(yīng)用研究

譚志全

（廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100）

計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用使數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)資源得到極大的豐富，更有利于開放式數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。完成數(shù)控系統(tǒng)的信息處理需要進(jìn)行數(shù)字控制和順序控制，PLC就是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)順序控制的重要控制硬件?，F(xiàn)代控制理論的使用，使開關(guān)控制技術(shù)進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

1 數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理

數(shù)控車床的的控制系統(tǒng)是設(shè)備運(yùn)用中的神經(jīng)中樞，以數(shù)字控制的形式發(fā)出工作命令，使設(shè)備執(zhí)行工作，而可編程邏輯控制器在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)不可或缺。PLC工作過程主要包括數(shù)據(jù)輸入、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)主要階段，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)比較封閉，上極位不能實(shí)現(xiàn)與管理層的直接通訊。開放式的PLC控制系統(tǒng)可以通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接和控制去實(shí)現(xiàn)和設(shè)備層、管理層的直接通訊，極大的提高運(yùn)行效率和可靠性。PLC的硬件結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的前提，硬件設(shè)備可以實(shí)施對(duì)軟件的檢測(cè)，并根據(jù)運(yùn)行系統(tǒng)的要求和外圍的硬件實(shí)現(xiàn)通信，完成規(guī)定功能。

2 數(shù)控車床控制系統(tǒng)的硬件機(jī)構(gòu)

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)是控制系統(tǒng)的中控機(jī)，工作人員在人機(jī)操作中將數(shù)據(jù)內(nèi)容錄入系統(tǒng)的加工流程，使設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。人性化的操作界面將會(huì)支持人工修改和參數(shù)設(shè)計(jì)，將改動(dòng)后的數(shù)據(jù)快速進(jìn)行識(shí)別，然后根據(jù)相關(guān)的協(xié)議將參數(shù)錄入運(yùn)動(dòng)控制器，完成規(guī)定的指令動(dòng)作。

2.2 運(yùn)功控制器

若將控制系統(tǒng)比作數(shù)控車床系統(tǒng)的大腦，那么運(yùn)動(dòng)控制器就是控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。國(guó)內(nèi)大型的數(shù)控系統(tǒng)采用西門子控制系統(tǒng)，中小型的有FANUC和三菱數(shù)控系統(tǒng)，為了便于研究，選用具有良好運(yùn)行穩(wěn)定性的德國(guó)西門子公司所配置的運(yùn)動(dòng)控制器，主要組成部分是PLC5300和運(yùn)動(dòng)控制器，在運(yùn)動(dòng)控制方面兼具穩(wěn)定性和靈活性。

2.3 電源模塊

采用交換變頻的電源模塊實(shí)現(xiàn)交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換，并使用逆變器元件將直流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的交流電。電源模塊主要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)換，經(jīng)工業(yè)用電轉(zhuǎn)換為直流電，然后輸送到不同的電機(jī)模塊。電源模塊分為可調(diào)和不可調(diào)兩類，其中可調(diào)電源模塊可以將轉(zhuǎn)換后的直流電控制在允許的線性變化范圍內(nèi)。而不可調(diào)電源可以控制固定電壓的直流電，應(yīng)用在固定的領(lǐng)域。

2.4 主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)可以根據(jù)加工要求、精度要求以及價(jià)格方面的考慮進(jìn)行選擇。變頻器通過串行接口接入主軸系統(tǒng)，保證高頻變頻器的精密性，變頻調(diào)速器的使用能夠顯著提高數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。主軸系統(tǒng)靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供電源，而電機(jī)的速度調(diào)試、轉(zhuǎn)動(dòng)模式、啟動(dòng)和停止以及報(bào)警工作都由PLC和數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。主軸卡盤的松緊也由PLC和數(shù)控系統(tǒng)控制。細(xì)分市場(chǎng)需要主軸控制系統(tǒng)能夠滿足產(chǎn)品加工螺紋的需要。因此需要主軸配置編碼器同步運(yùn)轉(zhuǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。編碼器作為主軸位置的反饋元件，需要保證加工工作的穩(wěn)定和精確，并對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)向等進(jìn)行測(cè)量，編碼器端口需要和數(shù)控系統(tǒng)對(duì)接。

3 基于PLC的開放式數(shù)控車床系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床在先進(jìn)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的支持下，逐漸向智能化的方向發(fā)展，是多種先進(jìn)技術(shù)的集成應(yīng)用?？梢愿鶕?jù)市場(chǎng)需求變更加工程序，設(shè)置不同的參數(shù)，生產(chǎn)出適合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，并且數(shù)控機(jī)床能夠提高產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，并具有高精度、品種多樣、系統(tǒng)穩(wěn)定好的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)小型數(shù)控車床更能滿足中小企業(yè)個(gè)性化的市場(chǎng)需求，生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品，進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分。這里主要針對(duì)國(guó)內(nèi)中小企業(yè)的開放性數(shù)控車床系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究。

3.1 主軸系統(tǒng)的控制與實(shí)施

國(guó)內(nèi)中小型數(shù)控車床系統(tǒng)的主軸，一般應(yīng)用普通的變頻交流器就可以改變電機(jī)頻率。變頻器可以選用三菱、臺(tái)達(dá)等比較通用的變頻器，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的主軸無級(jí)變速。通過與已有的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行串行接口連接，控制電流、電壓來改變變頻器的運(yùn)行速度。主軸控制系統(tǒng)可以采用單極性電壓，通過控制開關(guān)輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的啟動(dòng)、停用和運(yùn)轉(zhuǎn)模式進(jìn)行控制。速度電壓信號(hào)控制在正負(fù)10V范圍內(nèi)，最大電流控制為10mA。系統(tǒng)也可以使用雙極性電壓，通過勢(shì)能信號(hào)控制主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)工作。主軸編碼器是保證主軸運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性的元件，電源電壓控制在+5V，并使用差分TTL方波提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

主軸電氣系統(tǒng)開關(guān)量的輸入和工作應(yīng)用。信息輸入包括：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、允許信號(hào)、警報(bào)信號(hào)、速度控制信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主要包括主軸機(jī)械的不同檔位的啟動(dòng)信號(hào)、常開觸電、閉合有效和啟動(dòng)機(jī)械變檔。變頻器的功能檢測(cè)可以通過外部運(yùn)行允許信號(hào)和閉合開關(guān)實(shí)行控制。通過設(shè)置過載報(bào)警信號(hào)，對(duì)變頻器的異常情況實(shí)現(xiàn)自行檢測(cè)。速度到達(dá)信號(hào)在主軸速度實(shí)現(xiàn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行，主要檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定速度。此外，卡盤設(shè)置松開和卡緊的信號(hào)，通過內(nèi)部設(shè)置低電平，根據(jù)信號(hào)指示，控制卡盤工作。主軸機(jī)械不同檔位的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證低電平有效，發(fā)出信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制換擋?？ūP控制系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)性價(jià)比較好的華中數(shù)控系統(tǒng)，其內(nèi)置PLC可以結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)試和開發(fā)。而主軸的外部控制開關(guān)也需要進(jìn)行輸入輸出開關(guān)控制，企業(yè)可以在數(shù)控市場(chǎng)上購(gòu)買繼電器板解決外控開關(guān)的問題。

3.2 PLC數(shù)控系統(tǒng)與變頻器組合

數(shù)控系統(tǒng)和變頻器的組合同樣需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，通過主軸過載、速度標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)和停止，變頻高、中、低速啟動(dòng)、制動(dòng)解除，主軸正、反轉(zhuǎn)控制，高、中、低速控制，變頻器不同啟動(dòng)端進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)示，控制變頻器的無極調(diào)速電流為上限20mA，并設(shè)置調(diào)速端和公共端點(diǎn)。啟動(dòng)工作時(shí)，只需設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)主軸數(shù)控和變頻器的配合運(yùn)作。

3.3 PLC數(shù)控系統(tǒng)和觸容屏組合

觸容屏代替原有的操作臺(tái)和顯示器連接人機(jī)界面，通過數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置去描述系統(tǒng)控制過程的動(dòng)態(tài)曲線，進(jìn)一步拓展PLC功能，并且簡(jiǎn)化設(shè)備開關(guān)、儀表儀器設(shè)備的使用。圖1為PLC和觸容屏控制系統(tǒng)組成框圖。

圖1 PLC和觸容屏控制系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)仍舊采用西門子公司的數(shù)控系統(tǒng)，將S7-200與迪文觸容屏進(jìn)行組合。數(shù)控系統(tǒng)通過模擬量輸入模塊和溫度、壓力等傳感收集裝置采集信號(hào)，并通過PLC上的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)值轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接|容屏上，通過參數(shù)設(shè)置，觸容屏給PLC發(fā)送指令去執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)控制。計(jì)算機(jī)和觸容屏之間的通信連接可以通過串行通信或者并行通信，而本系統(tǒng)采用自由口實(shí)現(xiàn)通信連接。數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議由用戶程序決定，通信任務(wù)由計(jì)算機(jī)編程來完成，自由口通信的核心是發(fā)送、接受指令和相關(guān)的特殊寄存器控制。通過寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)校驗(yàn)的選擇、字符的數(shù)據(jù)位、自由口波特率和協(xié)議進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以通信線進(jìn)行連接，當(dāng)特殊寄存器的規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有接到信息時(shí)，指令停止接收。迪文觸容屏的數(shù)據(jù)傳送方式是由串口數(shù)據(jù)幀機(jī)構(gòu)完成，幀頭固定為OXAA,指令有迪文系統(tǒng)的指令集決定，數(shù)據(jù)最多為249B，幀結(jié)束尾符也固定。觸容屏的數(shù)據(jù)采用16進(jìn)制，字節(jié)傳送順序?yàn)楦咦止?jié)線傳送方式，實(shí)行上行傳送時(shí)，觸容屏發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC，數(shù)據(jù)從串行接口輸出，傳送方向?yàn)橄滦袝r(shí)，PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給觸容屏，數(shù)據(jù)從觸容屏串行接口輸入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PLC和觸容屏之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

主軸控制系統(tǒng)和觸容屏系統(tǒng)與PLC進(jìn)行組合后，便于加工程序編譯、運(yùn)行、計(jì)算、信號(hào)輸入輸出工作的順利進(jìn)行，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也便于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)管理。整個(gè)系統(tǒng)可以縮短運(yùn)行時(shí)間，提高運(yùn)行效率，并且設(shè)計(jì)開關(guān)量信號(hào)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，主軸加工過程更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速。操作員通過操作觸容屏控制系統(tǒng)的運(yùn)行，可以省去很多的電路接線，使作業(yè)更簡(jiǎn)化，并且可以通過運(yùn)行曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握，實(shí)時(shí)報(bào)警、記錄等功能實(shí)現(xiàn)了PLC可視化，促進(jìn)了工控領(lǐng)域的發(fā)展。

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