尹惠玲

(廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院,廣東廣州 510520)

基于PLC和觸摸屏的切割機控制系統(tǒng)設(shè)計

尹惠玲

(廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院,廣東廣州 510520)

本文設(shè)計了以可編程控制器PLC和觸摸屏為核心的切割機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)針對不同屬性的金屬可采取不同的切割模式和切割速度。整個切割過程由PLC控制,通過觸摸屏設(shè)置各項切割參數(shù),采用變頻調(diào)速技術(shù)對驅(qū)動砂輪轉(zhuǎn)動的電機進行無級調(diào)速,采用細分式驅(qū)動技術(shù)控制步進電機運動,實現(xiàn)了砂輪轉(zhuǎn)速的任意設(shè)定和工件切割速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié),提高了切割機的控制精度,增強了系統(tǒng)切割不同材料的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

切割機 控制系統(tǒng) 可編程控制器 觸摸屏

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸屏與可編程控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。在觸摸屏與PLC組成的控制系統(tǒng)中，觸摸屏完成對設(shè)備的操作、顯示，PLC則根據(jù)控制要求，編制程序，直接對設(shè)備進行控制[1]。本文正是基于PLC和觸摸屏設(shè)計了多操作模式切割機控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要分為兩個部分：(1)控制系統(tǒng)；(2)觸摸屏界面?？刂葡到y(tǒng)又分為兩個部分：步進電機控制；交流電機控制。步進電機實現(xiàn)砂輪片上下運動和工作臺的前后及左右運動；交流電機實現(xiàn)砂輪片的轉(zhuǎn)動。觸摸屏界面包含控制參數(shù)輸入部分、操控按鈕以及切割過程顯示。通過輸入砂輪直徑、工件高度等已知量，可以設(shè)置切割深度、切割速度、切割模式等相關(guān)切割參數(shù)。系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心PLC控制器發(fā)出控制命令信號，使異步電機和步進電機協(xié)調(diào)運動，完成切割過程。PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程[2]。本系統(tǒng)采用三菱公司的的FX2N-48MR型PLC，可進行RS-232C通信或RS-422A/485通信。

2.2 步進電機控制系統(tǒng)

2.2.1 步進電機

本系統(tǒng)中，步進電機實現(xiàn)砂輪片上下運動和工作臺的前后及左右運動。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的執(zhí)行機構(gòu)。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，可以達到精確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，可以達到調(diào)速的目的；通過改變輸入脈沖的通電相序，可以達到控制轉(zhuǎn)子機械位移方向的目的[3]。本系統(tǒng)中微處理器與驅(qū)動部分直接相連，步進脈沖的產(chǎn)生與分配由CPU直接控制。

圖3 手動操作界面

圖4 自動操作界面

2.2.2 步進電機驅(qū)動器

步進電機須使用專用的驅(qū)動器才能夠正常工作。微處理器按照要求發(fā)出相應(yīng)指令，控制器接收指令，并根據(jù)指令向各步進電機發(fā)出控制信號，各個電機的驅(qū)動器則將控制信號轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動電機的電信號，實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位控制。本設(shè)計中步進電機驅(qū)動器采用的是MS-2H090M型驅(qū)動器。接線時，控制線采用屏蔽線，且與電機線或電源線等強電分開。

2.3 交流電機控制系統(tǒng)

在進行交流電機調(diào)速時，電機磁通量是需要考慮的一個重要因素，如果磁通太弱，電機會出現(xiàn)欠磁通，勢必會給電機輸出轉(zhuǎn)矩帶來很大影響。由(這里，TM是電磁轉(zhuǎn)矩；KT為比例系數(shù)；Mφ是主磁通量；I2是轉(zhuǎn)子電流；COS2φ是轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)。)可知，電機的磁通量的降低直接影響電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在改變電機頻率時，應(yīng)該對電機電壓協(xié)調(diào)控制，以維持電機磁通的恒定[4]。根據(jù)切割機的主電機參數(shù)，本系統(tǒng)選用SIEMENS公司的MM420變頻器，通過設(shè)定變頻器的輸出功率的變化來控制主電機轉(zhuǎn)速的變化，兩者之間近似呈線性關(guān)系，從而實現(xiàn)了無級調(diào)速的目的。PLC為漏型晶體管輸出，與變頻器的通訊采用基于USS協(xié)議的串行口RS485通信方式。這里，為了確保系統(tǒng)安全運行，必須將變頻器接地端可靠接地。

3 切割模式

本系統(tǒng)包含手動和自動兩種操作模式。手動模式下，控制系統(tǒng)主要是由用戶在觸摸屏操作界面上設(shè)置切割速度及方向?qū)崿F(xiàn)人工控制的手動切割。自動模式下，還要根據(jù)切割材料的不同進行切割模式的選擇，切割模式分別勻速切割、進三退一切割和逐層切割三種模式，具體動作如下：

(1)勻速切割：工件在Y向有一微小的移動，砂輪片直接進給，一次將工件切斷。(2)進三退一切割：在進給過程中為了保證試樣的充分冷卻，工件Y向有一微小的往復(fù)運動，砂輪片以前進三步后退一步(不一定是進三退一，可在人機界面高級設(shè)置里設(shè)置)的方式切斷工件。(3)逐層切割：在切割大工件時，工作臺沿Y軸作往復(fù)運動，當工作臺移動到遠端定位點時砂輪片進給，砂輪片每次工進的量可以設(shè)定，具體設(shè)定在高級設(shè)置的逐層厚度框中。工作臺前進或后退一次，砂輪片逐層將工件切斷。

4 軟件程序設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控程序在上電復(fù)位完成系統(tǒng)的初始化后，與觸摸屏通信，接收觸摸屏傳送的控制信息，根據(jù)用戶選擇的切割模式，在切割過程中要完成輸入信號的循環(huán)掃描，并對輸入信息進行處理后，輸出不同的信號控制系統(tǒng)的各執(zhí)行部件，使它們協(xié)調(diào)工作，完成工件的切割[5]。主控制程序主要是完成系統(tǒng)初始化，設(shè)定切割參數(shù)，啟動切割機控制系統(tǒng)，流程圖如圖2所示。

4.2 觸摸屏軟件設(shè)計

觸摸屏是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)操作人員與機器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁。本系統(tǒng)選用深圳人機電子有限公司的eView MT508S作為人機交互界面，主要完成對切割各個參數(shù)的設(shè)置和實時顯示等功能。PLC與觸摸屏的通訊采用串行口RS232通信方式傳達用戶指令，根據(jù)需要設(shè)定系統(tǒng)的運行狀態(tài)。手動操作界面和自動操作界面的觸摸屏分別如圖3、圖4所示。

5 結(jié)語

本文采用PLC作為控制系統(tǒng)核心，觸摸屏作為人機交互界面，實現(xiàn)了多模式下對不同屬性的金屬切割的控制系統(tǒng)。選用PLC模塊化設(shè)計編程方便、可靠性高，豐富的I/O口解決了多路輸入/輸出的難題；觸摸屏的應(yīng)用不僅大大節(jié)省了空間，還為用戶提供了便捷、直觀、友好的人機交互界面。

[1]孫維連,王成彪,許麗紅等.金相切割機的國內(nèi)外研究概況[J].理化檢驗-物理分冊,2003.7,39(7)：357-360.

[2]高中彭.基于觸摸屏和PLC的大型金相試樣切割機控制系統(tǒng)的研究[D].河北：河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.6.

[3]孫耀杰,趙峻,賈靜蕾.基于觸摸屏和PLC的金相切割機控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(14)：200-202.

[4]孫慶華,劉桂行.PLC在切割機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海電器技術(shù),2007(1)：46-48.

[5]龔志廣.基于PLC的大型金相試樣切割機控制系統(tǒng)的研究[D].河北：河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.6