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人机界面和PLC在机床改造的应用aa-710
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人机界面和PLC在机床改造的应用aa-710

日期:2020-05-24 09:10点击数:

  人机界面和PLC在机床改造的应用

  前言:

  数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时,数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上(例如钻孔、铰孔、镗孔的机床),其特点是,机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动,即准确控制移动部件的终点位置,但并不考虑其运动轨迹。实现数控系统点位控制的通常方法可以有:

   1、采用全功能的数控装置。这种装置功能十分完善,但其价格却很昂贵,而且许多功能对点位控制来说是多余的; 2、采用单片机控制。这种方法除了要进行软件开发外,还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路,特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 3、采用可编程逻辑控制器控制。

   由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机,具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点,是实现机电一体化的理想控制装置。

   PLC(Program mable Logical Controller)通常称为可编程逻辑控制器,是一种以微处理器为基础,综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,由于它拥有体积小,功能强、程序设计简单、维护方便等优点,特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性,使它的应用越来越广泛,已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD/CAM)之一。

   人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁,用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展,以往的操作界面由熟练的操作人员才能操作,而且操作困难,无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况,使操作变得简单生动,并且可以减少操作上的失误,即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化,同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数,降低生产的成本。同时由于面板控制的小型化及高性能,相对的提高了整套设备的附加价值。

   步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

  1、控制系统的结构:

   系统的结构框图如下图1所示,整套电器系统由三部分组成:(1)操作部分(人机界面):用于操作、设置机床运行状况、故障报警;(2)控制部分PLC):主要控制机床的定位;(3)执行部分(步机电机及步机电机驱动器)。

  

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  2、硬件的选择:

   1)、人机界面的选择的原则:现在市场上的人机界面基本上都能实现以下功能: 指示灯(PLCI/O显示、内部节点显示、多段指示灯等); 开关(位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等); 各种动态图表(棒图、仪表、移动元件、趋势图等); 数据显示(数值显示、ASCII显示、文字显示等); 数据输入(数值输入、ASCII输入、文字输入等); 异常报警(报警显示、跑马灯显示、事件显示等); 静态显示(直线、圆、矩形、文字等) 基于在性价比方面的特点,在本机床作者选择了台湾威纶通的MT506T/C。

   2)、PLC 选择的原则:在PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择,并考虑维护的方便性,备件的通用性,是否易于扩展,有无特殊功能要求等。 (1)、PLC输入/输出点确定:I/O点数选择时要留出适当余量; (2)、PLC存储容量:系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大些; (3)、输出继电器类型一定是晶体管(只有晶体管输出类型的PLC才能输出高速脉冲); (4)定位和脉冲输出功能:一个PLC单元中每相能同时输出2点100KHz脉冲。 (5)、PLC配备特殊的定位指令,包括零返回、绝对值读出、绝对或相对地址表达方式以及特殊脉冲输出控制。 在本机床上,作者选择了三菱的小型PLC。型号为:FX1S-14MT。 3)、步机电机和步进电机驱动器的选择的原则: (1)、确定步进电机拖动负载所需要的扭矩; (2)、确定步进电机的最高运行转速; (3)、最后还要考虑留有一定的(如30%)力矩量和转速量。 (4)、根据以上指标,再考矩-频特性,就可以选择出适合自己步进电机。 (5)、选择步机电机驱动器,必须跟电机相配套。 (6)、尽量选取 细分的驱动器,且使驱动器工作在细分状态。 不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大,选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终的维护。

   在本机床上,作者选择了斯达特的电机和驱动器。电机型号为:110BYG350A;驱动器为其电机配套的型号MS-3H110M。

  3、控制系统的软件设计

   1)、人机界面组态画面设计 不同品牌的人机界面的软件操作都有其各自的特点,所以在使用时一定要掌握其软件特点。软件一般提供了多种控件和图形库文件,可组态出各种显示和控制功能,实现系统操作状态,当前过程值及故障的可视化。利用人机界面操作被监控系统,对PLC的实时数据进行显示,记录,也可以设计动态画面来模拟控制过程,从而满足监控要求。

   机床(例如钻孔、铰孔、镗孔的机床)的操作上每种类型都有一点不同的操作方法,所以在人机界面的设计上都有不同,但一般应有下面几个界面:

   (1)、主界面:机床的主要操作或其它界面的调动。如下图2所示:

  

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图2

   (2)、参数设置界面: 用户显然希望当现场条件发生变化时,系统的某些控制参数能作相应的修改,例如工件前进的距离,速度的调整等。为满足生产的连续性,要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。 (3)、手动操作界面:用户调试机床时要机床的某一个部件单独动作时的操作界面。 (4)、故障报警界面:当机床出现故障时在人机界面上显示出相对应的故障代码,使用户据此迅速判断出故障原因。 (5)、帮助页面的设计:考虑到工业现场的需要,在页面设计时,增加了大量帮助页面,包括机床的维护,系统的使用,参数的设置等。

   为节省篇幅,这里只介绍了主画面,其它内容的程序设计思路见参考文献。设计完毕后经编译无误,从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行,并且PLC侧相应的程序也正确无误,则即可使用。

   2)、PLC程序设计: 根据控制及流程要求,利用三菱简洁而强大的PLC编辑软件,对应输入、输出开发相应应用程序。(采用步进的方式来实现对整个机械的所有逻辑动作)同时连接 PLC与外部设备连线;将编制完成的程序写入PLC中,模拟运行,进行调试及修改;在模拟调试成功后,接入现场实际控制系统中进行再次调试,直至完全通过为止。

   在此项工程上,作者将PLC程序分了几个部分来编写,图3是PLC程序的系统结构图,可供读者参考。

  

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图3

   工程的软件系统是采用了PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中,最明显的特点PLC程序是用了标志位,将各部分程序分开,达到更好的效果。

  4、脱机调试

   为了缩短现场调试时间,在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面,再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连,上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中,遇到了通信出错的情况,通过改变PLC和人机界面的通信参数,最后使它们能够正常通信。并能正确显示功能代码的值。最后,把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里,PLC的输入接上开关量进行调试,调试通过。

  5、现场调试

   在脱机调试通过之后,进行带负荷,也就是带电机后的试运行调试。看步进电机是否运转正常,运行时有没有出现失步和误差 ,定位精度与提高定位速度时机床的精度如何等。

  结束语

   系统试验表明,本文提出的应用人机界面和PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求,所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强,具有良好的性能价格比等显著优点,其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造,并在实际运行中是切实可行的。经过长期运行表明,控制精度高,运行可靠,提高了生产的自动化水平,减小了操作人员的劳动强度。