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分为点控制系统、线控制系统和连续控制系统。在机械加工中,数控系统的点控制一般用于孔加工机床(如钻、铰、镗床)。它的特点是机床的运动部件可以精确地从一个位置运动到另一个位置,即运动部件的终端位置可以精确控制,但不考虑它的轨迹。实现数控系统点控制的常用方法包括:

1、采用全功能数控装置。这个设备功能很完善,但是价格很贵,很多功能对于点控制来说是多余的。2.由单片机控制。该方法除了软件开发外,还需要设计硬件电路、接口电路和驱动电路,特别是要考虑工业现场的抗干扰问题。3.它由可编程逻辑控制器控制。

由于可编程逻辑控制器(PLC)是专为工业环境应用而设计的工业控制计算机,具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小等显著优点,是实现机电一体化的理想控制器件。

Plc(可编程逻辑控制器),俗称可编程逻辑控制器,是以微处理器为基础,融合现代计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的通用工业自动控制装置。由于其体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点,特别是适应恶劣工业环境的能力和高可靠性使其应用越来越广泛,被称为现代工业的三大支柱之一(即PLC、机器人和CAD/CAM)。

人机界面是操作者和机器之间双向交流的桥梁。用户可以自由组合文字、按钮、图形、数字等。处理、监控、管理和应对可能随时变化的多功能显示屏。随着机械设备的快速发展,以往的操作界面只能由熟练的操作人员操作,操作难度大,无法提高工作效率。而使用人机界面可以清晰地指示和告知操作者机器设备的当前情况,使操作简单生动,减少操作中的失误,即使新手也能轻松操作整机设备。人机界面的使用还可以使机器的布线标准化、简单化,同时还可以减少PLC控制器所需的I/O点数,降低生产成本。同时,由于面板控制的小型化和高性能,相对提高了整套设备的附加值。

步进电机是一种开环控制元件,将电脉冲信号转换成角位移或线位移。在非过载情况下,电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响,即如果给电机加一个脉冲信号,电机就会转过一个步距角。这种线性关系的存在,再加上步进电机只有周期误差没有累积误差的特性等。用步进电机控制速度和位置非常简单。

1.控制系统的结构:

该系统的结构框图如下图1所示。整个电气系统由三部分组成:(1)操作部分(人机界面):用于操作和设置机床的运行状态,并给出故障报警;(2)控制部分PLC):主要控制机床的定位;(3)执行部分(步进电机和步进电机驱动器)。

2.硬件选择:

1)人机界面选择原则:目前市面上的人机界面基本可以实现以下功能:指示灯(PLCI/O显示、内部节点显示、多段指示灯等。);开关(位状态开关、多段开关、切换窗口开关等。);各种动态图表(条形图、仪器、移动元素、趋势图等。);数据显示(数字显示、ASCII显示、文本显示等。);数据输入(数字输入、ASCII输入、文本输入等。);异常警报(警报显示、跑马灯显示、事件显示等。);静态显示(直线、圆、矩形、文本等。)基于性价比的特点,在本机床中,笔者选择了台湾威伦通的MT506T/C。

2)PLC选型原则:在选择PLC时,主要是根据所要求的功能和容量,考虑维护的方便性、备件的通用性、是否易于扩展、是否有特殊的功能要求等。(PLC输入/输出点的确定:在选择I/O点时,应留出适当的余量;(2) PLC存储容量:当系统中有模拟信号或有大量数据处理时,容量要大一些;(3)输出继电器类型必须是晶体管(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单元中的每相可以同时输出2: 100KHz的脉冲。(5) PLC配有专门的定位指令,包括归零、绝对值读取、绝对或相对地址表示和专门的脉冲输出控制。在这个机床上,作者选择了三菱的小型PLC。型号:FX1S-14MT。3)步进电机和步进电机驱动器的选择原则:(1)确定步进电机拖动负载所需的力矩;(2)确定步进电机的最大运行速度;(3)最后,需要保持一定的扭矩和转速(如30%)。(4)根据以上指标,再测试矩频特性,就可以选择合适的步进电机了。(5)选择步进电机驱动器,必须与电机匹配。(6)尽量选择细分的驱动器,使驱动器工作在细分状态。不同厂家的电机在设计、材料、加工工艺上都有很大的不同。在选择步进电机时,要注意可靠性和轻性能,质量和轻价格。最好使用同一厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最后的维护。

在此基础上,作者选择了定子电机和驱动器。电机型号为:110BYG350A;驱动器是与其电机匹配的型号MS-3H110M。

3.控制系统的软件设计

1)人机界面的配置不同品牌的人机界面在屏幕设计上的软件操作各有特点,使用时一定要掌握其软件特点。软件一般提供多种控件和图形库文件,可以配置各种显示和控制功能,实现系统运行状态、当前过程值和故障的可视化。人机界面用于操作被监控系统,显示和记录PLC的实时数据,还可以设计动态画面模拟控制过程,以满足监控要求。

每种类型的机床(如钻孔、铰孔、镗孔机床)的操作方法略有不同,因此人机界面的设计也有差异,但一般需要以下界面:

(1)主界面:机床的主要操作或其他界面的调用。如下图2所示:

图2

(2)参数设置界面:用户很明显希望当现场条件发生变化时,系统的一些控制参数可以相应修改,比如工件的距离和速度的调整。为了满足生产的连续性,需要在线修改控制系统的可变参数。(3)手动操作界面:用户在调试机床时,希望机床某一部分单独动作时的操作界面。(4)故障报警界面:机床发生故障时,在人机界面上显示相应的故障代码,以便用户快速判断故障原因。(5)帮助页面设计:考虑到工业现场的需要,在页面设计中加入了大量的帮助页面,包括机床的维护、系统的使用、参数的设置等。

为了节省篇幅,这里只介绍主图,其他内容的编程思路可以参考文献。设计完成后,正确编译,从个人电脑下载到人机界面。如果与PLC的通信可以正常进行,并且PLC端的相应程序正确,则可以使用。

2) PLC程序设计:根据控制和工艺要求,采用三菱简洁强大的PLC编辑软件,开发出对应输入输出的相应应用程序。(逐步实现整机所有逻辑动作)同时连接PLC和外部设备;将完成的程序写入PLC,模拟运行,调试和修改;仿真调试成功后,再接入现场实际控制系统进行调试,直至完全通过。

在这个项目中,作者分几个部分编写PLC程序。图3是PLC程序的系统结构图,可供读者参考。

图3

工程软件系统采用PLC程序和人机界面的屏幕设计配合完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中,PLC程序最明显的特点就是利用标志位来分隔程序的各个部分,达到更好的效果。

4.离线调试

为了缩短现场调试时间,安装前应进行离线调试。先用下载线将程序分别下载到PLC和人机界面,然后用通讯线RS-422连接PLC和人机界面,通电后检查PLC和人机界面是否能正常通讯。在调试过程中,遇到了通信错误。通过改变PLC和人机界面的通信参数,最终可以正常通信。并能正确显示功能码的值。最后将根据系统要求编写的程序下载到PLC和人机界面,将PLC的输入接入开关量进行调试,调试通过。

5.现场调试

离线调试通过后,将进行带负荷调试,即带电机调试。看步进电机运行是否正常,运行时有无失步和误差,定位精度以及定位速度提高时机床精度如何等。

结束语

系统测试表明,本文提出的利用人机界面和PLC控制步进电机实现数控系统点对点控制功能的方法能够满足控制要求。所开发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、性价比高等明显优点。其软硬件的设计思想可应用于工矿企业相关机床的改造,在实际运行中是可行的。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,降低了操作人员的劳动强度。