引言
PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應(yīng)性強和與計算機接口方便等優(yōu)勢在工業(yè)測控領(lǐng)域廣泛運用，已大量替代由中間繼電器和時間繼電器等組成的傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)。近年來，PLC技術(shù)發(fā)展迅猛，新產(chǎn)品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關(guān)量檢測和邏輯控制，而且能夠處理模擬信號、進行位置控制和回路控制，還可以連接各種觸摸屏人機界面并具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能。高端PLC配備適當(dāng)?shù)奈恢每刂茊卧陀|摸屏人機界面，并根據(jù)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 或柔性制造系統(tǒng)( FMS) 的具體要求，配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模塊或網(wǎng)絡(luò)單元，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，構(gòu)成開放的數(shù)控系統(tǒng)。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)，這種數(shù)控系統(tǒng)裝備的位置控制單元可以實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，并可根據(jù)實際需要，任意擴展控制軸數(shù)；觸摸屏人機界面可以根據(jù)操作需要靈活設(shè)計；還可通過DeviceNet、Controller link和TCP / IP協(xié)議單元進行多層次的網(wǎng)絡(luò)互連。這種數(shù)控系統(tǒng)目前已在3MZ2120磨床數(shù)控技術(shù)改造中獲得成功應(yīng)用。
1.數(shù)控系統(tǒng)的開放特征與典型模式
開放式數(shù)控系統(tǒng)一般基于PC平臺，具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺無關(guān)性、可二次開發(fā)和適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)工作等特征。基于PC平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)目前有3種典型模式。第一種為衍生型(專用NC + PC) ，在傳統(tǒng)CNC中插入專門開發(fā)的接口板，使傳統(tǒng)的專用CNC帶有PC的特點。此種模式是由于數(shù)控系統(tǒng)制造商不能在短期內(nèi)放棄傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)而產(chǎn)生的折中方案，尚未實現(xiàn)NC內(nèi)核的開放，只具有初級開放性；第二種為嵌入型( PC +NC控制卡) ，將基于DSP的高速運動控制卡(NC控制卡)插在PC的標(biāo)準(zhǔn)擴展槽中，由PC機執(zhí)行各種非實時任務(wù)，NC控制卡處理實時任務(wù)。是目前基于PC平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流；第三種為全軟件數(shù)控系統(tǒng)，PC機不僅能夠完成管理等非實時任務(wù)，也可以在實時操作系統(tǒng)的支持下，執(zhí)行實時插補、伺服控制、機床電器控制等實時性任務(wù)。這種模式的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了NC內(nèi)核的開放和用戶操作界面的開放，可以直接或通過網(wǎng)絡(luò)運行各種應(yīng)用軟件，是真正意義上的開放式數(shù)控系統(tǒng)。與PC平臺開放式數(shù)控系統(tǒng)相比，基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層面和系統(tǒng)擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結(jié)構(gòu)和面向操作的梯形圖語言編程，模擬量處理單元、位置控制單元、回路控制單元、網(wǎng)絡(luò)模塊或網(wǎng)絡(luò)單元等高端部件都有專用控制語句，具有系統(tǒng)構(gòu)建靈活、擴充能力強、應(yīng)用軟件設(shè)計便捷等優(yōu)點。編程語言標(biāo)準(zhǔn)化和部件可互換性的不斷增強，現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的普遍采用，都使基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)變得更加開放，將成為面向CIMS或FMS的設(shè)備層的重要組成部分。
2.基于高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)
基于高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
2.1 開關(guān)信號監(jiān)測與邏輯控制
當(dāng)前系統(tǒng)輸入輸出單元是PLC的基本組成部分，在磨削數(shù)控系統(tǒng)中承擔(dān)所有開關(guān)信號的監(jiān)測和全部邏輯控制功能。監(jiān)測信號主要有: 機械手進出、機械手上下、料盤正反轉(zhuǎn)、修整器起落等動作的位置信號，磨削設(shè)備和輔助裝置上的各種工作狀態(tài)信號和異常報警信號。系統(tǒng)輸出單元控制磨削設(shè)備上所有電磁閥和機床電器系統(tǒng)等，通過磨削設(shè)備上的液壓系統(tǒng)，控制機械手、料盤、工件卡盤、砂輪軸、床身、修整器等基本部件和冷卻、潤滑、過濾等輔助裝置按照磨床動作和磨削工藝要求工作，實現(xiàn)磨削加工過程的自動化。
2.2 工件與砂輪運轉(zhuǎn)速度控制
保持工件與砂輪轉(zhuǎn)動速度恒定，對提高磨削加工質(zhì)量十分有利。為此系統(tǒng)配備了2臺帶RS - 485串口變頻器，分別驅(qū)動工件軸和砂輪軸。PLC采用聯(lián)機隨動控制保證兩者之間速度的配合與穩(wěn)定。操作人員依據(jù)磨削加工要求設(shè)定工件軸變頻器速度參數(shù)，PLC接收該參數(shù)后，參照砂輪直徑(設(shè)定或記憶值) 和轉(zhuǎn)動速度比例關(guān)系，計算并自動設(shè)定砂輪軸變頻器的速度參數(shù)。在磨削加工過程中，PLC對砂輪在磨削及修整過程中的損耗給予速度自動補償。PLC最多可以控制32臺變頻器，不同廠家的變頻器可采用協(xié)議宏通信聯(lián)接。PLC按照變頻器地址( 0 - 31) 、指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)順序向變頻器傳送命令，對變頻器運行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等實施控制；PLC還可以監(jiān)視變頻器運行狀態(tài)，當(dāng)變頻器發(fā)生過電流、過電壓、變頻器過載、硬件異常、電機過載、過力矩檢測、電源異常、通信超時等情況，可將異常參數(shù)傳輸給PLC，由PLC作出相應(yīng)處理。
2.3 位置控制單元(PCU) 與位置控
制高端PLC配備單軸位置控制單元，與步進電機或交流伺服電機驅(qū)動器配套使用，可以完成開環(huán)或半閉環(huán)位置控制及速度控制，配備兩軸聯(lián)動位置控制單元可以進行實時插補控制，實現(xiàn)直線和圓弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出與高端PLC配套的PCU，具備高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU 自帶PCU 的位置脈沖速度為1kBPS，高級PCU 的速度可達(dá)到500kBPS，松下PP2 或PP4 系列的位置控制速度高達(dá)1MBPS。采用高端PLC設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)，需根據(jù)控制精度、運行速度和運行軌跡要求選擇適合的位置控制單元( PCU) 。磨削數(shù)控系統(tǒng)控制精度要求較高(F1μm) ，一般選擇數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。OMRON高端PLC專用高級指令控制脈沖輸出，可選擇梯形、S形或三角形速度曲線運行，實現(xiàn)定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。程序設(shè)計可選擇相對坐標(biāo)系或絕對坐標(biāo)系，按照圖2 所示的梯形圖編程運行，可實現(xiàn)各種磨削加工所應(yīng)遵循的運行曲線。
圖2位置控制編程示例
圖3 表示該數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)確實現(xiàn)鐵路軸承內(nèi)套擋邊粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。
圖3磨削加工中的砂輪運動軌跡
2.4 觸摸屏人機界面設(shè)計
基于高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)可選用觸摸屏人機界面( Programmable Ter2minal，PT) ，采用組態(tài)工具軟件和圖形庫(開關(guān)、燈、棒圖等) 以及動畫功能等，按照磨削工藝流程要求進行系統(tǒng)操作界面設(shè)計。下面以3MZ2120磨削數(shù)控系統(tǒng)操作界面為例介紹設(shè)計過程和效果。根據(jù)磨削數(shù)控操作和顯示的需要，該系統(tǒng)主界面下設(shè)8個子畫面(圖4) 。
圖4界面轉(zhuǎn)移關(guān)系示意圖
系統(tǒng)上電自動進入主界面，核對操作密碼后彈出主菜單，在主界面上點擊操作可轉(zhuǎn)移相應(yīng)的子界面。加工參數(shù)和修整參數(shù)設(shè)置界面提供設(shè)置數(shù)控磨削相關(guān)參數(shù)提示；手動操作和手動修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手動位置控制和手動修整砂輪操作，為設(shè)備調(diào)試提供便利；自動報警界面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設(shè)計，對油霧潤滑、液壓系統(tǒng)、機床電器系統(tǒng)、料槽狀態(tài)、冷卻系統(tǒng)和伺服電機等實施監(jiān)測和自動報警，當(dāng)發(fā)生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(報警時間、故障代碼及應(yīng)對措施等) ；自動運行界面(圖5) 采用棒圖顯示當(dāng)前磨削余量值；采用動畫方式實時顯示加工狀態(tài)和加工位置等。還設(shè)有“緊急停車”等應(yīng)急按鈕。PT有RS232 /422 /485 通訊口，能夠兼容眾多廠家的PLC。人機界面應(yīng)用程序可脫機編制和調(diào)試，然后下載到PT上運行，PLC一般通過RS232接口與PT相連。許多PT還配備并行接口，可直接與打印機連接，實時打印數(shù)據(jù)或進行屏幕拷貝。
圖5自動運行界面示意圖
2.5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與聯(lián)網(wǎng)功能
靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和強大的聯(lián)網(wǎng)功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口連接觸摸屏人機界面、上位機或編程工作站。還可擴展DeviceNet通信單元，使各種符合DeviceNet通信協(xié)議的產(chǎn)品都可以連入系統(tǒng)中，以構(gòu)成基于DeviceNet開放式現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)；系統(tǒng)與車間管理層計算機及車間其它高端PLC 的連接可以采用Controllerlink方式，在PLC中擴展Controller link 通信單元，車間管理層計算機裝備Controller link支持卡即可實現(xiàn)互連，由底層DeviceNet設(shè)備、基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)或其它測控設(shè)備和車間管理層計算機構(gòu)成3層遞階結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。高端PLC一般都可配置符合TCP / IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)單元，全面支持遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用。
3.結(jié)束語
廣泛建立計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) ，全面提高制造自動化水平是我國制造業(yè)發(fā)展的重要方向。然而缺少設(shè)備層的有力支持正逐漸成為發(fā)展CIMS 的“瓶頸”，研究開發(fā)各種面向CIMS的數(shù)控裝備顯得十分重要而緊迫。基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)構(gòu)建靈活，應(yīng)用軟件設(shè)計便捷等優(yōu)點。靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、強大的聯(lián)網(wǎng)功能和系統(tǒng)擴充能力使這種數(shù)控系統(tǒng)具有一定的開放性，將成為CIMS設(shè)備層的重要組成部分。本文所述基于OMROM高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于3MZ2120 磨床數(shù)控技術(shù)改造，使原來手工操作的磨削設(shè)備成為先進的數(shù)控磨削設(shè)備，并在鐵路軸承內(nèi)套擋邊磨削加工中發(fā)揮了重要作用。
