基于觸摸屏和PLC的金相切割機(jī)控制系統(tǒng)

0 引 言
金相切割機(jī)是金相取樣分析過程中的重要設(shè)備之一，主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、汽車、航空航天等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)金相試樣切割設(shè)備形式多樣，以微處理器為基礎(chǔ)的各種制樣設(shè)備代表著金相制備的先進(jìn)技術(shù)，但是自動化程度較低，不能直接對較大零件進(jìn)行取樣。為了滿足行業(yè)的要求，促進(jìn)金相事業(yè)的發(fā)展，需要設(shè)計高精度、高性能和方便操作的金相切割控制系統(tǒng)。這里根據(jù)金相取樣的特殊要求，設(shè)計以PLC為核心的控制系統(tǒng)，采用觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，彌補(bǔ)了PLC在人機(jī)交互方面的不足，大大減少了輸入／輸出點(diǎn)數(shù)，方便操作與維修，為用戶提供了友好的人機(jī)界面。

1 工作原理
金相切割機(jī)控制系統(tǒng)是金相取樣的專用設(shè)備。為了保護(hù)金屬試樣的組織結(jié)構(gòu)和特性，對于不同屬性的金屬應(yīng)采取不同的切割速度和切割模式。在該系統(tǒng)中，設(shè)置了三個操作窗口(測試操作、手動操作、自動操作)和一個高級設(shè)置窗口，一個切割過程觀察窗口。其中，自動操作包括三種模式：勻速切割、進(jìn)三退一切割、逐層切割。不同切割模式的用戶可以在觸摸屏的不同窗口設(shè)定需要的切割工藝參數(shù)，再通過PLC設(shè)定與之相應(yīng)的參數(shù)調(diào)用控制指令，驅(qū)動切割機(jī)按照要求對金相試樣進(jìn)行切割。其中，PLC與變頻器通過串行通信方式對三相異步電機(jī)調(diào)速，采用USS協(xié)議對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求及思路
根據(jù)金相切割機(jī)發(fā)展?fàn)顩r和市場需求，本著提高效率，增強(qiáng)可靠性能，提高性價比的原則，設(shè)計的金相切割機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：能夠根據(jù)零件尺寸的不同選擇不同的切割方式；在過程控制中，能夠根據(jù)不同的切割材料、硬度、尺寸調(diào)節(jié)切割速度；根據(jù)零件寬度或長度，確定砂輪的進(jìn)刀速度、軸的運(yùn)動速度和位移量；根據(jù)砂輪片磨損情況和零件直徑，確定砂輪切割的快進(jìn)位置和退刀位置；能自動控制監(jiān)控切割量、進(jìn)給速度、主電機(jī)轉(zhuǎn)速等切割參數(shù)；人機(jī)交流界面便捷、美觀。
為了滿足切割及控制的技術(shù)要求，同時也為了提高機(jī)械產(chǎn)品的自動化程度，這里著重從PLC控制和觸摸屏設(shè)計兩方面對金相試樣切割機(jī)進(jìn)行了研究。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計
切割機(jī)系統(tǒng)的主要組成見圖1所示的系統(tǒng)整體設(shè)計框圖。

系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要包括一臺三相異步電機(jī)和三臺步進(jìn)電機(jī)。三相異步電機(jī)采用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，步進(jìn)電機(jī)由專用的驅(qū)動器驅(qū)動，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(jī)和步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動，完成切割過程。

3．1 主控制系統(tǒng)
PLC是整個控制系統(tǒng)的核心。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(yùn)算操作電子裝置，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(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式輸入／輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。它具有體積小，功能強(qiáng)，編程方便，可靠性高，耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用OM-RON公司的CP1 H X40DT-D程序一體化PLC?？蓪?shí)現(xiàn)高速計數(shù)器4軸、脈沖輸出4軸；通過擴(kuò)展CPM1A系列的擴(kuò)展I／O單元。CP1H整體可以達(dá)到最大320點(diǎn)的輸入／輸出；通過安裝選件板，可進(jìn)行RS 232C通信或RS 422A／485通信。
3．2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)
在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，電機(jī)磁通量是需要考慮的一個重要因素，如果磁通量太弱，電機(jī)會出現(xiàn)欠磁通，勢必會給電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩帶來很大影響。因?yàn)椋?BR> Tm=KTφmI2COSψ2 (1)
式中：Tm是電磁轉(zhuǎn)矩；KT為比例系數(shù)；φm是主磁通量；I2是轉(zhuǎn)子電流；cosψ2是轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)。
由式(1)可知，電機(jī)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(jī)頻率時，應(yīng)該對電機(jī)電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。根據(jù)切割機(jī)的主電機(jī)參數(shù)，該系統(tǒng)選用Siemens公司的MM420變頻器，通過設(shè)定變頻器輸出功率的變化來控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，兩者之間近似呈線性關(guān)系，從而實(shí)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RS 485通信方式。這里，為了確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須將變頻器接地端可靠接地。
3．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
步進(jìn)電機(jī)是可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電磁機(jī)械裝置。給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)按照設(shè)定方向轉(zhuǎn)動一個步距角。電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率保持同步。該系統(tǒng)中通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達(dá)到定位精確的目的；通過控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。x，y，z三向步進(jìn)電機(jī)分別由3個MS-2H090M型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來驅(qū)動，每向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器包括使能輸入端EN，步進(jìn)脈沖輸入端CP和方向電平信號輸入端DIR。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計
4．1 主控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計
軟件程序主要完成系統(tǒng)初始化，設(shè)定切割參數(shù)，啟動切割機(jī)控制系統(tǒng)，并將切割參量送往觸摸屏上實(shí)時顯示?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖2所示。

系統(tǒng)初始化主要完成軟件初值、內(nèi)存、I／O口以及硬件電路狀態(tài)的初始化，使PLC及其連接的外圍電路處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。主要包括PLC內(nèi)部RAM單元的初始化，觸摸屏上電的初始化，I／O端口方式的初始化等。
在啟動切割之前，需要對相應(yīng)的切割工藝參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置。其中，自動操作包括三種模式(勻速切割、進(jìn)三退一切割、逐層切割)，每種模式根據(jù)具體需要還可以設(shè)置相應(yīng)的高級設(shè)置選項和加密操作選項，在方便操作的同時增強(qiáng)了安全性。

4．2 觸摸屏人機(jī)界面程序設(shè)計
輸入和顯示系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)操作人員與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁。切割機(jī)控制系統(tǒng)選用深圳人機(jī)電子有限公司的eViewMT508S觸摸屏作為人機(jī)交互界面，主要完成對切割各個參數(shù)的設(shè)置和實(shí)時顯示等功能。 PLC與觸摸屏的通信采用基于Hostlink協(xié)議的串行口RS 232通信方式傳達(dá)用戶指令，根據(jù)需要設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
MT500系列觸摸屏是專門面向PLC應(yīng)用的，具有32位RISC處理器和256色顯示方式，可同時彈出6個窗口。它功能非常強(qiáng)大，用戶可以自由組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等，以處理或監(jiān)控管理以及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕；它擁有和Windows 95／98系列一樣的任務(wù)欄和快選窗口工作按鈕，可實(shí)現(xiàn)窗口的快速切換，使用方便，非常適合現(xiàn)代工業(yè)的需要。
該系統(tǒng)觸摸屏界面的開發(fā)，使用了專用組態(tài)工具EasyBuilder500。開發(fā)的各界面如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)上電后，觸摸屏啟動初始化界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，輸入密碼，驗(yàn)證正確后即可選擇下方三種操作。圖4～圖6分別為三種操作界面的示意圖。

高級設(shè)置和加密操作是為一些需要保密的參數(shù)設(shè)定的，觸擊“高級設(shè)置”按鈕，只有當(dāng)輸入的密碼完全正確時，才可以進(jìn)入高級設(shè)置界面進(jìn)行保密參數(shù)的設(shè)定；當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“啟動”按鈕，開始自動切割，同時進(jìn)入切割過程觀察窗口，用條形棒圖準(zhǔn)確清晰地再現(xiàn)了切割過程，箭頭標(biāo)示出了工進(jìn)切割位置，如圖7 所示。

5 結(jié) 語
根據(jù)金相切割機(jī)的控制要求，采用PLC作為控制系統(tǒng)核心，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，研制出多模式下對不同屬性金屬切割的控制系統(tǒng)。顯著特點(diǎn)主要有：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(jī)交互界面；采用USS協(xié)議控制變頻器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測驗(yàn)，此切割機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，有較高的性價比，控制精度已經(jīng)達(dá)到用戶要求。