OMRON PLC伺服控制系統(tǒng)在薄板V型刨槽機上的設(shè)計和應(yīng)用

關(guān)鍵詞：OMRON, PLC, HMI, SERVO

1 引言

　　在不銹鋼薄板加工成型的生產(chǎn)中，不銹鋼板材直接折邊成型會在拐角形成弧角的效果，在某些情況下，人們不需要這種效果。如果在進行薄板的折彎加工之前，首先在薄板上折彎處先開出一道V型溝槽，然后再進行折彎，這樣就可以加工出來沒有弧邊的棱角效果（見圖1）。

圖1 工藝流程

　　針對這種應(yīng)用，人們研制出了“V型刨槽機”，為了提高這種機器的生產(chǎn)效率和加工精度，必須在機器上安裝自動控制系統(tǒng)。本文介紹的是筆者用PLC+HMI+交流伺服電機開發(fā)的針對這種“V型刨槽機”的一種控制系統(tǒng)。

2 工藝要求

　　由于在這種刨槽機上加工的板材一般都比較薄，為了保證折邊處有足夠的強度，刨槽的深度不能夠很深，所以控制精度要求很精確;同時，為了提高工件的折彎尺寸精度，對溝槽的長度和位置控制也要精確。綜合以上因素考慮：整機的設(shè)計精度要達到0.01mm。根據(jù)工藝技術(shù)特點，工件的加工需要在X ,Y, Z三個方向上分別進行控制。其中X軸：溝槽的長度;Y軸：溝槽在板材上的位置;Z軸：溝槽的深度。

　　具體要求如圖2所示。

圖2 具體工藝要求

3 控制要求

　　（1）為了降低對操作人員的文化水平的要求，必須簡化參數(shù)設(shè)定，采用友好的人機對話界面，能夠方便的控制機器的運行，能夠監(jiān)視機器的運行狀態(tài)。

　　（2）另外為了提高機器的智能化水平，在本機器上開發(fā)了具有文件存儲和管理的功能。這樣就可以方便的以配方的形式進行不同工件加工參數(shù)的管理。數(shù)據(jù)存儲要求以工件的編號作為數(shù)據(jù)組（可多達50組），每一個工件編號對應(yīng)一組工件的參數(shù)：長度，厚度，刨削起點，開槽位置，溝槽深度（一條溝槽最多可以分10刀進行刨削，每一次進刀深度設(shè)定范圍在0～0.99mm）等等。所有的參數(shù)可以隨時修改，隨時存儲。加工時，通過設(shè)定工件的編號來調(diào)用參數(shù)（見圖3），也可以按照重新設(shè)定的新參數(shù)來加工工件。

圖3 工件參數(shù)操作界面

　　（3） 機器的工藝控制上要求機床有手動和自動功能。手動時，機床每次只在一個固定的位置（可以任意設(shè)定）上刨一道槽。自動時，機床可以根據(jù)設(shè)定的工件號調(diào)用長度，厚度，刨削起點，開槽位置，溝槽深度等參數(shù)，在板材上自動刨出合乎要求的溝槽。圖4示出操作界面。

圖4 操作界面

4 方案確定

　　綜合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求較高（0.01mm），所以應(yīng)當采用步進電機或者是交流伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)。控制系統(tǒng)可以有多種選擇：數(shù)控系統(tǒng);計算機+運動控制卡;HMI+PLC等。

　　（1）執(zhí)行機構(gòu)的選型

　　步進電機的優(yōu)點是價格要比交流伺服電機便宜，缺點是它高速力矩特性較軟，會限制運行速度的提高，從而影響機器的工作效率的提高。而交流伺服電機則能夠勝任高速運行，所以從提高工作效率的角度來說選擇交流伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)能夠提高設(shè)備的適用范圍，從而提高設(shè)備的市場競爭能力。

　　（2）控制系統(tǒng)的選型

　　專門的數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)點是功能很全面，適用于復(fù)雜的運動控制，價格比較高，最重要的是它對操作人員的要求比較高，而在這里的控制程序單一，不需要操作人員經(jīng)常的改變控制程序，所以不適合用在小型機床。

　　（3）微型計算機+運動控制卡這種方案

　　硬件成本比前者要低一些，但是控制軟件的穩(wěn)定性對操作系統(tǒng)依賴性很強，操作系統(tǒng)一旦癱瘓，將直接影響生產(chǎn)的進行。另外計算機對環(huán)境要求高，體積大，可移動性差，不適合安裝在小型機床上。

　　HMI和PLC 本來就是面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計的高穩(wěn)定性產(chǎn)品，物理尺寸非常適合安裝在小型機床上，價格上也比較便宜。控制軟件開發(fā)采用簡單易學(xué)的LD梯形圖語言，控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)，調(diào)試很容易，PLC運行非常穩(wěn)定，幾乎不需要程序維護。比較而言: HMI+PLC的方案應(yīng)該是最好的選擇 。

5 硬件系統(tǒng)

　　硬件方案圖（見圖5）。

圖5 系統(tǒng)方案圖

　　5.1 控制回路

　　包括按鈕，指示燈等。二次回路采用DC24V，串入急停按鈕控制動力回路接觸器，直接控制供電系統(tǒng)的安全運行。

　　5.2 供電系統(tǒng)

　　伺服驅(qū)動動力電采用AC380V供電，由接觸器控制。一臺可以輸出電壓為DC24V的開關(guān)電源。提供人機界面電源、PLC的輸入信號電源。二次控制回路單獨使用另一路DC24V開關(guān)電源。

　　伺服動力電源是三相AC220V的制式，所以要提供一臺380-220干式變壓器，作為電壓的轉(zhuǎn)換。

　　PLC電源是AC220V等級的，可以從AC380取一相使用，但考慮到電源隔離以后，電源的質(zhì)量有一定的提高，對PLC有利，因此從380-220干式變壓器輸出端取兩相使用。

　　5.3 HMI系統(tǒng)

圖6 人機界面

　　HMI是整個機器與操作人員進行交流的界面（見圖6），在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上要考慮易于操作，外形美觀大方。這里選用OMRON的NS10（10寸）真彩觸摸屏，支持全中文顯示，熒屏寬大，文字清晰，顏色豐富，操作簡單。數(shù)據(jù)的設(shè)定，存儲，記錄，機器的運行狀態(tài)監(jiān)視和控制都很方便。

　　HMI與PLC采用RS232串行通信（sysmac way協(xié)議）連接。

　　2.4 PLC系統(tǒng)

圖7 PLC 外觀圖

　　圖7示出的PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，它聯(lián)系著HMI和底層現(xiàn)場設(shè)備伺服驅(qū)動系統(tǒng)的運行，要求性能可靠，功能上要能夠方便的實現(xiàn)與HMI和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)選用OMRON的CJ1M系列小型PLC。CPU內(nèi)置2路100kHz高速脈沖輸出，實現(xiàn)X軸，Y軸的運動控制，此外配置一個NC133位置控制模塊，實現(xiàn)Z軸的運動控制。開關(guān)量輸入/輸出各選用一個16路輸入/輸出模塊。設(shè)備的整個工藝流程的控制主要采用LD（梯形圖）語言編寫程序來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)運動控制的要求，某些地方需要較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，為了實現(xiàn)這部分功能，筆者自己用ST語言編寫并把這部分封裝在功能塊（FB）里面，供LD調(diào)用。

　　5.5 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

　　伺服驅(qū)動器和交流伺服電機，X軸、Y、Z軸各一套。伺服驅(qū)動系統(tǒng)選用安川的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，這里采用“脈沖+方向”控制模式，接線從PLC或者NC位置控制模塊的高速脈沖輸出口引出，接入伺服驅(qū)動器的脈沖輸入口，以及方向信號。

　　5.6 傳感器

　　為了保證各個軸的正常和安全的運行，需要在每個軸的兩端分別安裝一個接近開關(guān)，作為軸的極限位置傳感器，防止運行范圍超出，造成設(shè)備損壞。本設(shè)備所有的伺服控制系統(tǒng)均采用絕對坐標，在每個軸上還要單獨設(shè)置一個零點開關(guān)，作為坐標軸的零點位置。

6 HMI軟件系統(tǒng)

　　在人機界面上開發(fā)出以下畫面：

　　（1）主頁面

　　展示生產(chǎn)廠家及機床的信息，力求簡潔明了，美觀大方。

　　（2）手動頁面

　　手動模式下的數(shù)據(jù)設(shè)定，管理，控制，監(jiān)視等信息。

　　（3） 自動頁面

　　自動模式下的數(shù)據(jù)設(shè)定，管理，控制，監(jiān)視等信息。

　　（4） 確認頁面

　　參數(shù)的修改或調(diào)用時需要彈出確認提示頁面，以保證對工件參數(shù)的操作的正確性。主要用在一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的讀取和寫入前的確認提醒，防止操作人員對數(shù)據(jù)的錯誤讀寫。

7 PLC軟件系統(tǒng)

　　軟件采用LD語言編寫，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序維護：

　　（1） 信號輸入段

　　負責輸入信號的采集和管理，邏輯的簡單轉(zhuǎn)換。

　　（2） 模式轉(zhuǎn)換段

　　負責管理手動/自動模式的切換，保證系統(tǒng)在兩種模式下正常的運行。

　　（3） 數(shù)據(jù)管理段

　　負責HMI與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，存儲和調(diào)用管理，還包括傳遞從HMI上發(fā)出的操作指令。

　　（4） 脈沖輸出段

　　負責PLC對伺服系統(tǒng)發(fā)出正確的脈沖指令，確保交流伺服電機按照規(guī)定的方向和位置進行運動。

　　（5） 邏輯控制段

　　負責整個工藝流程的邏輯控制，對液壓等機械執(zhí)行機構(gòu)進行控制，保證動作按程序正常執(zhí)行。

　　（6） 信號輸出段

　　負責所有需要輸出的信號進行管理和邏輯轉(zhuǎn)換。

8 軟件系統(tǒng)流程

圖8 軟件流程框圖

9 注意事項

　　交流伺服系統(tǒng)是強電系統(tǒng)而且是高電磁輻射源（盡管它們有EMC認證，還是不能絕對的避免電磁輻射的產(chǎn)生），而PLC，HMI以及它們之間的通信連接是典型的弱電系統(tǒng)，很容易受到強電磁輻射的干擾，因此在硬件布置上要盡量增加強電系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)之間的安裝距離，減少電磁干擾帶來的不利影響。同時考慮通信電纜與動力電纜之間的安裝方式，一般遵循這樣的原則：通信電纜采用屏蔽電纜，并且要單點（在信號的接收處）屏蔽層接地;交流伺服的動力電纜最好也要屏蔽，并且在伺服驅(qū)動器的這一端進行屏蔽層接地，電纜長度盡量的短;通信電纜與動力電纜盡量避免近距離平行布線，如果無法避免平行布線，二者距離要求>=20cm。

10 結(jié)束語

　　HMI+PLC+伺服系統(tǒng)是一個典型的小型的數(shù)控系統(tǒng)。它價格比常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)相比較，價格低廉，界面友好，功能強大，精度高，特別適合于小型機床上使用。

　　經(jīng)實際使用驗證表明：這種系統(tǒng)性能非常穩(wěn)定可靠，工況良好，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量合格穩(wěn)定。

作者簡介

　　縱永剛 應(yīng)用工程師，從事PLC自動化行業(yè)7年，從事過鋼鐵，礦業(yè)，機床制造，包裝機等多個行業(yè)的自動控制系統(tǒng)開發(fā)，使用過OMRON,SCHNEIDER，LENZE等品牌的各種PLC和伺服控制系統(tǒng)。