OMRON PLC伺服控制系統在薄板V型刨槽機上的設計和應用

關鍵詞：OMRON, PLC, HMI, SERVO

1 引言

　　在不銹鋼薄板加工成型的生產中，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

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

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：整機的設計精度要達到0.01mm。根據工藝技術特點，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，必須簡化參數設定，采用友好的人機對話界面，能夠方便的控制機器的運行，能夠監視機器的運行狀態。

　　（2）另外為了提高機器的智能化水平，在本機器上開發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的管理。數據存儲要求以工件的編號作為數據組（可多達50組），每一個工件編號對應一組工件的參數：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，每一次進刀深度設定范圍在0～0.99mm）等等。所有的參數可以隨時修改，隨時存儲。加工時，通過設定工件的編號來調用參數（見圖3），也可以按照重新設定的新參數來加工工件。

圖3 工件參數操作界面

　　（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（可以任意設定）上刨一道槽。自動時，機床可以根據設定的工件號調用長度，厚度，刨削起點，開槽位置，溝槽深度等參數，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），所以應當采用步進電機或者是交流伺服電機作為執行機構。控制系統可以有多種選擇：數控系統;計算機+運動控制卡;HMI+PLC等。

　　（1）執行機構的選型

　　步進電機的優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行機構能夠提高設備的適用范圍，從而提高設備的市場競爭能力。

　　（2）控制系統的選型

　　專門的數控系統優點是功能很全面，適用于復雜的運動控制，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，但是控制軟件的穩定性對操作系統依賴性很強，操作系統一旦癱瘓，將直接影響生產的進行。另外計算機對環境要求高，體積大，可移動性差，不適合安裝在小型機床上。

　　HMI和PLC 本來就是面向工業環境設計的高穩定性產品，物理尺寸非常適合安裝在小型機床上，價格上也比較便宜。控制軟件開發采用簡單易學的LD梯形圖語言，控制系統軟件的開發，調試很容易，PLC運行非常穩定，幾乎不需要程序維護。比較而言: HMI+PLC的方案應該是最好的選擇 。

5 硬件系統

　　硬件方案圖（見圖5）。

圖5 系統方案圖

　　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，直接控制供電系統的安全運行。

　　5.2 供電系統

　　伺服驅動動力電采用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

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），在滿足技術要求的基礎上要考慮易于操作，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。數據的設定，存儲，記錄，機器的運行狀態監視和控制都很方便。

　　HMI與PLC采用RS232串行通信（sysmac way協議）連接。

　　2.4 PLC系統

圖7 PLC 外觀圖

　　圖7示出的PLC是整個控制系統的核心，它聯系著HMI和底層現場設備伺服驅動系統的運行，要求性能可靠，功能上要能夠方便的實現與HMI和伺服驅動系統的連接。本系統選用OMRON的CJ1M系列小型PLC。CPU內置2路100kHz高速脈沖輸出，實現X軸，Y軸的運動控制，此外配置一個NC133位置控制模塊，實現Z軸的運動控制。開關量輸入/輸出各選用一個16路輸入/輸出模塊。設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。為了實現運動控制的要求，某些地方需要較為復雜的數學運算，為了實現這部分功能，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調用。

　　5.5 伺服驅動系統

　　伺服驅動器和交流伺服電機，X軸、Y、Z軸各一套。伺服驅動系統選用安川的伺服驅動系統，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，作為軸的極限位置傳感器，防止運行范圍超出，造成設備損壞。本設備所有的伺服控制系統均采用絕對坐標，在每個軸上還要單獨設置一個零點開關，作為坐標軸的零點位置。

6 HMI軟件系統

　　在人機界面上開發出以下畫面：

　　（1）主頁面

　　展示生產廠家及機床的信息，力求簡潔明了，美觀大方。

　　（2）手動頁面

　　手動模式下的數據設定，管理，控制，監視等信息。

　　（3） 自動頁面

　　自動模式下的數據設定，管理，控制，監視等信息。

　　（4） 確認頁面

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

7 PLC軟件系統

　　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，邏輯的簡單轉換。

　　（2） 模式轉換段

　　負責管理手動/自動模式的切換，保證系統在兩種模式下正常的運行。

　　（3） 數據管理段

　　負責HMI與PLC之間的數據傳輸，存儲和調用管理，還包括傳遞從HMI上發出的操作指令。

　　（4） 脈沖輸出段

　　負責PLC對伺服系統發出正確的脈沖指令，確保交流伺服電機按照規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，對液壓等機械執行機構進行控制，保證動作按程序正常執行。

　　（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換。

8 軟件系統流程

圖8 軟件流程框圖

9 注意事項

　　交流伺服系統是強電系統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生），而PLC，HMI以及它們之間的通信連接是典型的弱電系統，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與弱電系統之間的安裝距離，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 結束語

　　HMI+PLC+伺服系統是一個典型的小型的數控系統。它價格比常規的數控系統相比較，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。

　　經實際使用驗證表明：這種系統性能非常穩定可靠，工況良好，加工出的產品質量合格穩定。

作者簡介

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