一、摘要： 數(shù)控技術(shù)是綜合應用了電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動控制與自動檢測等現(xiàn)代科學技術(shù)成就而發(fā)展起來的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機械加工行業(yè)中的應用日益廣泛。 本文提出了利用人機界面和PLC控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設計思路。對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)機床改造具有較高的應用與參考價值。 二、關(guān)鍵詞： 人機界面 PLC 步機電機 步機電機驅(qū)動器 三、前言： 數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機械加工時，數(shù)控系統(tǒng)的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機床），其特點是，機床移動部件能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡。實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制的通常方法可以有： 1、采用全功能的數(shù)控裝置。這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的； 2、采用單片機控制。這種方法除了要進行軟件開發(fā)外，還要設計硬件電路、接口電路、驅(qū)動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。 3、采用可編程邏輯控制器控制。 由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置。 四、正文： PLC（Programmable Logical Controller）通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小，功能強、程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱（即PLC、機器人和CAD/CAM）之一。 人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應付隨時可能變化的多功能顯示屏幕。隨著機械設備的飛速發(fā)展，以往的操作界面由熟練的操作人員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設備目前的狀況，使操作變得簡單生動，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本。同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設備的附加價值。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 1、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示，整套電器系統(tǒng)由三部分組成:（1）操作部分（人機界面）:用于操作、設置機床運行狀況、故障報警;（2）控制部分PLC）:主要控制機床的定位;（3）執(zhí)行部分（步機電機及步機電機驅(qū)動器）。 [align=center][IMG=人機界面和PLC在機床改造的應用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815215947805T.jpg[/IMG] 圖 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[/align] 2、硬件的選擇： 1）、人機界面的選擇的原則：現(xiàn)在市場上的人機界面基本上都能實現(xiàn)以下功能： 指示燈（PLCI/O顯示、內(nèi)部節(jié)點顯示、多段指示燈等）； 開關(guān)（位狀態(tài)型開關(guān)、多段開關(guān)、切換窗口開關(guān)等）； 各種動態(tài)圖表（棒圖、儀表、移動元件、趨勢圖等）； 數(shù)據(jù)顯示（數(shù)值顯示、ASCII顯示、文字顯示等）； 數(shù)據(jù)輸入（數(shù)值輸入、ASCII輸入、文字輸入等）； 異常報警（報警顯示、跑馬燈顯示、事件顯示等）； 靜態(tài)顯示（直線、圓、矩形、文字等） 基于在性價比方面的特點，在本機床作者選擇了臺灣威綸通的MT506T/C。 2）|、PLC 選擇的原則：在PLC選型是時主要是根據(jù)所需功能和容量進行選擇，并考慮維護的方便性，備件的通用性，是否易于擴展，有無特殊功能要求等。 （1）、PLC輸入/輸出點確定：I/O點數(shù)選擇時要留出適當余量； （2）、PLC存儲容量：系統(tǒng)有模擬量信號存在或進行大量數(shù)據(jù)處理時容量應選擇大些； （3）、輸出繼電器類型一定是晶體管（只有晶體管輸出類型的PLC才能輸出高速脈沖）； （4）定位和脈沖輸出功能：一個PLC單元中每相能同時輸出2點100KHz脈沖。 （5）、PLC配備特殊的定位指令，包括零返回、絕對值讀出、絕對或相對地址表達方式以及特殊脈沖輸出控制。 在本機床上，作者選擇了三菱的小型PLC。型號為：FX1S-14MT。 3）、步機電機和步進電機驅(qū)動器的選擇的原則： （1）、確定步進電機拖動負載所需要的扭矩； （2）、確定步進電機的最高運行轉(zhuǎn)速； （3）、最后還要考慮留有一定的（如30%）力矩量和轉(zhuǎn)速量。 （4）、根據(jù)以上指標，再考矩-頻特性，就可以選擇出適合自己步進電機。 （5）、選擇步機電機驅(qū)動器，必須跟電機相配套。 （6）、盡量選取細分的驅(qū)動器，且使驅(qū)動器工作在細分狀態(tài)。 不同廠家的電機在設計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進電機應注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機。這樣便于最終的維護。 在本機床上，作者選擇了斯達特的電機和驅(qū)動器。電機型號為：110BYG350A；驅(qū)動器為其電機配套的型號MS-3H110M。 3、控制系統(tǒng)的軟件設計 1）、人機界面組態(tài)畫面設計 不同品牌的人機界面的軟件操作都有其各自的特點，所以在使用時一定要掌握其軟件特點。軟件一般提供了多種控件和圖形庫文件，可組態(tài)出各種顯示和控制功能，實現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)，當前過程值及故障的可視化。利用人機界面操作被監(jiān)控系統(tǒng)，對PLC的實時數(shù)據(jù)進行顯示，記錄，也可以設計動態(tài)畫面來模擬控制過程，從而滿足監(jiān)控要求。 機床（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機床）的操作上每種類型都有一點不同的操作方法，所以在人機界面的設計上都有不同,但一般應有下面幾個界面： （1）、主界面：機床的主要操作或其它界面的調(diào)動。如下圖2示 [align=center] 圖2[/align] （2）、參數(shù)設置界面： 用戶顯然希望當現(xiàn)場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應的修改，例如工件前進的距離，速度的調(diào)整等。為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應在線進行。 （3）、手動操作界面：用戶調(diào)試機床時要機床的某一個部件單獨動作時的操作界面。 （4）、故障報警界面：當機床出現(xiàn)故障時在人機界面上顯示出相對應的故障代碼，使用戶據(jù)此迅速判斷出故障原因。 （5）、幫助頁面的設計：考慮到工業(yè)現(xiàn)場的需要，在頁面設計時，增加了大量幫助頁面，包括機床的維護，系統(tǒng)的使用，參數(shù)的設置等。 為節(jié)省篇幅，這里只介紹了主畫面，其它內(nèi)容的程序設計思路見參考文獻。 設計完畢后經(jīng)編譯無誤，從個人電腦中下載到人機界面,如果與PLC的通信能正常進行，并且PLC側(cè)相應的程序也正確無誤，則即可使用。 2）、PLC程序設計： 根據(jù)控制及流程要求，利用三菱簡潔而強大的PLC編輯軟件，對應輸入、輸出開發(fā)相應應用程序。（采用步進的方式來實現(xiàn)對整個機械的所有邏輯動作）同時連接PLC與外部設備連線；將編制完成的程序?qū)懭隤LC中，模擬運行，進行調(diào)試及修改；在模擬調(diào)試成功后，接入現(xiàn)場實際控制系統(tǒng)中進行再次調(diào)試，直至完全通過為止。 在此項工程上，作者將PLC程序分了幾個部分來編寫，下圖是PLC程序的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可供讀者參考。 [align=center] 圖3 [/align] 工程的軟件系統(tǒng)是采用了PLC的程序和人機界面的畫面設計相互配合來完成系統(tǒng)的功能。在整個系統(tǒng)軟件的設計過程中，最明顯的特點PLC程序是用了標志位，將各部分程序分開，達到更好的效果。 4、脫機調(diào)試 為了縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，在安裝之前先進行脫機調(diào)試。首先用下載線分別下載程序到PLC和人機界面，再用通信線RS-422把PLC和人機界面相連，上電檢查PLC和人機界面能否正常通信。在調(diào)試中，遇到了通信出錯的情況，通過改變PLC和人機界面的通信參數(shù)，最后使它們能夠正常通信。并能正確顯示功能代碼的值。最后，把按系統(tǒng)要求編制的程序下到PLC和人機界面里，PLC的輸入接上開關(guān)量進行調(diào)試，調(diào)試通過。 5、現(xiàn)場調(diào)試 在脫機調(diào)試通過之后，進行帶負荷，也就是帶電機后的試運行調(diào)試。看步進電機是否運轉(zhuǎn)正常，運行時有沒有出現(xiàn)失步和誤差 ，定位精度與提高定位速度時機床的精度如何等。 五、結(jié)束語 系統(tǒng)試驗表明，本文提出的應用人機界面和PLC控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的方法能滿足控制要求，所研制的控制系統(tǒng)具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優(yōu)點，其軟硬件的設計思路可應用于工礦企業(yè)的相關(guān)機床改造,并在實際運行中是切實可行的。經(jīng)過長期運行表明，控制精度高，運行可靠，提高了生產(chǎn)的自動化水平，減小了操作人員的勞動強度。 參考文獻及資料： （1）、王侃夫. 數(shù)控機床控制技術(shù)與系統(tǒng)：機械工業(yè)出版社，2002.01 （2）、于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設計.北京：清華大學出版社.2004 （3）、EasyBuilder 500 使用手冊 （4）、斯達微步控制有限公司步機電機和驅(qū)動器使用手冊 作者簡介 姓名：黃景良 單位：廣東省江門市高級技工學校 職業(yè)：技能指導教師 E-MAIL：Y2KHJL@21CN.COM或CEO@JFLJC.COM 聯(lián)系電話：13322883421 聯(lián)系地址：廣東省江門市江北路一號 江門市高級技工學校電子電工實習教研組 簡歷： 2001年廣東工業(yè)大學畢業(yè)后進入江門市高級技工學校從事電氣工程及其自動化技能教學。