摘 要：針對大型金相試樣切割機(jī)的控制要求，采用OMRON CPM2A PLC和NS10-V1觸摸屏相結(jié)合的控制方式，為該型金相試樣切割機(jī)設(shè)計了控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC為核心，觸摸屏作人機(jī)交互界面，PLC用于完成數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，觸摸屏完成操作和顯示功能。采用變頻調(diào)速技術(shù)對驅(qū)動切割片的電機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速。采用細(xì)分式驅(qū)動技術(shù)控制X向、Y向、Z 向的步進(jìn)電機(jī)運動。 關(guān)鍵詞：金相;切割機(jī);PLC;觸摸屏 Abstract: Facing the control requirements for the Metallographic sample cutting machine , the control system of the cutting machine was designed by the method of combing OMRON CPM2A PLC with NS10-V1 touch panel in this paper. As far as the control system is concerned, the core of the control system is PLC ,the touch panel is used for the man-machine intercommunication interface ,PLC dedicates itself to data processing and controlling, the functions of operation and display are finished by the touch panel. Frequency conversion timing technology is adopted to control the asynchronism motor of driver cuts to attain stepless timing .By making use of the electrical driver-by step, To control X、Y、and Z to three step motor. Key words: metallographic; cutting machine; PLC; touch panel 0 引言 　　金相分析是機(jī)械、冶金、汽車、工模具、農(nóng)機(jī)等制造行業(yè)中，保證產(chǎn)品質(zhì)量、查清事故原因的重要手段[1]。要進(jìn)行金相分析，就必須制備金相試樣。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，觸摸屏與可編程控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。觸摸屏又簡稱PT，是新一代高科技圖形化人機(jī)界面產(chǎn)品。既可以圖形或數(shù)字對生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行實時的監(jiān)控，又可在觸摸屏上設(shè)置觸摸開關(guān)和數(shù)字輸入編程鍵，對設(shè)備進(jìn)行控制操作。在觸摸屏與PLC組成的控制系統(tǒng)中，觸摸屏完成對設(shè)備的操作、顯示和故障報警，PLC則根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，編制程序，直接對設(shè)備進(jìn)行控制。本文采用OMRON CPM2A PLC與觸摸屏NS10-V1，為大型金相試樣切割機(jī)設(shè)計了控制系統(tǒng)。 1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 　　控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要是三臺步進(jìn)電機(jī)和一臺三相異步電機(jī)。三相異步電機(jī)通過二級帶傳動驅(qū)動砂輪片高速旋轉(zhuǎn)，由于砂輪片的轉(zhuǎn)速對切割試樣的質(zhì)量影響較大，所以切割不同的工件時，砂輪片應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)控制變頻調(diào)速器可使砂輪片的轉(zhuǎn)速從0-3400r/min無級可調(diào)。三臺步進(jìn)電機(jī)采用專用的驅(qū)動器進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動。驅(qū)動砂輪片上下運動和工作臺橫向、縱向運動?？刂葡到y(tǒng)核心控制器PLC需要提供邏輯控制信號，使異步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運動，完成切割動作。 　　控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、變頻器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、速度檢測電路、位置檢測電路等五大部分組成。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。 　　控制系統(tǒng)以O(shè)MRON CPM2A PLC為核心，擴(kuò)展模擬量I/O單元CPM1A-MAD01，其模擬輸出作為變頻器的頻率控制信號。NS10-V1觸摸屏作系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。PLC集中解決數(shù)據(jù)處理和自動控制的問題，觸摸屏完成參數(shù)設(shè)定和顯示的功能[5]。系統(tǒng)運行時，用戶首先通過觸摸屏設(shè)置的控制信息，PLC按照用戶所選的切割模式和切割參數(shù)，根據(jù)接近開關(guān)檢測的位置信號和速度傳感器采集的速度信號，對變頻器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號，使工作臺、懸臂、砂輪片協(xié)調(diào)運動，完成切割任務(wù)。系統(tǒng)運行過程中，觸 摸屏可實時顯示速度、切割進(jìn)給量等控制信息，并進(jìn)行故障顯示報警。 [align=center] 圖1 控制系統(tǒng)框圖 Fig.1 Block diagram of control system 圖2 變頻器控制電氣原理圖 Fig.2 Electric principle diagram of frequency transformer control[/align] 2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　2.1 變頻器控制實現(xiàn) 　　2.1.1 變頻器控制電氣原理圖 　　系統(tǒng)選用L100—075HFE型變頻器。額定輸入電流為20A，額定輸出電流為16A，輸出頻率范圍為0.5～60Hz，適用于容量為7.5KW（3000r/min）的異步電機(jī)[3]。 　　變頻器對電機(jī)的控制有主回路連接和控制回路連接，其電氣原理圖如圖2所示。 　　變頻器主回路連接：變頻器的L1、L2、L3為輸入端，經(jīng)漏電保護(hù)器與50Hz、380V三相交流電源相連，輸出端U、V、W接交流電動機(jī)，變頻器輸出頻率的變化將控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，兩者之間的關(guān)系近似線性，實現(xiàn)了無級調(diào)速的目的。 　　變頻器輸入控制信號連接：PLC的輸出端01100～01103分別與變頻器的智能輸入端子相連。CPM1A-MAD01模擬量輸出模塊與變頻器的O、L端子相連，由模擬量I/O單元輸出的0～10V電壓信號控制變頻器的輸出頻率，變頻的輸出頻率與設(shè)定電壓成正比。 　　變頻器輸出信號連接：分別在輸出端子11和12與輸出公共端接一只發(fā)光二級管，作為變頻器運行和電機(jī)過載信號指示。在報警端子AL0 和AL2之間接一蜂鳴器，作為變頻器的故障報警輸出。 　　2.1.2 速度檢測與PID控制的實現(xiàn) 　　砂輪片的轉(zhuǎn)速對切割試樣的質(zhì)量影響較大，因此要對砂輪片轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID閉環(huán)控制，以提高速度的控制精度。首先通過觸摸屏操作菜單設(shè)定一個電機(jī)轉(zhuǎn)速，電動機(jī)按此轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)帶動砂輪片切割工件。在旋轉(zhuǎn)過程中，光電傳感器對砂輪片轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時采樣，速度信號經(jīng)處理后送入PLC的高速計數(shù)器，經(jīng)處理后使用PID指令來控制模擬量I/O的輸出，變頻器接收PLC輸出的模擬信號對其輸出頻率進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)砂輪的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了砂輪片轉(zhuǎn)速的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)[4]。 　　2.2 步進(jìn)電機(jī)控制實現(xiàn) 　　2.2.1 CPM2A的脈沖輸出功能 　　晶體管輸出型CPM2A具有高速脈沖輸出功能，使用01000、01001兩個輸出點。有以下三種情況： 　　（1）兩點無加速/減速的單相脈沖輸出：輸出頻率為10Hz～10kHz，占空比50%。 　　（2）兩點不同占空比的脈沖輸出：頻率范圍為0.1Hz～999.9Hz，占空比0～100%。 　?。?）一點帶梯形加速/減速的單相脈沖輸出：分為脈沖+方向輸出和加/減（CW/CCW）脈沖輸出兩種情況，占空比50%[6]。 　　CPM2A的脈沖輸出控制指令，PLUS命令可以控制輸出脈沖個數(shù)，取值范圍是-16777215～16777215。SPED命令可以設(shè)置輸出脈沖的頻率，輸出頻率范圍是10Hz～10kHz。PWM命令可以在指定的輸出口輸出可變占空比脈沖。ACC命令可以輸出梯形加/減速脈沖，可用于加/減速控制。 　　CPM2A脈沖輸出功能可以方便的用于步進(jìn)電機(jī)控制。切割機(jī)控制系統(tǒng)中有三臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器需要提供脈沖信號。其中01000點輸出指定頻率指定個數(shù)的脈沖，用于控制砂輪片的進(jìn)給速度和進(jìn);01001點輸出指定個數(shù)脈沖，用于控制工作臺前后位移量;普通輸出端子01004輸出指定頻率（范圍為0～500Hz）的脈沖，經(jīng)倍頻（100倍）電路升頻后輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，用于控制工作臺的左右運動。 　　2.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口電路 　　步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器選用85BYG450A和SH-2H090M。驅(qū)動器是把PLC提供信號放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的信號，PLC提供給驅(qū)動器的信號主要有兩路：一路為步進(jìn)脈沖信號CP，控制CP的頻率，就可以對電機(jī)精確調(diào)速，從而有效調(diào)節(jié)工作臺和砂輪片的進(jìn)給速度;控制CP的個數(shù)，就可以對電機(jī)精確定位，實現(xiàn)工件的切割量控制。另一路為方向電平信號DIR，當(dāng)DIR為高電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)DIR為低電平時，電機(jī)為反轉(zhuǎn)。圖3為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖。 [align=center] 圖3 驅(qū)動器接線圖 Fig.3 Connection diagram of driver 圖4 系統(tǒng)主控程序流程圖 Fig.4 The main program flow chart of system[/align] 3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)主控程序設(shè)計、自動控制程序設(shè)計等。其中自動控制程序主要包括直切程序、進(jìn)三退一切割程序、逐層切割程序和連續(xù)切割程序。 　　主控程序在上電復(fù)位完成系統(tǒng)的初始化后，與觸摸屏通信，接收觸摸屏傳送的控制信息，根據(jù)用戶選擇的切割模式，在切割過程中要完成輸入信號的循環(huán)掃描，并對輸入信息進(jìn)行處理后，輸出不同的信號控制系統(tǒng)的各執(zhí)行部件，使它們協(xié)調(diào)工作，完成工件的切割。其中系統(tǒng)主控程序的功能包括上電復(fù)位和各切割模式的自動控制，系統(tǒng)的主控程序流程圖如圖4所示。 4 觸摸屏操作界面設(shè)計 　　系統(tǒng)選用NS系列NS10-V1觸摸屏，觸摸屏有內(nèi)置的信息處理和通信能力，能滿足機(jī)器操作和監(jiān)控的可視化需求。NS10-V1是電阻膜感應(yīng)壓力式觸摸屏，內(nèi)部有高達(dá)20MB的畫面數(shù)據(jù)存儲器，10英寸的TFT液晶顯示器有256色、高亮度和大的視角。字體以Unicode保存，能進(jìn)行快速多語言操作并在一幅屏幕中顯示各種字體。圖像動畫、自動數(shù)據(jù)傳送和其它過程能用宏程序控制。用戶程序和操作數(shù)據(jù)能通過網(wǎng)絡(luò)或存儲卡被傳送到PC中。 　　NS10-V1觸摸屏有兩個串行通信端口：A和B。它們都符合EIA RS-232C通信標(biāo)準(zhǔn)，采用9針D-sub連接器。CPM2A PLC自帶RS-232C通信口，NS10-V1可通過RS-232C口與PLC直接相連。在切割機(jī)控制系統(tǒng)中，NS10-V1與CPM2A通過RS-232C口進(jìn)行1:1NT鏈接通信。 　　NS10-V1觸摸屏采用NS-Designer 軟件進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，完成后可通過計算機(jī)的RS-232C串行通信口下載到觸摸屏中。NS-Designer有大量的圖形庫和界面編輯功能，NS-Designer 中的智能控件可直接訪問PLC內(nèi)部的繼電器區(qū)，用戶只要從設(shè)備庫中拖放智能控件，就可以為控制系統(tǒng)定制操作界面。 　　根據(jù)系統(tǒng)控制和操作要求，共設(shè)計了系統(tǒng)主界面、自動操作界面、切割參數(shù)設(shè)定界面、切割參數(shù)顯示界面等4個人機(jī)交互界面，還有系統(tǒng)操作說明等。其中自動操作界面如圖5所示，參數(shù)設(shè)定操作界面如圖6所示。 　　系統(tǒng)上電后，觸摸屏顯示啟動界面，系統(tǒng)密碼驗證正確后進(jìn)入系統(tǒng)主界面，主界面顯示當(dāng)前日期和時間。在主界面中，可通過操作說明按鍵瀏覽操作說明。主界面要求用戶選擇切割模式：直切、進(jìn)三退一、逐層、連續(xù)。選好切割模式后自動跳轉(zhuǎn)到切割參數(shù)設(shè)定界面對切割參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定完成后，按啟動按鈕系統(tǒng)開始自動切割，切割過程中觸摸屏自動進(jìn)入切割參數(shù)顯示界面，運行參數(shù)和有關(guān)部件的工作狀態(tài)都可以在觸摸屏上動態(tài)顯示，出現(xiàn)異常情況時自動會報警并進(jìn)入報警界面，顯示系統(tǒng)故障信息。 [align=center] 圖5主操作界面圖 Fig.5 The interface of host operation 圖6切割參數(shù)操作界面 Fig.6 The interface of cutting parameters[/align] 5 結(jié)論 　　本文的創(chuàng)新點： 　　1 在以PLC為核心的大型金相試樣切割機(jī)控制系統(tǒng)中，由于觸摸屏的應(yīng)用省去了傳統(tǒng)控制方法中的開關(guān)、按鈕、指示燈和儀表等，節(jié)省了空間提高了控制系統(tǒng)的可靠性。 人機(jī)界面、監(jiān)視功能和保護(hù)措施，不但方便操作，而且系統(tǒng)的性能更加安全可靠。 　　2 采用變頻調(diào)速器對異步電機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速，通過光電傳感器對砂輪片轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時采樣，利用PLC的高速計數(shù)功能和模擬量PID控制的功能，實現(xiàn)了砂輪片轉(zhuǎn)速的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高了速度控制精度，保證了試樣切割過程中不損壞砂輪片。 　　3 通過PLC集中邏輯控制三個步進(jìn)電機(jī)的協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)了四種切割模式：直切、進(jìn)三退一切割、逐層切割、連續(xù)切割，不僅擴(kuò)大了切割范圍，而且切割機(jī)能夠高效率的切割不同尺寸和不同硬度的工件。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]孫維連，理化檢驗金相切割機(jī)的國內(nèi)外研究概況[J]-物理分冊.2003.7.357∽360 　　[2]劉燕，觸摸屏與PLC的通信與連接[J]。自動化與儀器儀表，2002，（4）. 　　[3]日立制作所，日立變頻調(diào)速器L100系列說明書，東京·日本. 　　[4]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 　　[5]江秀漢，湯楠?？删幊绦蚩刂破髟砑皯?yīng)用[M]。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.3. 　　[6]OMRON，可編程終端NS系列操作手冊。2006.3. 　　[7]吳振綱，陳虎.PLC的人機(jī)接口與編程[J].微計算機(jī)信息，2005，8-1：21-23