摘 要：本文扼要講述了利用臺達(dá)PLC為核心的控制系統(tǒng)在專用機(jī)床上的應(yīng)用。重點講述了PLC的位置控制問題，PLC與變頻器的RS485通信問題和PLC與觸摸屏的組態(tài)、編程。

關(guān)鍵詞：專用機(jī)床 PLC 觸摸屏 變頻器 位置控制 通信控制

Abstract: This Papers briefly on the use of DELTA’s PLC control system on the Special Purpose Machine be applications. Focus on the PLC’s Position Control, PLC and Inverters on the RS485 communication ,the PLC and Touch Screen configuration, programming.

KEY WORD: Special Purpose Machine; PLC; Touch Screen; Inverters; Position Control; Communication Control

一，應(yīng)用背景

　　本文講述了DVP-EH2型PLC在我公司的雙工位深孔鉆機(jī)床上的應(yīng)用。雙工位深孔鉆機(jī)床為我公司開發(fā)生產(chǎn)的重點產(chǎn)品，機(jī)床主要用于汽車剎車泵缸體的鉆孔加工，在市場上具有很大的應(yīng)用潛力。

　　機(jī)床加工的基本原理是：槍鉆鉆頭動力頭平置于機(jī)床工作臺，加工件安放于豎直的滑臺上的工件夾具內(nèi)。滑臺沿槍鉆鉆頭旋轉(zhuǎn)的垂直線上下運行。加工時，鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，滑臺帶動工件往下運行，對產(chǎn)品進(jìn)行鉆孔加工，加工尺寸到位后，滑臺再往上運行，退出工件，關(guān)閉動力頭。

　　傳統(tǒng)的機(jī)床采用液壓油缸驅(qū)動。當(dāng)液壓油缸行程到位后，利用行程開關(guān)控制液壓電磁閥動作，使油缸返回。液壓驅(qū)動的最大問題是加工孔深精度很難控制。運行速度調(diào)節(jié)也不是很方便。

　　機(jī)床采用伺服電機(jī)控制絲桿滑臺上下運行定位，滑臺往下運行時，對產(chǎn)品進(jìn)行鉆孔加工，加工完成后，滑臺再住上運行，退出。與傳統(tǒng)的液壓油缸驅(qū)動相比較，由于利用伺服電機(jī)定位控制，可以很方便的進(jìn)行加工速度設(shè)置，高精確地達(dá)到鉆孔深度的控制。

　　雙工位深孔鉆機(jī)床是兩個工位同時加工，互不干涉。一個機(jī)床操作員控制，可以同時進(jìn)行兩件工件的加工。是提高加工效益，減少投資的不二之舉。

　　機(jī)床控制方案可以選用簡易型數(shù)控控制系統(tǒng)(CNC)。當(dāng)前市面上也有很多兩軸的數(shù)控產(chǎn)品。數(shù)控系統(tǒng)有著標(biāo)準(zhǔn)的G代碼編程，也能夠很方便的進(jìn)行伺服的定位控制。但是須要完成兩軸相互獨立，互不干擾的定位時，CNC在編程時遇到了制約。CNC的兩軸或多軸G代碼在編程時，不能做到同時執(zhí)行兩段獨立的定位指令。當(dāng)然，也可以采用兩臺單軸的CNC控制系統(tǒng)。但是，這樣的控制過于冗雜，成本也過高，應(yīng)用價值不高。

　　鑒于以上原因 ，實現(xiàn)此機(jī)床控制要求可以選用PLC進(jìn)行控制。機(jī)床的定位動作并不復(fù)雜，只需要正向加工定位、反向退出定位兩段位置控制指令。很多型式的PLC都帶有高速脈沖輸出功能，具有很方便的相對定位，絕對定位指令。不需要另加擴(kuò)展模塊，能夠很方便的實現(xiàn)機(jī)床的運動控制。

二，控制概要

　　1，機(jī)床需要兩軸脈沖輸出，以分別控制兩個工位的絲桿滑臺運行?；_的定位速度不小于6m/min。定位精度小于0.01mm。在電氣控制設(shè)計上，一般都設(shè)計為0.001mm/P，即0.001mm每脈沖當(dāng)量。 這樣，方便進(jìn)行運算，電子齒輪比也容易計算。機(jī)械制造上采用精密絲桿傳動(雙螺母滾珠絲桿)，也比較容易就能達(dá)到0.01的定位精度。

　　2， 機(jī)床人機(jī)對話采用控制面板的開關(guān)按鈕與觸摸屏接合。工件的加工速度，加工尺寸在觸摸屏上利用參數(shù)的形式進(jìn)行設(shè)置。

　　觸摸屏與PLC組態(tài)后，可以對PLC的一些關(guān)鍵內(nèi)部數(shù)據(jù)時行監(jiān)控，包括實時顯示工件坐標(biāo)、動力頭電機(jī)電流。顯示加工狀態(tài)、關(guān)鍵的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)或一些故障碼、異常信號，方便進(jìn)行機(jī)床的狀態(tài)分析、故障疹斷。

　　觸摸屏與PLC可以很方便的實現(xiàn)通信。兩者組態(tài)時，只要設(shè)置好兩者之間的通信協(xié)議，觸摸屏即可以讀寫PLC的D、M數(shù)據(jù)了。

　　3，槍鉆的加工因為工件的材質(zhì)不同、加工孔徑的大小不一，槍鉆鉆頭的轉(zhuǎn)速也要求能夠很方便的進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，機(jī)床的動力頭轉(zhuǎn)速采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。

　　機(jī)床控制系統(tǒng)，可以監(jiān)視變頻器的相應(yīng)狀態(tài)，包括輸出頻率，輸出電壓，負(fù)載電流。因此，可以將PLC與變頻器進(jìn)行RS485通信讀取讀據(jù)。同時，PLC對變頻器的速度、運行、停機(jī)等可以通過RS485通信進(jìn)行控制，方便變頻器的控制接線。

　　4，機(jī)床加工還須要一定的外部輔助功能。如加工過程中的冷卻液，工件裝夾，防護(hù)門開關(guān)等等。

　　5，機(jī)床具有手動控制和自動控制兩種工作方式。手動控制主要用于機(jī)床的調(diào)試和首件產(chǎn)品的試制，可以分別對輔助功能進(jìn)行開關(guān)，手動控制工件滑臺的上下運行。自動控制為自動進(jìn)行一個工件的加工周期，人工裝夾好工件后，操作人員按下起動按鈕，機(jī)床即進(jìn)行工件的鉆孔加工，鉆孔完成后，即行自動退出工件，加工過程中，自動注入冷卻液，開關(guān)防護(hù)門等相關(guān)輔助動作。加工完成后，自動工件松開。完成一個工件的加工過程。

三，PLC在專用機(jī)床上的控制實現(xiàn)

　　根據(jù)機(jī)床控制要求，電氣控制系統(tǒng)以PLC為控制核心、以觸摸屏與控制面板按鈕為人機(jī)對話界面，控制機(jī)床的各項輔助功能輸出、控制雙軸伺服定位、變頻器調(diào)速。其中，PLC與觸摸屏的通信為RS232通信;PLC與變頻器的通信采用RS485;PLC對伺服驅(qū)動的定位控制采用脈沖+方向形式的脈沖輸出方式。機(jī)床總體控制框架如下圖所示：

機(jī)床電氣控制總框圖

　　1，PLC 在機(jī)床上的定位控制。

　　PLC的脈沖輸出最高頻率直接影響運動定位控制的速度和精度，是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。一般PLC都會帶兩路脈沖輸出或四路脈沖輸出。并且脈沖輸出頻率并不低，甚至比一般的CNC數(shù)控還要高，如臺達(dá)的DVP-EH2系統(tǒng)的PLC最高輸出達(dá)200KHz，有些甚至更高，如Omron公司的CP1H-Y系列的PLC還達(dá)到了1MHz。

　　脈沖定位速度為：

　　V=Fmax×δ×60 (式1)

　　其中，V為速度，單位：m/min(米/分鐘);Fmax為最高脈沖頻率，單位：Hz(赫茲);δ為脈沖當(dāng)量，單位：mm/P 。

　　臺達(dá)DVP-EH2型PLC共有四路高速脈沖輸出，其中兩組為AB相脈沖，兩點為單脈沖輸出端。四路脈沖輸出端口分別為：CH0(Y0，Y1)，CH1(Y2，Y3)，CH2(Y4)，CH3(Y6)，輸出頻率都達(dá)到200KHz。如果采用0.001mm/P脈沖當(dāng)量進(jìn)行控制，那么，根據(jù)式1，PLC的定位速度最快為：

　　200000×0.001×60=12000mm/min=12m/min

　　即定位的最高速度為12米每分鐘。完全可以達(dá)到機(jī)床的控制要求。

　　現(xiàn)在很多的微型機(jī)，或小型機(jī)都有內(nèi)置高速脈沖輸出功能?？梢赃\用脈沖定位指令實現(xiàn)相對定位、絕對定位。臺達(dá)PLC的相對定位指令[D]DRVI或絕對定位指令[D]DRVA。(指令前綴D為雙字控制指令，最高定位區(qū)間可以達(dá)到232，即定位范圍為-2147483648~+2147483647)。在機(jī)床控制中，當(dāng)電氣精度做到0.001mm時，則機(jī)床的定位范圍在-2147483.648mm~+214748.367mm之間，完全可以滿足機(jī)床的控制要求。

　　機(jī)床在定位控制中，需要用到單步方式、連續(xù)方式、自動加工定位。單步方式主要用于調(diào)試機(jī)床時的精確定位，即按動一次正向定位或反向定位的控制按鈕，機(jī)床即進(jìn)給一定量值(PLC發(fā)出指令數(shù)量的脈沖值)。單步方式一般采用脈沖相對定位指令[D]DRVI，脈沖定位數(shù)量可以在觸摸屏人機(jī)界面中設(shè)置。相對定位指令格式如下：　　

　　S1：脈沖輸出數(shù)目;(定位量)

　　S2：脈沖輸出頻率;(定位速度)

　　D1：脈沖輸出裝置;(脈沖輸出通道CH0，或CH1)

　　D2：定位方向輸出裝置;(脈沖正向定位/反向定位)

　　其中，EH2機(jī)型的脈沖輸出通道D1可以指定為Y0(CH0)或Y2(CH1);定位方向輸出D2可以指定其他任何輸出端點，D2根據(jù)脈沖定位數(shù)量的正值/負(fù)值自動決定為ON/OFF。當(dāng)S1為負(fù)值時，D2=OFF，當(dāng)S1為正值時，D2=ON。

　　對于操作數(shù)S1，和S2 可以指定為數(shù)據(jù)寄存器D。通過觸摸屏對寄存器D的訪問，進(jìn)行操作數(shù)的設(shè)定。

　　實現(xiàn)程序如下所示：

　　程序中，M17為觸摸屏界面的觸控按鈕，X17為操作面板“滑臺升”按鈕，特殊輔助繼電器M1029為CH0脈沖輸出完畢標(biāo)志，當(dāng)按下X17(M17)時，定位脈沖輸出端子即刻輸出由D120指定的定位脈沖數(shù)，并因M21的自鎖而持續(xù)輸出，當(dāng)定位脈沖數(shù)值完成時，脈沖輸出完畢標(biāo)志置ON，指令條件解除，須得由下一次按鈕按下時再次起動。

　　機(jī)床在自動加工時，采用絕對定位指令[D]DRVA。使用[D]DRVA指令之前，需要先進(jìn)行原點設(shè)定，也即在絕對定位指令前，須要將現(xiàn)在的脈沖輸出當(dāng)前值做出設(shè)定，否則絕對定位指令不能執(zhí)行。原點設(shè)定可以在PLC上電的初始化中進(jìn)行設(shè)置。一般使用PLC的啟動正向脈沖對D1336進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特殊數(shù)據(jù)寄存器D1336為CH0脈沖的現(xiàn)在值。

　　原點設(shè)定的實現(xiàn)程序如下所示：

　　當(dāng)機(jī)床在定位時，PLC實時的讀取當(dāng)前的脈沖數(shù)，隨時將D1336內(nèi)的數(shù)值讀出到D200進(jìn)行保存。在機(jī)床再次起動時，再將D200內(nèi)保存的數(shù)值送入到D1336中，這樣，就可以在機(jī)床關(guān)機(jī)時，能保持機(jī)床的當(dāng)前坐標(biāo)。

　　絕對定位指令實現(xiàn)程序如下所示：

　　使用定位指令時，也可以指定定位起動時的加減速，設(shè)置脈沖輸出的加減速一個作用是使機(jī)床能平穩(wěn)地起動停止，另外一個用處是伺服電機(jī)驅(qū)動器對輸入脈沖用一個響應(yīng)頻寬，如果送給伺服電機(jī)驅(qū)動器的定位脈沖是突變的，有可能會造成驅(qū)動器對定位脈沖的丟失。設(shè)置脈沖輸出的加減速只要設(shè)置脈沖輸出通道相應(yīng)的加減速時間即可。CH0的加減速時間在特殊數(shù)據(jù)寄存器D1343中設(shè)置。EH系列PLC加減速不可低于10mS。若低于10mS或高于10000mS，則將以10mS輸出。如果不對D1343進(jìn)行設(shè)置，PLC會以出廠默認(rèn)值100mS執(zhí)行。

　　脈沖輸出加減速實現(xiàn)程序如下所示：

　　D210內(nèi)數(shù)據(jù)在觸摸屏界面中進(jìn)行設(shè)置，從而實現(xiàn)以參數(shù)的形式對定位加減速進(jìn)行設(shè)置。

　　2，變頻器通信程序的設(shè)計。

　　PLC與變頻器的通信采用RS485 MODBUS通信協(xié)議進(jìn)行通信。EH2系列PLC有內(nèi)置的RS485通信接口。MODBUS通信協(xié)議包含三個層次：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了基于RS485的MODBUS通信協(xié)議，應(yīng)用層即通過MODBUS之RTU模式對變頻器的運行、停機(jī)控制和變頻器參數(shù)的讀寫操作。

　　變頻器的MODBUS通信為主從通信。上位機(jī)發(fā)送指令，變頻器應(yīng)答。

　　RTU幀格式如下：

　　MODBUS通信的RTU模式具有如下所列功能：

　　循環(huán)冗余碼校驗(Cyclical Redundancy Check)，簡稱CRC校驗碼。CRC-16碼由兩個字節(jié)構(gòu)成，CRC碼的生成如下：

　　在開始時設(shè)置CRC寄存器，并給其賦值FFFF(hex);

　　將數(shù)據(jù)的第一個8-bit字符與16位CRC寄存器的低8位進(jìn)行異或，并把結(jié)果存入CRC寄存器;

　　CRC寄存器向右移一位，MSB(最高位元)補(bǔ)零，移出并檢查LSB(最低有效位);

　　如果LSB為0，重復(fù)第三步，若LSB為1，CRC寄存器與多項式碼相異或;

　　重復(fù)第3與第4步直到8次移位全部完成。此時一個8-bit數(shù)據(jù)處理完畢;

　　重復(fù)第2至第5步直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成;

　　最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值。

　　臺達(dá)DVP系列PLC有專門的MODBUS通信指令，只要設(shè)定好指令參數(shù)，然后觸發(fā)指令，PLC會自行按照通信幀格式自動發(fā)送數(shù)據(jù)，指令發(fā)送完畢后，PLC會對回傳的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行檢查是否出錯。如果出錯，則會給出相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志，相應(yīng)的特列輔助繼電器有所動作。

　　MODBUS數(shù)據(jù)讀取指令格式如下：

　　S1：從機(jī)地址;

　　S2：欲讀取的數(shù)據(jù)的地址;

　　N：批量讀取數(shù)據(jù)的長度。

　　MODBUS數(shù)據(jù)寫入指令格式如下：

　　S1：從機(jī)地址;

　　S2：欲寫入的數(shù)據(jù)的地址;

　　N：批量寫入數(shù)據(jù)的長度。

　　通信指令各特殊寄存器說明：

　　D1120：通信協(xié)議設(shè)置;

　　D1129：通信超時時間設(shè)置;

　　D1130：MODBUS回傳錯誤碼記錄;

　　D1070~1085：MODBUS回傳信息數(shù)據(jù)緩存器;

　　D1050~1055：如果MODBUS通信格式為ASCLL碼，則PLC自動會將回傳的D1070~D1085內(nèi)的ASCLL碼轉(zhuǎn)換為HEX格式，將存于D1050~1055寄存器內(nèi)。

　　M1120：COM2端口(內(nèi)置RS485端口)通訊設(shè)定保持，置ON后，D1120(通信協(xié)議)變更無效;

　　M1123：MODWR指令執(zhí)行時回傳數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志;

　　M1127：MODRD指令執(zhí)行時回傳數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志;

　　M1129：通信超時標(biāo)志;

　　M1140：數(shù)據(jù)接收錯誤標(biāo)志;

　　M1141：發(fā)送地址錯誤標(biāo)志;

　　M1143：為0，通信為ASCLL格式，置ON，通信為RTU格式。

　　M1122：觸發(fā)通信指令。

　　專用機(jī)床在做PLC與變頻器的通信時，因為要讀取變頻器內(nèi)部的狀態(tài)信息，改寫變變頻器的參數(shù)。故可以采用步進(jìn)指令STL。當(dāng)?shù)谝粋€變頻器內(nèi)數(shù)據(jù)通信完成后，再與第二個數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。當(dāng)?shù)诙€數(shù)據(jù)通信完成后，再與第三個數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，當(dāng)最后一個數(shù)據(jù)通信完成后，再與第一個數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。通信程序節(jié)選如下所示：

　　以上省略若干行……

　　程序中，D240數(shù)據(jù)由觸摸屏設(shè)置RS485的通信協(xié)議。D241數(shù)據(jù)由觸摸屏設(shè)置通信超時時間。程序執(zhí)行時，將D240的數(shù)據(jù)送入特殊寄存器D1120，D241數(shù)據(jù)送入特殊寄存器D1129，從而設(shè)定RS485的通信協(xié)議和設(shè)置通信超時時間。特殊寄存器數(shù)據(jù)設(shè)置好后，將M1120置ON，從而保持通信協(xié)議。再將M1143置ON，將MODBUS通信設(shè)定為RTU模式。

　　MODRD指令(數(shù)據(jù)讀取)讀取的信息存放在以D1070~D1085的特殊寄存器中。在使用RTU模式時，讀取的目標(biāo)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)只會存放于以D1073開始的低半位。程序中，如果設(shè)置D320的數(shù)值為3210H，即PLC訪問變頻器地址為3210H的內(nèi)存數(shù)據(jù)，程序在由STL語句步進(jìn)到S127狀態(tài)時，會觸發(fā)通信數(shù)據(jù)讀取指令。數(shù)據(jù)在回傳成功后，回傳的數(shù)據(jù)會存放于D1070~D1085內(nèi)，D1070~D1085數(shù)據(jù)內(nèi)容如下所示：

　　寄存器數(shù)據(jù)說明

　　從表中可以看出，數(shù)據(jù)內(nèi)存分為高低兩個半字節(jié)分別進(jìn)行了存放(D1073、D1074)，因此在數(shù)據(jù)處理時，須要將接收特殊寄存器的兩個字節(jié)的低半字節(jié)數(shù)據(jù)送入到一個寄存器組合成一個整字節(jié)。半字節(jié)指令為SMOV。本程序中，分別用兩條SMOV指令，將D1073的低半字節(jié)送入D320高半字節(jié)，將D1074的低半字節(jié)送入D320低半字節(jié)。從而使D320整合為從機(jī)地址為3210H的數(shù)據(jù)0057H。

　　SMOV(移位傳送)在執(zhí)行時，當(dāng)控制位M1168為OFF時，數(shù)據(jù)傳送為BCD碼，當(dāng)控制位M1168為ON時，數(shù)據(jù)傳送為BIN值。本通信程序為傳送BIN值碼。因此在程序開始須將特殊輔助繼電器M1168置ON。

　　程序執(zhí)行時，若通信超時，則標(biāo)志繼電器M1129置ON，程序由M1129再次觸發(fā)通信指令。

　　若通信時回傳數(shù)據(jù)錯誤，則標(biāo)志繼電器M1140置ON，程序中由M1140再次觸發(fā)通信指令。

　　若通信程序發(fā)送地址錯誤，則標(biāo)志繼電器M1141置ON，程序中由M1141再次觸發(fā)通信指令。

　　通信程序若回傳數(shù)據(jù)無誤，則將接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行處理，然后再將M1129，M1140，M1141復(fù)位，并將接收完畢標(biāo)志繼電器M1123(MODWR通信接收完畢)或M1127(MODRD通信接收完畢)復(fù)位。然后再觸發(fā)下一從機(jī)地址的通信指令。直到從機(jī)的所有通信地址訪問完成后，再循環(huán)訪問從機(jī)的第一個通信地址。

　　3，觸摸屏人機(jī)界面的程序設(shè)計。

　　對于PLC的人機(jī)對話窗口，相對于計算機(jī)(IPC)的高成本和控制面板儀表元件的笨重復(fù)雜，觸摸屏(HMI)是一個非常好的選擇。通過人機(jī)界面的組態(tài)編程對PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，可以讀取改寫數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，也可以對輔助繼電器進(jìn)行位控制，還可以對連續(xù)的位單元組合為字節(jié)進(jìn)行處理。

　　如下圖所示中，可以在人機(jī)界面中對機(jī)床外部輔助功能進(jìn)行控制。也可以顯示PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)，如伺服電機(jī)的脈沖量，通過RS485讀取的變頻器參數(shù)。

　　只要設(shè)置好HMI與PLC的通信協(xié)議，兩者之間即可以進(jìn)行通信，不需要另外編制復(fù)雜的通信程序。在組態(tài)HMI的界面程序時，只要將畫面元件訪問地址設(shè)定為相應(yīng)的PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器或繼電器，兩者即建立相關(guān)聯(lián)系。

　　如果一個屏有若干畫面，可以采用彈出式菜單。選擇相應(yīng)的畫面，進(jìn)入相關(guān)畫面進(jìn)行操作。

　　利用HMI方便的組態(tài)功能，可以對機(jī)床各保護(hù)信號進(jìn)行顯示，如果機(jī)床有報警發(fā)生，可以在HMI界面中顯示出來，并提示相應(yīng)的處理方法。還可以顯示歷史上出現(xiàn)的異常情況，為機(jī)床的檢修提供相關(guān)依據(jù)。使機(jī)床做到最簡便的操作。

　　另外，也可以對機(jī)床的基本操作在HMI上做一個簡略的說明，從而使機(jī)床最大的做到操作界面友善。

四，總結(jié)

　　機(jī)床采用PLC作為主體控制，在實際使用過程中，性能穩(wěn)定，操作使用方便簡單，對于機(jī)床操作員來說直觀易懂，不需要了解數(shù)控編程也可以很快的熟練機(jī)床的加工操作。因此，該方案在專用機(jī)床上的應(yīng)用是比較成功的。

參考文獻(xiàn)：

　　《DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(程序篇)》

　　《SB70系列高性能矢量控制變頻器用戶手冊》

　　《VFD-B使用手冊》