HMI技術實現通用感應淬火自動控制

莊淑君 姚旭東

（洛陽理工學院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023）

HMI技術實現通用感應淬火自動控制

莊淑君 姚旭東

（洛陽理工學院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023）

基于人機界面觸摸屏（HMI）與可編程序控制器（PLC），配套相應的組態軟件，通過傳感與通信技術，完成填表式參數設定、操作平臺及實時信息監控等界面設計，從而實現感應淬火裝備對工件感應熱處理的通用性與自動化。

通用感應淬火 HMI 填表式參數設定 PLC 組態軟件

在汽車、工程機械、機床行業的感應熱處理中，需對動力輸出從動軸、半軸、凸輪軸等各種軸類零件，以及齒輪類、環類、平面類等關鍵零部件進行表面淬火，以改善和提高零件性能。通用感應淬火裝備的通用性與自動化控制，對于節省成本，提高感應淬火效率和質量具有非常關鍵的作用。

觸摸屏是連接人和機器的人機界面（Human Machine Interface簡稱HMI）。通過相應組態軟件設計，可對工件感應淬火參數進行現場實時填表式設置，實現工件感應淬火的通用性。應用HMI替代傳統控制面板、鍵盤及顯示器，可對感應淬火裝備實現智能化可視操作及實時、歷史信息監控，從而實現系統操作控制的自動化。

1 通用感應淬火裝備控制系統組成設計

利用觸摸屏HMI，結合可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），配套相應組態軟件設計，通過傳感與通信，可實現參數現場填表式設定，實時曲線、動畫與歷史數據再現，將操作顯示集為一體，從而實現工業控制自動化。其組成框圖如圖1所示。

在控制系統中，觸摸屏HMI與PLC構成系統的上位機與下位機。通過HMI填表式參數設定，將運行參數寫入PLC的存儲區域進行運算處理。PLC對現場數據的實時采集與處理，以“變量”方式實現運算處理單元與機械設備或過程之間的通信，并根據需要精確地把機械設備動作或過程參數映射在運算處理單元上，完成對整個系統自動控制。

應用HMI技術的通用感應淬火自動控制系統主要由可編程序控制器，HMI觸摸屏、配套的組態軟件、以及相應的傳感器、通信接口等組成。其系統原理圖如圖2所示。

觸摸屏（HMI）承擔感應淬火工藝流程監控、即時填表式參數輸入、實時淬火數據及狀態顯示、生產管理、發布生產操作命令、資料存儲、打印等作用。PLC的功能是采集現場信息，通過通信及時向HMI傳送各類實時感應淬火狀態和數據，并通過HMI以直觀形象的曲線和動畫形式實現實時顯示，并根據程序運行結果，通過HMI觸摸屏發布指令控制設備操作，實現感應淬火裝備的通用性與自動化。

組態軟件設計形成不同功能的HMI界面。通過HMI對需要調試的10余個工藝參數（電壓、電流、加熱功率、加熱時間、掃描速度、旋轉速度等）進行即時填表式觸摸設定。通過PLC現場采集電流、電壓進行能量分析計算，對功率密度、溫度等實施現場組態監控，實現感應加熱和冷卻過程溫度梯度的優化控制及能量監控，更好地解決各類工件感應淬火中淬硬層不連續的問題。縮短特殊工件工藝調試周期，并保證批量工件淬火質量的一致性。

2 通用感應淬火裝備控制系統軟件設計

根據通用感應淬火自動控制的要求，選用性價比較高的HMI（觸摸屏）、PLC及相應組態軟件。通過調用組態元器件、啟用配方及運用宏指令功能，設計感應淬火通用性、自動化的HMI界面。結合PLC軟件程序設計，完成通用感應淬火的自動控制。

2.1 即時填表式參數設定實現系統的通用

啟動配方、調用組態按鈕及數值輸入，設計工藝管理即時填表式參數設定界面，實現系統的通用，如圖3所示。

將觸摸屏一部分內存劃分為若干個等量存儲空間區域，每個區域形成相應的獨立配方，一個配方對應于一個工件，所有的工件具有唯一對應的編號。每一配方由二維表格構成，根據工件感應淬火工藝要求設定11個參數，構成表格的列；根據零件感應淬火不同工藝區段的個數，形成表格的行。在HMI界面上，輸入需感應淬火的工件編號，對應其相應配方，可觸摸實現現場即時填表式參數設定和修改。執行過程中直接觸摸設置的“下載”、“上載”鍵即可實現HMI－PLC，或PLC－HMI的工藝參數數據傳輸或存儲。因此在同一個工件上，可自動實現同時淬火、連續掃描淬火、分段同時淬火、分段連續掃描淬火的工藝。最多可構成千余種工件的淬火工藝存儲，方便隨時選擇。

利用填表式界面可對各種工件工藝參數進行觸摸填表設置，操作簡單方便。尤其在通用感應淬火工藝研究實驗中，可以根據參數變化趨勢及監控信息不斷即時修改上百個工藝參數，在最短工藝研究周期獲得最優化工藝參數，降低工藝試驗成本，并提高感應淬火質量的一致性。

2.2 控制與監測實現系統的自動化

2.2.1 系統的控制管理

通過換畫面組態設計，設定9個切換畫面按鈕對照相應的管理畫面。實現可以根據需要在屏幕上直接觸摸，選擇感應淬火生產過程所需的各種控制、監測操作。構成通用感應淬火裝備整個控制系統的操作管理。其界面如圖4所示。

2.2.2 實現直觀、便捷的機床操作

通過系列組態按鈕及狀態信息顯示設計，分配相應的PLC地址。在HMI上通過觸摸操作按鈕，形成相應信息傳輸給PLC，完成設備相關操作，并顯示相應工作狀態信息，從而替代傳統的按鈕開關面板操作。其界面如圖5所示。

在“工件編號”中輸入被加工的工件號，并選擇工作方式為自動循環或半自動循環，按“啟動按鈕”，系統將自動下載所選工件（已編制存儲的）淬火工藝參數到PLC中，PLC按當前段設定的工藝參數控制淬火裝備對工件自動進行感應淬火并顯示當前工作狀態。需要時也可選擇手動方式進行調整操作。

2.2.3 實時信息、歷史數據再現

使用組態曲線、數值輸入輸出，采用相應傳感器監測現場信息，通過PLC與HMI的通信，運用HMI組態宏指令實時運算、分析處理，設計各監測曲線界面。實現通用感應淬火關鍵信息實時及歷史顯示，方便監測，提供控制依據，提升通用感應淬火設備作業過程的可追溯性，形成感應淬火的自動控制。

如動力輸出從動軸軸徑變化大（約30 mm），感應淬火時，轉換段的均勻連續淬硬是感應淬火自動控制的技術關鍵。工藝參數設定后，需要通過實時監控功率密度等參數的分布及趨勢及時調整工藝參數，以提高淬火效率，控制成本，保證和提高淬火質量。

圖6為通用感應淬火過程功率監控應用于動力輸出從動軸的實例。通過理論計算設定基準功率，在功率監控過程中，根據實際功率相對于基準功率的分布狀況，對工件各段上工藝參數的設定進行及時分析、控制，從而提供滿足工件淬硬質量要求所需的能量。

設計工作實時動畫、故障報警、打印等界面，進一步完善通用感應淬火自動控制。

2.3 PLC控制程序設計

對于各種工件實現通用感應淬火，其不同淬火區段根據當前段工藝參數要求，采用循環執行同一段PLC程序的方法，實現感應淬火工藝的自動控制。各淬火區段的工藝要求雖各有不同，但每段共享工藝參數的個數相同，在工藝參數設定時進行相應處理。如對于不同區段的同時淬火，只是將相應各區段的移動距離、移動速度設定為0即可實現。因此只需自動循環同一段PLC程序，就可自動實現不同區段的連續掃描淬火、同時淬火、分段連續掃描淬火、分段同時淬火等多種工藝過程，大大簡化了感應淬火通用、自動控制的PLC程序編制。其程序流程如圖7所示。

3 結語

利用HMI技術實現通用感應淬火自動控制，集控制、操作、顯示為一體，實現各種工件感應淬火的自動化和通用性，提高感應淬火效率和質量。通過對大變徑軸類零件感應淬火的工藝試驗應用，解決了其硬化層不連續的難題。并以最短的工藝研究周期，獲得了最優的工藝參數。相應課題《大變徑軸類零件感應淬火新工藝中控制技術的研究》2009年底通過河南省科技廳鑒定為國內領先水平。在實際生產中，此控制系統具備將每個工藝流程參數與已檢驗合格的標準樣件做比對，超差就報警。同時對設備狀況實時報警監控，避免超差產品的流出，尤其適合于在大批量工件感應熱處理生產中的推廣應用。

［1］魏克新.自動控制綜合應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2007：207 －245.

［2］嚴盈富.觸摸屏與PLC入門［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［3］臺達公司.DOP系列人機界面應用技術手冊［Z］.臺北：臺達公司，2007.

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The Adoption of HMI to Achieve Automatic Control for All－purpose Induction Hardening

ZHUANG Shujun，YAO Xudong
（Department of Electrical Engineering and Automation，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，CHN）

莊淑君，1962年生，女，副教授、主要從事自動控制教學與研究，發表文章10余篇。

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2010－03－29）

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