基于嵌入式一體化工控機的仿形車床電氣系統設計

吳 曉，張建生，華 亮

WU Xiao1，ZHANG Jian-sheng2，HUA Liang1

（1.南通大學 電氣工程學院，南通 226019；2.常州工學院 電子信息與電氣工程學院，常州 213002）

0 引言

活塞環加工專機是內燃機制造行業的專用機床。活塞環內外圓同時仿形車銑組合機床（以下簡稱仿形車）采用內外園同時仿形，并一次走刀完成加工，較好地實現了不同設計要求的活塞環彈力分布，大大縮短了工藝流程，提高了生產效率。避免了工件中的殘余應力，比較容易控制質量[1]。

仿形車原電氣系統使用了PLC、變頻器、伺服驅動等裝置，但控制手段仍采用電位器模擬輸入調節速度[2]，控制精度低。隨著控制技術的發展，對模擬控制的仿形車電氣控制系統的改進需求也就應運而生。

1 電氣控制系統通訊網絡的構建

1.1 系統改進的要求

仿形車原來的電氣控制系統以PLC為核心，運行速度通過外接輸入電位器設置，而轉速和進給速度通過PLC驅動LED數顯裝置加以顯示。原系統的結構如圖1所示。

圖1中變頻器1用于控制車床主軸轉速，伺服裝置則用來精確控制刀具的進給速度，變頻器2用于銑床刀具的進給速度。它們都用電位器來調節運行速度。主軸轉速、進給速度通過PLC對光電編碼器脈沖進行計數、處理，再驅動顯示裝置[2]。

隨著各種控制部件性能的不斷提升，對原系統提出了新的要求：采用觸摸屏作人機界面并實現全數字化控制。具體內容是：數據的傳輸及對變頻器、伺服放大器、PLC的控制通過網絡化實現，所有按鈕（除急停鈕外）都由觸摸屏實現。

圖1 原系統原理結構圖

1.2 通訊網絡的結構設計

系統具有5臺4種部件裝置——觸摸屏、PLC、變頻器（2臺）和伺服放大器，其中PLC、變頻器與伺服放大器各自具有各自的通訊協議，無法通過把所有設備均掛接在一個網絡上實現觸摸屏與上述部件均可交換信息的控制要求。這就要求PLC要有多個通訊接口。觸摸屏設置和顯示的參數，通過PLC下送和上傳；但小型PLC從實用和經濟性上考慮通常不宜多于2個通訊接口，同時考慮到觸摸屏一般也能提供2個串行接口，故系統設計以觸摸屏為中心，同時充分利用PLC的兩個通訊接口如圖2所示。

圖2 系統通訊結構圖

圖2中觸摸屏—PLC—伺服放大器，組成了第一條通訊鏈路。而觸摸屏－變頻器則形成第二條通訊鏈路，巧妙地避開了變頻器與伺服放大器接在同一通訊接口上，無法運行不同通訊協議帶來的矛盾。

圖3 PLC與伺服放大器通訊程序流程圖

觸摸屏選用MCGSTPC嵌入式一體化工控機，是以主頻400MHzCPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏[3]。觸摸屏與PLC采用其RS-232串口，而觸摸屏與兩臺變頻器采用其RS-485串口，組成變頻器通訊網絡，兩臺變頻器分別設為0號站與1號站，同一時刻僅有一臺變頻器與觸摸屏進行通訊[4,5]。PLC和伺服放大器是三菱FX2N和J3系列[6]。

2 通訊數據傳輸的軟件組態

2.1 PLC與伺服放大器通訊程序的設計

2.1.1 通訊格式參數的設置

設備之間通訊成功的基礎是遵守相同的通訊協議，首先是要有相同的通訊格式。伺服放大器的通訊格式可通過參數PC20、PC21設置改變[6]。PLC的通訊格式通過D8120特殊單元的設置來完成[7~9]。

2.1.2 通訊程序的設計

伺服放大器的通訊采用的是主-從通訊方式，伺服放大器為從站[6]。通訊程序流程如圖3所示。

圖3中在對PLC進行了一些初始化設置后，首先判斷是讀出轉速數據還是設置參數，對于讀出轉速數據，由于是固定的讀取轉速數據，所以只是發送一串固定的讀轉速數據指令同時等待伺服返回相應的轉速數據即可，圖4為其關鍵程序語句。

圖4 讀取伺服放大器轉速數據的部分程序

圖3中對于設置參數的處理比較復雜，設置了多重保險措施。首先是按照通訊協議要求設置寫入參數的參數組號，而后寫入數據，寫入后為了保證寫入數據的正確性，又重新把寫入的數據讀出，與要寫入的數據相比較，相同時才認為參數設置成功（圖3（a））。其次這里每進行一步通訊均要判斷通訊本身正確與否，在正確的前提下才轉入下一步，也正因為如此，這里過程其實是一步進順序過程，可以使用步進順序指令實現，圖5為其簡化了的形式化SFC圖。再次，進入設置參數后設置了一個標志（圖5中為M301），直到認為設置成功才把該標志復位，與此同時采取了一個類似于“看門狗”的措施：即對M301置位的時間計時，計時超過一定時間后則認為通訊失敗，報警要求操作者采取相應措施加以解決（參圖3（b））。

圖5 設置參數的簡化SFC圖

2.2 觸摸屏與PLC、變頻器之間通信參數的設置

由于通訊鏈路的其它通訊軟件是基于觸摸屏中的設備構件（相當于設備驅動程序），所以只要正確設置設備構件中的參數與PLC、變頻器中通訊格式參數一致即可。在一個父設備下掛接三菱PLC編程口設備，在另一個父設備下掛接兩臺三菱變頻器設備[10]。設備組態界面如圖6所示。必須注意所掛接的兩臺變頻器通訊站號分別為0和1。

圖6 觸摸屏設備組態畫面

通訊格式參數完全遵守PLC編程口通訊格式要求和三菱變頻器串行通訊格式要求，在設備構件的屬性中設置[10]。

值得推敲的是設備構件中變量連接以及觸摸屏的人機工作界面的設計。由于要顯示各設備的實時速度和設置其要求的運行速度，所以設置了相關變量并與設備的有關通道相連接，如表1所示。

表1 觸摸屏與通訊相關參數的設置

表中由于伺服放大器的參數是通過PLC傳遞的，所以表中伺服放大器的相關參數均連接到PLC的相應數據寄存器的通道上。

根據仿形車工作的需要，主軸起停過程中要控制不同的運行速度[11,12]，因此，在不同的工作狀態對設定速度和運行命令賦不同的值，通過觸摸屏的設備驅動通訊實現對變頻器的控制。其中由于設定速度經常在變化，所以選用設置RAM頻率形式。圖7為運行時的人機界面，圖中三個速度顯示標簽分別與三個實際速度變量連接，反映了實際工作時仿形車的工作狀況。

圖7 系統工作運行時的人機界面圖

3 結束語

在機床電氣控制系統中應用嵌入式系統和網絡技術是柔性制造系統先進性標志之一。本文的研究表明：以嵌入式一體化工控機（觸摸屏）為核心，雙串行通訊鏈路的網絡架構，是在對活塞環仿形車電氣控制系統中觸摸屏，PLC，變頻器和伺服放大器等設備的通訊功能認真研究的基礎上，充分利用觸摸屏及PLC自身有限的通訊資源而提出的，簡化了系統結構，降低了成本，提高了系統的技術含量和可靠性。實際工作中，按照文中方法進行硬件和軟件組態構建的以觸摸屏為中心，觸摸屏與變頻器、伺服放大器、PLC可同時通訊的網絡化電氣控制系統運行情況良好，獲得了用戶的首肯，并對類似系統的設計有一定的參考意義。

[1]王琥.活塞環外圓全數控精密車削加工檢測系統的研制[D].長沙：湖南大學,2001.

[2]吳曉,堵俊.活塞環仿形車、銑組合機床PLC控制的研究[J].南通工學院學報,1999,15（4）：5-8.

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