高精度玻璃切機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究

師藝杰，李曉，劉順，董必文（中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，山西太原，030051）

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高精度玻璃切機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究

師藝杰，李曉，劉順，董必文
（中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，山西太原，030051）

摘 要：為了提高原材料的利用率、降低能耗及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)了基于施耐德M218PLC的高精度玻璃切機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)以施耐德PLC為控制器，通過(guò)Modbus協(xié)議與觸摸屏建立信息交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，系統(tǒng)通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊TM2AMM3HT采集信號(hào)，利用脈沖串輸出（Pulse Train Output，PTO）驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器Lexium23D；同時(shí)采用兩臺(tái)不同頻率的變頻器（ATV312）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用這種設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)玻璃的定長(zhǎng)、定標(biāo)、變頻傳送、伺服精確切割、故障顯示和實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：M218PLC；Modbus通訊協(xié)議； ATV312；玻璃切機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

引言

隨著城市生活節(jié)奏的加快，生活水平的提高，人們對(duì)玻璃的等級(jí)、質(zhì)量、種類(lèi)等方面的需求與日俱增，玻璃正廣泛用于醫(yī)療、日用、化學(xué)、建筑、電子、儀表及核工程等領(lǐng)域［1］。玻璃生產(chǎn)中，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，原有的純?nèi)斯どa(chǎn)的流水線工作逐步被代替。切割加工技術(shù)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，正向著高精度、高定位和高速度方向發(fā)展。因此，對(duì)于高精度玻璃切機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究變得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)的高精度玻璃切機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制，而且定位精準(zhǔn)、速度較高。伺服系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合可以使切割精度和切割速度達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，加之伺服系統(tǒng)中的位置模式、速度模式均采用閉環(huán)控制，可以使伺服電機(jī)（內(nèi)置高精度的編碼器）帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載高速運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

高精度玻璃切機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以（PLC）為核心控制單元，結(jié)合觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的玻璃切割，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是在一個(gè)工作平面上，將玻璃用吸附法固定在平面上開(kāi)始上料，然后三軸控制切割頭動(dòng)作，通過(guò)X軸和Y軸雙向移動(dòng)確定機(jī)器的行走方向，通過(guò)Z軸的旋轉(zhuǎn)控制轉(zhuǎn)刀角度，利用水壓和彈簧共同控制下刀力度，最后實(shí)現(xiàn)出料。控制部分采用施耐德PLC控制器，驅(qū)動(dòng)部分采用施耐德伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)。

機(jī)器的位移精度高達(dá)0.01mm，利用伺服控制水刀切割，切割速度快，切面光潔、圓滑、無(wú)爆邊，切割后不需要或易于二次加工［2］。通過(guò)超高壓發(fā)生器將水增壓到300MPa以上，通過(guò)專(zhuān)用的寶石噴嘴高速噴出，對(duì)材料進(jìn)行切割加工，非常符合環(huán)保要求。

2 硬件模塊

系統(tǒng)硬件均采用施耐德電氣的相關(guān)設(shè)備，其配置及各組成部分的性能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件配置

①TM218LDAE24DRHN（M218 PLC）具備高速計(jì)數(shù)、脈沖輸出、模擬量I/O點(diǎn)、支持Modbus串口通信、SoMachine通訊協(xié)議和以太網(wǎng)通信具有高速計(jì)數(shù)的功能：4點(diǎn)快速輸入，可作為2路A/B相或4路單相100KHZ高速計(jì)數(shù)，可以控制多軸定位；

②HMIGXO系列的觸摸屏HMIGXO3501可以通過(guò)Modbus和SoMachine通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通信，而且HMIGXO3501小而方便，可用于程序的下載、存儲(chǔ)以及備份［3］；觸摸屏與M218PLC通信接線方式如圖3所示。

圖3 通信接線方式

③ATV312變頻器主要用于功率范圍在0.18 到15KW的三相異步電機(jī)，可以給比變頻器功率低的任意電機(jī)供電［4］。擁有6個(gè)邏輯輸入、3個(gè)模擬量輸入、1個(gè)邏輯/模擬量輸出和2個(gè)繼電器輸出，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多段速控制（可預(yù)設(shè)16段速）、PID調(diào)節(jié)等，同時(shí)集成了Modbus、CANopen通信協(xié)議；

④伺服驅(qū)動(dòng)器LXM23驅(qū)動(dòng)裝置是施耐德廠家一種性價(jià)比高、控制精度高的伺服驅(qū)動(dòng)器［5］。外形緊湊，具有2通道模擬量輸入端（+/-10V）和脈沖接口、通過(guò)集成HMI進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)試、可運(yùn)行的模式主要有Jog（寸動(dòng)模式）、內(nèi)部位置模式、速度控制模式、力矩控制模式［6］；內(nèi)置8個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，可通過(guò)脈沖、模擬量和I/O信號(hào)控制、8路數(shù)字輸入、4路數(shù)字輸出、2路模擬輸出和2路模擬輸出；

⑤根據(jù)機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)選定伺服電機(jī)BCH1802N32A1C。

3 軟件模塊

3.1 編程軟件

編程選用施耐德公司研發(fā)的SoMachine軟件，通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)程序來(lái)對(duì)可編程邏輯控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等相關(guān)硬件進(jìn)行編程調(diào)試，可以不受限制在統(tǒng)一軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)一套完整的解決方案。同時(shí)支持所有IEC61131-3的編程語(yǔ)言，包括梯形圖（LD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、順序功能圖（SFC）、連續(xù)功能圖（CFC）、指令表（IL），功能塊圖（FBD）6種編程語(yǔ)言，支持多種通信協(xié)議［7］。

3.2 程序模塊

PTO通過(guò)實(shí)施數(shù)字技術(shù)來(lái)精確執(zhí)行定位任務(wù)，PTO通常用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，為指定的脈沖數(shù)和頻率提供方波輸出，其加速度和減速度可控［8］。

在SoMachine編程軟件中實(shí)現(xiàn)PTO脈沖控制，需使用軟件功能庫(kù)提供的PTOSimple、PTOMoveRelative和PTOStop等功能塊。其中，功能塊PTOSimple主要用于管理PTO，每個(gè)PTO脈沖控制系統(tǒng)工作時(shí)必須先調(diào)用該功能塊；功能塊PTOMoveRelative用來(lái)表示相對(duì)于當(dāng)前位置移動(dòng)一定的距離（一般用PTO脈沖數(shù)表示），通常也被稱(chēng)為相對(duì)位置控制模式，此功能塊可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速度、運(yùn)動(dòng)的距離、運(yùn)動(dòng)加速度和減速度；功能塊PTOStop主要用于終止當(dāng)前的PTO控制模式，當(dāng)功能塊PTOStop的使能端使能后，PTO運(yùn)動(dòng)模式不論處于哪種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都會(huì)終止當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)PTO脈沖輸出控制伺服驅(qū)動(dòng)器達(dá)到玻璃長(zhǎng)度的精確控制，同時(shí)控制系統(tǒng)的定長(zhǎng)模式、對(duì)標(biāo)模式和尋標(biāo)模式。

3.3 程序設(shè)計(jì)

3.3.1 模擬量輸出控制變頻器程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)工作模式下，根據(jù)送料高光電、送料低光電的工作狀態(tài)，通過(guò)主電機(jī)的輸出頻率確定副電機(jī)的工作頻率；手動(dòng)工作模式下，用戶可以根據(jù)需要設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。部分參考程序如圖4所示。

圖4 控制變頻器程序

3.3.2 PTO脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)器程序設(shè)計(jì)

①自動(dòng)操作伺服的模式下，定長(zhǎng)、對(duì)標(biāo)、尋標(biāo)模式參考程序如圖5所示。

圖5 控制伺服驅(qū)動(dòng)器程序

②手動(dòng)操作伺服的模式下，主要有伺服點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)模式和反轉(zhuǎn)模式，參考程序如圖6所示。

圖6 手動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)器程序

③停止PTO工作模式下，為了中止正在進(jìn)行的所有運(yùn)動(dòng)，添加停止程序，參考程序如圖7所示。

圖7 停止PTO工作程序

3.3.3 生產(chǎn)速度測(cè)量單元程序設(shè)計(jì)

凸輪接近開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間其實(shí)就是設(shè)備的送料速度，通過(guò)測(cè)量凸輪接近開(kāi)關(guān)的平均頻率SpdNow_Hz就可以得到送料速度，即為設(shè)備的運(yùn)行速度。參考程序如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)速度測(cè)量單元程序

3.3.4 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)處理程序設(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)一些錯(cuò)誤警報(bào)信息時(shí)，可以通過(guò)錯(cuò)誤復(fù)位功能消除一些錯(cuò)誤信息。參考程序如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)處理程序

4 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)操作運(yùn)行界面

計(jì)數(shù)的次數(shù)、批次和速度值設(shè)定好之后，機(jī)器將自動(dòng)送料，期間可以完成尋標(biāo)、定標(biāo)和定長(zhǎng)功能，也可以選擇點(diǎn)動(dòng)送料。運(yùn)行界面如圖10所示。

圖10 運(yùn)行界面

4.2 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

此界面可以遠(yuǎn)程設(shè)置長(zhǎng)度、偏差補(bǔ)償、每批的計(jì)數(shù)值、快速比和慢速比的參數(shù)和變量。參數(shù)設(shè)定界面如圖11所示。

圖11 參數(shù)設(shè)定界面

4.3 控制系統(tǒng)I/O變量監(jiān)控

如圖12所示，監(jiān)控界面可以遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障變量。圖12所示的監(jiān)控顯示主電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)急停按鈕動(dòng)作，凸輪接近開(kāi)關(guān)停止動(dòng)作，送料伺服顯示故障。

圖12 I/O變量監(jiān)控

4.4 報(bào)警日志

報(bào)警日志會(huì)將故障顯示在界面，同時(shí)顯示出IO變量，可以方便修理。日志如圖13所示。

圖13 報(bào)警日志

5 結(jié)論

通過(guò)硬件、軟件系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)成功運(yùn)作。系統(tǒng)內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可有效避免故障。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器位置模式的編碼器精度可達(dá)0.01mm，速度可達(dá)3000r/ min，可使控制系統(tǒng)以高精度、高速度方式運(yùn)行。系統(tǒng)的解決方案集成性強(qiáng)，節(jié)省配線工作，而且操作方便，性價(jià)比高，值得業(yè)界參考。

參考文獻(xiàn)

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Research on Remote and Real-time Monitoring System for Glass Cutting Machine of High Precision

Yijie Shi， Xiao Li， Shun Liu， Biwen Dong
（Computer and Control Engineering Academy， North University of China， Taiyuan， 030051， China）

Abstract：In order to greatly improve the utilization rate of raw materials， and reduce energy consumption and labor intensity of workers， a remote real-time monitoring system based on Schneider M218PLC is designed.The monitoring system is based on the model PLC as the controller， establish communication with the touch screen through the Modbus protocol for remote real-time monitoring， In addition ， the system through the analog signal acquisition module TM2AMM3HT； Pulse Train Output servo driver （Lexium23D）， and two different frequency converter of ATV312 to control rotation rate of motor， the system can find the fixed length， calibration， frequency conversion， precision cutting of servo， fault display of glass according to the requirements of users to display， and include timely alarm function.

Key words：M218PLC； Protocol of Modbus； ATV312； Punching Machine； Remote Monitoring

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-200-05

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介：

師藝杰（1992-），男，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

E-mail： 1252191292@qq.com