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床上的應(yīng)用。雙工位深孔鉆機床為我公司開發(fā)生產(chǎn)的重點產(chǎn)品，機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。

　　機床加工的基本原理是：槍鉆鉆頭動力頭平置于機床工作臺，加工件安放于豎直的滑臺上的工件夾具內(nèi)?；_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。

　　機床采用伺服電機控制絲桿滑臺上下運行定位，滑臺往下運行時，對產(chǎn)品進行鉆孔加工，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，由于利用伺服電機定位控制，可以很方便的進行加工速度設(shè)置，高精確地達到鉆孔深度的控制。

　　雙工位深孔鉆機床是兩個工位同時加工，互不干涉。一個機床操作員控制，可以同時進行兩件工件的加工。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)此機床控制要求可以選用PLC進行控制。機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。不需要另加擴展模塊，能夠很方便的實現(xiàn)機床的運動控制。

　　二、控制概要

　　1、機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，方便進行運算，電子齒輪比也容易計算。機械制造上采用精密絲桿傳動（雙螺母滾珠絲桿），也比較容易就能達到0.01的定位精度。

　　2、 機床人機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，方便進行機床的狀態(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行調(diào)節(jié)。因此，機床的動力頭轉(zhuǎn)速采用變頻器進行調(diào)速控制。

　　機床控制系統(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與變頻器進行RS485通信讀取讀據(jù)。同時，PLC對變頻器的速度、運行、停機等可以通過RS485通信進行控制，方便變頻器的控制接線。

　　4、機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，防護門開關(guān)等等。

　　5、機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床的調(diào)試和首件產(chǎn)品的試制，可以分別對輔助功能進行開關(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，機床即進行工件的鉆孔加工，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在專用機床上的控制實現(xiàn)

　　根據(jù)機床控制要求，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對話界面，控制機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。機床總體控制框架如下圖所示：

　　機床電氣控制總框圖

　　1、PLC 在機床上的定位控制

　　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，如臺達的DVP-EH2系統(tǒng)的PLC最高輸出達200KHz，有些甚至更高，如Omron公司的CP1H-Y系列的PLC還達到了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），輸出頻率都達到200KHz。如果采用0.001mm/P脈沖當(dāng)量進行控制，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。完全可以達到機床的控制要求。

　　現(xiàn)在很多的微型機，或小型機都有內(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)間可以達到232，即定位范圍為-2147483648~+2147483647)。在機床控制中，當(dāng)電氣精度做到0.001mm時，則機床的定位范圍在-2147483.648mm~+214748.367mm之間，完全可以滿足機床的控制要求。

　　機床在定位控制中，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，機床即進給一定量值（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上電的初始化中進行設(shè)置。一般使用PLC的啟動正向脈沖對D1336進行數(shù)據(jù)傳送。特殊數(shù)據(jù)寄存器D1336為CH0脈沖的現(xiàn)在值?！?/span>

　　原點設(shè)定的實現(xiàn)程序如下所示：

　　當(dāng)機床在定位時，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進行保存。在機床再次起動時，再將D200內(nèi)保存的數(shù)值送入到D1336中，這樣，就可以在機床關(guān)機時，能保持機床的當(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床能平穩(wěn)地起動停止，另外一個用處是伺服電機驅(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)在觸摸屏界面中進行設(shè)置，從而實現(xiàn)以參數(shù)的形式對定位加減速進行設(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?！?/span>

　　臺達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?！　?/span>

　　專用機床在做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?！?/span>

　　MODRD指令（數(shù)據(jù)讀?。┳x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：

　　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整合為從機地址為3210H的數(shù)據(jù)0057H?！　?/span>

　　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)下一從機地址的通信指令。直到從機的所有通信地址訪問完成后，再循環(huán)訪問從機的第一個通信地址。

　　3、觸摸屏人機界面的程序設(shè)計　

　　對于PLC的人機對話窗口，相對于計算機（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。通過人機界面的組態(tài)編程對PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)進行訪問，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行位控制，還可以對連續(xù)的位單元組合為字節(jié)進行處理?！　?/span>

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

　　只要設(shè)置好HMI與PLC的通信協(xié)議，兩者之間即可以進行通信，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，進入相關(guān)畫面進行操作。

　　利用HMI方便的組態(tài)功能，可以對機床各保護信號進行顯示，如果機床有報警發(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，為機床的檢修提供相關(guān)依據(jù)。使機床做到最簡便的操作。

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

　　四，總結(jié)

　　機床采用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床的加工操作。因此，該方案在專用機床上的應(yīng)用是比較成功的。