一、應用背景

　　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用。臺達PLC，是臺達Programmable Logic Controller的縮寫，又名臺達可編程、臺達可編程控制器、臺達可編程序控制等，是臺達為工業(yè)自動化領域專門設計的、實現數字運算操作的電子裝置。 臺達PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

　　如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在范圍，使PLC在惡劣條件消失后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間；如果能在PLC上增加一些診斷措施和適當的保護手段，在性故障出現時，能很快查出故障發(fā)生點，并將故障限制在局部，就能降低PLC的平均修復時間。為此，各PLC的生產廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PLC具有了很強的抗干擾能力。

　　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?；_沿槍鉆鉆頭旋轉的垂直線上下運行。加工時，鉆頭高速旋轉，滑臺帶動工件往下運行，對產品進行鉆孔加工，加工尺寸到位后，滑臺再往上運行，退出工件，關閉動力頭。

　　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置，高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控控制系統(tǒng)（CNC）。CNC（數控機床）是計算機數字控制機床（Computer numerical control）的簡稱，是一種由程序控制的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。

　　鑒于以上原因 ，實現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，定位指令。

　　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。定位小于0.01mm。在電氣控制設計上，一般都設計為0.001mm/P，即0.001mm每脈沖當量。 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。

　　2、 機床人機對話采用控制面板的開關按鈕與觸摸屏接合。工件的加工速度，加工尺寸在觸摸屏上利用參數的形式進行設置。觸摸屏與PLC組態(tài)后，可以對PLC的一些關鍵內部數據時行監(jiān)控，包括實時顯示工件坐標、動力頭電機電流。顯示加工狀態(tài)、關鍵的PLC內部數據或一些故障碼、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可以很方便的實現通信。兩者組態(tài)時，只要設置好兩者之間的通信協(xié)議，觸摸屏即可以讀寫PLC的D、M數據了。

　　3、槍鉆的加工因為工件的材質不同、加工孔徑的大小不一，槍鉆鉆頭的轉速也要求能夠很方便的進行調節(jié)。因此，機床的動力頭轉速采用變頻器進行調速控制。機床控制系統(tǒng)，可以監(jiān)視變頻器的相應狀態(tài)，包括輸出頻率，輸出電壓，負載電流。因此，可以將PLC與變頻器進行RS485通信讀取讀據。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。

　　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試和首件產品的試制，可以分別對輔助功能進行開關，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，開關防護門等相關輔助動作。加工完成后，自動工件松開。

　　三、PLC在專用機床上的控制實現

　　PLC可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。是工業(yè)控制的部分。

　　根據機床控制要求，電氣控制系統(tǒng)以PLC為控制、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、變頻器調速。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內部并非實體上具有這些硬件，而是以內存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并執(zhí)行控制運作。

　　PLC的脈沖輸出頻率直接影響運動定位控制的速度和，是一項非常關鍵的技術指標。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數控還要高，如臺達的DVP-EH2系統(tǒng)的PLC輸出達200KHz。

　　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為脈沖頻率，單位：Hz（赫茲）；δ為脈沖當量，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脈沖當量進行控制，那么，根據式1，PLC的定位速度快為：

　　200000×0.001×60=12000mm/min=12m/min

　　現在很多的微型機，或小型機都有內置高速脈沖輸出功能?？梢赃\用脈沖定位指令實現相對定位、定位。臺達PLC的相對定位指令[D]DRVI或定位指令[D]DRVA。在機床控制中，當電氣做到0.001mm時，則機床的定位范圍在-2147483.648mm~+214748.367mm之間。

　　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試機床時的定位，機床即進給一定量值。單步方式一般采用脈沖相對定位指令[D]DRVI，脈沖定位數量可以在觸摸屏人機界面中設置。相對定位指令格式如下：

　　S1：脈沖輸出數目；（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根據脈沖定位數量的正值/負值自動決定為ON/OFF。當S1為負值時，D2=OFF，當S1為正值時，D2=ON。

　　實現程序如下所示：

　　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脈沖輸出完畢標志，當按下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，并因M21的自鎖而持續(xù)輸出，當定位脈沖數值完成時，脈沖輸出完畢標志置ON，指令條件解除。

　　機床在自動加工時，采用定位指令[D]DRVA。使用[D]DRVA指令之前，需要先進行原點設定，也即在定位指令前，須要將現在的脈沖輸出當前值做出設定，否則定位指令不能執(zhí)行。原點設定可以在PLC上電的初始化中進行設置。

　　原點設定的實現程序如下所示：

　　當機床在定位時，PLC實時的讀取當前的脈沖數，隨時將D1336內的數值讀出到D200進行保存。在機床再次起動時，再將D200內保存的數值送入到D1336中，這樣，就可以在機床關機時，能保持機床的當前坐標。

　　定位指令實現程序如下所示：

　　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動器對輸入脈沖用一個響應頻寬，如果送給伺服電機驅動器的定位脈沖是突變的，有可能會造成驅動器對定位脈沖的丟失。設置脈沖輸出的加減速只要設置脈沖輸出通道相應的加減速時間即可。CH0的加減速時間在特殊數據寄存器D1343中設置。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進行設置，PLC會以出廠默認值100mS執(zhí)行。

　　脈沖輸出加減速實現程序如下所示：

　　D210內數據在觸摸屏界面中進行設置，從而實現以參數的形式對定位加減速進行設置。

　　2、變頻器通信程序的設計

　　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有內置的RS485通信接口。MODBUS通信協(xié)議包含三個層次：物理層，數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層采用了基于RS485的MODBUS通信協(xié)議，應用層即通過MODBUS之RTU模式對變頻器的運行、停機控制和變頻器參數的讀寫操作。

　　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)構成，CRC碼的生成如下：

　　在開始時設置CRC寄存器，并給其賦值FFFF（hex）；

　　將數據的個8-bit字符與16位CRC寄存器的低8位進行異或，并把結果存入CRC寄存器；

　　CRC寄存器向右移一位，MSB（位元）補零，移出并檢查LSB（有效位）；

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

　　重復第3與第4步直到8次移位全部完成。此時一個8-bit數據處理完畢；

　　重復第2至第5步直到所有數據全部處理完成；

　　終CRC寄存器的內容即為CRC值。

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

　　MODBUS數據讀取指令格式如下：

　　S1：從機地址；

　　S2：欲讀取的數據的地址；

　　N：批量讀取數據的長度。

　　MODBUS數據寫入指令格式如下：

　　S1：從機地址；

　　S2：欲寫入的數據的地址；

　　N：批量寫入數據的長度。

　　通信指令各特殊寄存器說明：

　　D1120：通信協(xié)議設置；

　　D1129：通信超時時間設置；

　　D1130：MODBUS回傳錯誤碼記錄；

　　D1070~1085：MODBUS回傳信息數據緩存器；

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

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

　　M1123：MODWR指令執(zhí)行時回傳數據接收完成標志；

　　M1127：MODRD指令執(zhí)行時回傳數據接收完成標志；

　　M1129：通信超時標志；

　　M1140：數據接收錯誤標志；

　　M1141：發(fā)送地址錯誤標志；

　　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。

　　專用機床在做PLC與變頻器的通信時，因為要讀取變頻器內部的狀態(tài)信息，改寫變變頻器的參數。故可以采用步進指令STL。當個變頻器內數據通信完成后，再與第二個數據進行通信。當第二個數據通信完成后，再與第三個數據進行通信，當一個數據通信完成后，再與個數據進行通信。通信程序節(jié)選如下所示：

　　程序中，D240數據由觸摸屏設置RS485的通信協(xié)議。D241數據由觸摸屏設置通信超時時間。程序執(zhí)行時，將D240的數據送入特殊寄存器D1120，D241數據送入特殊寄存器D1129，從而設定RS485的通信協(xié)議和設置通信超時時間。

　　通常，我們上網的方式一般有：利用電話線的撥號﹑xDSL方式；利用有線電視線路的CABLE MODEM方式，或利用雙絞線的以太網方式?，F在，我們又多了一種更方便，更經濟的選擇：利用電線，這就是PLC！ PLC的英文全稱是Power Line Communication，即電力線通信。通過利用傳輸電流的電力線作為通信載體，使得PLC具有極大的便捷性，只要在房間任何有電源插座的地方，不用撥號，就立即可享受4.5~45Mbps的高速網絡接入，來瀏覽網頁﹑撥打電話，和觀看在線電影，從而實現集數據﹑語音﹑視頻，以及電力于一體的"四網合一"！另外，可將房屋內的電話﹑電視﹑音響﹑冰箱等家電利用PLC連接起來，進行集中控制，實現"智能家庭"的夢想。目前，PLC主要是作為一種接入技術，提供寬帶網絡"一公里"的解決方案，適用于居民小區(qū)，學校，酒店，寫字樓等領域。

　　MODRD指令（數據讀取）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，讀取的目標地址內的數據只會存放于以D1073開始的低半位。程序中，如果設置D320的數值為3210H，數據在回傳成功后，回傳的數據會存放于D1070~D1085內，D1070~D1085數據內容如下所示：

　　從表中可以看出，數據內存分為高低兩個半字節(jié)分別進行了存放（D1073、D1074），因此在數據處理時，須要將接收特殊寄存器的兩個字節(jié)的低半字節(jié)數據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)。

　　SMOV（移位傳送）在執(zhí)行時，當控制位M1168為OFF時，數據傳送為BCD碼，當控制位M1168為ON時，數據傳送為BIN值。本通信程序為傳送BIN值碼。

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

　　若通信時回傳數據錯誤，則標志繼電器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。

　　通信程序若回傳數據無誤，則將接收的數據內容進行處理，然后再將M1129，M1140，M1141復位，并將接收完畢標志繼電器M1123（MODWR通信接收完畢）或M1127（MODRD通信接收完畢）復位。然后再觸發(fā)下一從機地址的通信指令。

　　3、觸摸屏人機界面的程序設計

　　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內存數據進行訪問，可以讀取改寫數據寄存器內的數據，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。

　　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的內部數據，如伺服電機的脈沖量，通過RS485讀取的變頻器參數。

　　只要設置好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定為相應的PLC內的數據寄存器或繼電器，兩者即建立相關聯系。

　　如果一個屏有若干畫面，可以采用彈出式菜單。選擇相應的畫面，進入相關畫面進行操作。

　　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，并提示相應的處理方法。還可以顯示歷史上出現的異常情況，為機床的檢修提供相關依據。使機床做到簡便的操作。

　　另外，也可以對機床的基本操縱在HMI上做一個簡略的說明，從而使機床的做到操縱界面友善。

　　HMI是Human Machine Interface 的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面。人機界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介， 它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在 著人機界面。人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存儲單元等，其中處理器的性能決定了HMI 產品的性能高低，是HMI的單元。根據HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于 HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如JB－HMI畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI 產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”到HMI的處理器中運行。

　　四，總結

　　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用是比較成功的。