基于PLC的組合機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 摘 要 以三面銑組合機(jī)床為研究對象,通過對主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的探究以及對機(jī)床的工作過程和控制要求分析,給出了機(jī)床動(dòng)作循環(huán)圖、液壓元件動(dòng)作表;并采用PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),列出了PLC的I/O地址分配表,繪制了PLC的I/O分配圖和單循環(huán)自動(dòng)工作流程圖，編寫PLC控制程序的梯形圖和指令表;由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面（HMI），使整個(gè)控制系統(tǒng)的操作變得簡單，方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。 關(guān)鍵詞:可編程控制器(PLC)；三面銑組合機(jī)床；控制系統(tǒng)；組態(tài)王；人機(jī)界面（HMI）

2、 ABSTRACT Taking three surface milling combination machine tools for research object, and through the main structure and form of movement of exploration and for machine tools work process and control requirements analysis is presented, the machine operating cycle diagram, hydraulic component

3、s action list, And PLC control system design method of software and hardware design, lists the PLC I/O address allocation worksheets, painted PLC I/O assignment graph and single automatic work flowchart, write PLC control program ladder diagram and instructions list, By kingview design human-machine

4、 interface (HMI), make the whole control system operation simple, convenient, greatly improved the system automation degree and practicability. Keywords: programmable controller (PLC)； three surface milling combination machine tools；control system； kingview and human-computer interface (HMI)

5、 目 錄 第1章 三面銑組合機(jī)床概述 1.1 組合機(jī)床概述 1 1.1.1 組合機(jī)床發(fā)展史.........................................................................1 1.1.2 組合機(jī)床部件分類 ...........1 1.2 組合機(jī)床的特點(diǎn) 2 1.3 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)部件 2 1.4 機(jī)床加工工件示意圖 2 1.5 機(jī)床工作過程 3 1.6 組合機(jī)床裝配模型 3 1.7 三面銑組合機(jī)床的電氣控

6、制要求 3 第2章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 PLC的簡介 4 2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 6 2.2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 6 2.2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 7 2.3 PLC的選型 8 2.4 PLC的I/O分配表 9 2.5 PLC的I/O分配圖 9 2.6 變頻調(diào)速器 10 2.6.1 變頻器的概述 10 2.6.2 變頻器原理 11 2.6.3 變頻器的選型 12 2.7 主電路設(shè)計(jì)圖 16 第3章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 PLC的編程語言與編程方法 17 3.1.1 PLC的編程語言 17 3.

7、1.2 PLC的編程方法 18 3.2 PLC編程軟件概述 19 3.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 22 3.4 程序設(shè)計(jì) 23 第4章 基于組態(tài)王的人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 4.1 人機(jī)界面的概述.....................................................................................27 4.2 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 28 4.3定義設(shè)備和連接變量............................................................................3

8、0 4.4 數(shù)據(jù)變量定義 30 4.5 動(dòng)畫連接與命令語言 31 總結(jié)與展望 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 37 附錄 38 V 第1章 三面銑組合機(jī)床概述 三面銑組合機(jī)床是用來進(jìn)行銑銷加工的一種自動(dòng)加工設(shè)備，其作用對象是Z512W型臺(tái)式鉆床主軸箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面。 1.1 組合機(jī)床概述 1.1.1 組合機(jī)床發(fā)展史 二十世紀(jì)70年代以來，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測和刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的快速發(fā)展，組合機(jī)床的加工精度也有很大的提高。銑削平面的平面度可達(dá)0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低達(dá)2.5～0.63微米；鏜孔精度可達(dá)IT7

9、～6級，孔距精度可達(dá)O.03～O.02微米[1]。 　　隨著汽車工業(yè)的興起，專用機(jī)床也逐漸發(fā)展起來。在專用機(jī)床中某些部件因重復(fù)使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產(chǎn)生了組合機(jī)床。 　　最早的組合機(jī)床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了便于用戶使用和維修，提高不同制造廠的通用部件的互換性，美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機(jī)床制造廠于1953年協(xié)商，嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。 1.1.2 組合機(jī)床部件分類 組合機(jī)床通用部件按功能可分為五類。 動(dòng)力部件主要有動(dòng)力箱、切削頭和動(dòng)

10、力滑臺(tái)，是為組合機(jī)床提供主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的部件。 　　支承部件有側(cè)底座、中間底座、支架、可調(diào)支架、立柱和立柱底座等，是用以安裝動(dòng)力滑臺(tái)、帶有進(jìn)給機(jī)構(gòu)的切削頭或夾具等的部件。 　　輸送部件主要有分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、環(huán)形分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度鼓輪和往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)等，是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件。 　　控制部件有液壓站、電氣柜和操縱臺(tái)等，是用以控制機(jī)床的自動(dòng)工作循環(huán)的部件。 輔助部件主要就是有潤滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。 1.2 組合機(jī)床的特點(diǎn) 組合機(jī)床是用按一定規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的通用部件以及按被加工零件的形狀和工藝要求設(shè)計(jì)的專用部件組成的專用機(jī)床。組合機(jī)車是由專用機(jī)床和萬能機(jī)床發(fā)

11、展來的，它結(jié)構(gòu)簡單，又能夠重新調(diào)整，適應(yīng)新工件的加工。 組合機(jī)床與萬能機(jī)床和專用機(jī)床相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1、組合機(jī)床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作可靠，使用和維修方便。 2、組合機(jī)床設(shè)計(jì)和制造的周期短，投資少，經(jīng)濟(jì)效果好。 3、組合機(jī)床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低。 4、組合機(jī)床其通用部件和標(biāo)準(zhǔn)零件可以重復(fù)利用，不必另行設(shè)計(jì)和制造。 5、組合機(jī)床由于采用專用夾具、刀具和導(dǎo)向裝置等，對操作工人水平要求不高，加工質(zhì)量靠工藝裝備保證。 6、組合機(jī)床易于聯(lián)成組合機(jī)床自動(dòng)線，以適應(yīng)大規(guī)模的生產(chǎn)需要。 1.3 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)部件 機(jī)床主要部件包括床身、工作臺(tái)、底座、銑削動(dòng)力頭、液壓動(dòng)力滑臺(tái)、

12、工件松緊油缸、液壓站等組成。機(jī)床床身安放在底座上，床身上安裝有液壓動(dòng)力滑臺(tái)，工件及夾緊裝置放于滑臺(tái)上。床身的兩邊各安裝有一臺(tái)銑銷頭，上方有立銑頭，液壓站在機(jī)床附近。 1.4 機(jī)床加工工件示意圖 如圖1.1所示 圖 1.1 Ф80、Ф90孔端面及定位面 1.5 機(jī)床工作過程 用工作臺(tái)上的夾具固定要加工的零件，其他工作準(zhǔn)備就緒后，發(fā)出加工指令。工件夾緊后壓力繼電器動(dòng)作，液壓動(dòng)力滑臺(tái)（即工作臺(tái)）開始快進(jìn)，到位轉(zhuǎn)工進(jìn)，然后同時(shí)起動(dòng)左銑頭、右1號銑頭開始加工，加工到某一位置，立銑頭開始加工，加工又走一定位置后右1號銑頭停止，右2號銑頭開始加工

13、，加工到終點(diǎn)三臺(tái)電機(jī)同時(shí)停止。待電機(jī)完全停止后，滑臺(tái)退回原位，工件松開，一個(gè)自動(dòng)工作循環(huán)結(jié)束。 1.6 組合機(jī)床裝配模型 零部件間參數(shù)關(guān)系可以反映在零部件相互約束關(guān)系和零部件間可配套約束關(guān)系兩個(gè)方面[2]。 這種描述首先需要確定一個(gè)與其它部件發(fā)生關(guān)系最多的一個(gè)零件或部件為基準(zhǔn)件。以此基準(zhǔn)件為核心，再分別描述其它基準(zhǔn)件的位置關(guān)系，就能構(gòu)建該產(chǎn)品各零部件的位置約束關(guān)系模型。對于組合機(jī)床整機(jī)而言，各個(gè)加工單元都是相對于中間底座或工作臺(tái)布置的，所以可以將中間底座或工作臺(tái)作為基準(zhǔn)件來描述；而對于各個(gè)加工單元來說，則可以側(cè)底座為基準(zhǔn)件來描述該單元內(nèi)部各零部件之間的位置約束關(guān)系。 1.7 三面銑組合

14、機(jī)床的電氣控制要求 三面銑組合機(jī)床有左銑削頭、右銑1號削頭、右銑2號削頭、立銑削頭和液壓泵五臺(tái)三相交流籠型異步電機(jī),設(shè)計(jì)要求如下: (1)機(jī)床有單動(dòng)力頭自動(dòng)循環(huán)工作、點(diǎn)動(dòng)、單循環(huán)自動(dòng)工作三種工作方式。 (2)五臺(tái)電機(jī)均為單向旋轉(zhuǎn)。 (3)要求有電源、油泵工作、工件夾緊與放松和加工等信號指示。 (4)油泵電機(jī)在自動(dòng)加工一個(gè)循環(huán)后不停機(jī)。 (5)必要的聯(lián)鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)。 第2章 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)角度，介紹該項(xiàng)目的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、系統(tǒng)的硬件配置、主電路設(shè)計(jì)等。 2.1 PLC的簡介

15、 PLC實(shí)體圖 PLC（Programmable logic Controller）可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)?？删幊炭刂破魇怯?jì)算機(jī)家族中的一員，它使用了可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺(tái)PLC，并在美國通用汽車公司的生產(chǎn)自動(dòng)裝配在線首次應(yīng)用成功，之后得到迅速發(fā)展[3]。 美國從1971年開始輸出這種技術(shù)，1973年以后，西德、日本、英國、法國相繼開發(fā)了各自的PLC，并廣泛應(yīng)用。二十余年來，P

16、LC的發(fā)展迅猛異常，它的應(yīng)用領(lǐng)域可謂是各行各業(yè)。需要特別指出的是，PLC在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用有十分重要的意義，已成為當(dāng)今世界的新潮流，據(jù)國外有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，用于機(jī)械行業(yè)的PLC銷售額占60％，PLC是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的重要手段，它既能改造傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品成為機(jī)電一體化新一代的產(chǎn)品，又適應(yīng)于生產(chǎn)過程控制[4]。 PLC的特點(diǎn)如下： （1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 電氣控制設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵性能就是高可靠性。PLC的I/O采用了隔離措施，并應(yīng)用大規(guī)模集成電路，故能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，能直接安裝在機(jī)器設(shè)備上運(yùn)行。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間可以達(dá)到30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無

17、故障工作時(shí)間則更長[5]。 （2）編程簡單，易學(xué)易用 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的一種，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，具有一定的電工和工藝知識(shí)的人員可在短時(shí)間學(xué)會(huì)并應(yīng)用自如,只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 （3）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。不同的控制對象，可以采用相同的硬件，只需編制不同的軟件，就可實(shí)現(xiàn)不同的控制。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域，具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，使PLC滲透到了位

18、置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。 （4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短。PLC一般采用模塊結(jié)構(gòu)，又具有自診斷功能，判斷故障迅速方便，維修時(shí)只需更換插入式模塊，因而維修十分方便。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序來改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 （5）體積小，容量大，重量輕，能耗低 ，成本低 目前新出產(chǎn)的超小型PLC品種底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。它可以完成相當(dāng)于200～500個(gè)繼電器組成的系統(tǒng)的控制功能，而其成本

19、僅相當(dāng)于相同功能繼電器系統(tǒng)的（10～30）％，由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)[6]。 PLC的領(lǐng)域大致可歸納為如下幾類。 （1）開關(guān)量的邏輯控制 （2）模擬量控制 （3）運(yùn)動(dòng)控制 （4）過程控制 （5）數(shù)據(jù)處理 （6）通信及聯(lián)網(wǎng) 2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨(dú)立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計(jì)都可以參考圖2.1所示的步驟。 圖2.1

20、 2.2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)原則會(huì)涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為以下4點(diǎn)。 (1)可靠性原則—確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。 (2)完整性原則—最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)要求或機(jī)械設(shè)備的控制要求。 (3)經(jīng)濟(jì)型原則—力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。 (4)發(fā)展性原則—適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。 2.2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)

21、和軟件設(shè)計(jì)。所謂硬件設(shè)計(jì)，是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)即PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分以下6步進(jìn)行[2]。 1、熟悉被控對象 這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)序、動(dòng)作條件、必要的互鎖與保護(hù);電氣系統(tǒng)與機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及各儀表等系統(tǒng)間的關(guān)系;PLC與其他設(shè)備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機(jī)界面，需要顯示的物理量及顯示方式等[7]。 2、評估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是從以下幾個(gè)方面給以考慮。 (1)可靠性要求：當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)在20甚至更少時(shí)，就趨向于選擇PLC控

22、制了。 (2)數(shù)據(jù)處理速度：若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時(shí)，采用PLC控制則非常適宜。 (3)工藝復(fù)雜程度：若工藝要求比較復(fù)雜時(shí),PLC控制具有更大的優(yōu)越性. (4)控制規(guī)模：一個(gè)控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時(shí),特別是開關(guān)量控制的I/O設(shè)備較多時(shí)，最適合采用PLC控制。 3、硬件選擇[8] (1) 系統(tǒng)I/O設(shè)備的選擇。輸入設(shè)備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。 (2) 選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機(jī)型、I/O模塊、容量、電源等的選擇。 (3) 計(jì)

23、數(shù)器、定時(shí)器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。 (4) 繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 4、編寫應(yīng)用程序 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常應(yīng)包括以下內(nèi)容[9]： (1)初始化程序。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對

24、某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程序。 (3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 5、程序調(diào)試 程序調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試2個(gè)階段。 程序模擬調(diào)試是模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。 根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式[5]。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺(tái)PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時(shí)效性較強(qiáng)。 (2)軟件模擬法是在P

25、LC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時(shí)效性不易保證。 2.3 PLC的選型 本機(jī)床控制系統(tǒng)采用的是日本三菱公司的FX2N系編程控制器[6]，根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)床控制系統(tǒng)對輸入輸出的要求，本機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列可編程控制器中的FX2N–80MR-001。該型號的輸入點(diǎn)數(shù)40個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)40個(gè)，輸出形式是R-繼電器輸出[10]（有接點(diǎn)，交流、直流負(fù)載兩用）。不但滿足本設(shè)計(jì)中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)的基本要求，而且為日后本機(jī)床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴(kuò)展空間。

26、 圖 2.2 FX2N系列可編程控制器中的FX2N-80MR-001 2.4 PLC的I/O分配表 本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。 （1）PLC的輸入端口包括自動(dòng)循環(huán)工作按鈕、點(diǎn)動(dòng)按鈕、油泵啟動(dòng)、總停按鈕、SA1等，還包括電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點(diǎn)。 PLC的I/O分配表[11]如下所示： 表2.1 I/O地址分配表 （2）PLC的輸出端口包括運(yùn)行指示燈、交流接觸器、繼電器等。 2.5 PLC的I/O分配圖

27、 圖2.3 PLCI/O分配圖[12] 2.6 變頻調(diào)速器 2.6.1 變頻器的概述 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。 變頻器的分類——按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分

28、為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器等[8]。 2.6.2 變頻器原理 1、變頻器的基本構(gòu)成 變頻器有交-直-交和交-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流；交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)換成直流，然后再把直流轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流。主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成[13]。 整流器主要是將電網(wǎng)的交流整流成直流；逆變器是通過三相橋式逆變電路將直流逆變成任意頻率的三相交流；中間環(huán)節(jié)又叫中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)；由于變頻器的負(fù)載一般為電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，運(yùn)行中中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功

29、功率交換，這種無功功率將由中間環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來緩沖；控制電路主要是完成對整流器的電壓控制，對逆變器的開關(guān)控制以及完成各種保護(hù)功能。 2、變頻器的調(diào)速原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： （2.1） 式中—同步轉(zhuǎn)速;—電源頻率，單位為Hz;—電動(dòng)機(jī)極對數(shù);—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。 從公式可知，改變電源頻率即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速[17]。 對異步電動(dòng)機(jī)實(shí)行調(diào)速時(shí)，希望主磁通保持不變，因?yàn)榇磐ㄌ?，鐵芯利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降；若磁通太強(qiáng)，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。 如何實(shí)現(xiàn)磁通不變？根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值為:

30、 (2.2) 式中—電動(dòng)機(jī)定子頻率，單位為Hz;—定子相繞組有效匝數(shù);—每極磁通量，單位為Wb。 從公式（2.2）可知，對和進(jìn)行適當(dāng)控制即可維持磁通量不變。 因此，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源。 2.6.3 變頻器的選型 根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)床控制系統(tǒng)對電機(jī)的功率、性能等等的要求，本機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FR-F700系列

31、通用變頻器中的FR-F740-22K-CHT1。 變頻器的參數(shù)——變頻器用于單純可變速運(yùn)行時(shí)，可按出廠設(shè)定的參數(shù)運(yùn)即可，若考慮負(fù)荷、運(yùn)行方式時(shí)，必須設(shè)定必要的參數(shù)。對于三菱FR-FR740-22K-CHT1變頻器的性能參數(shù)[8]，可以根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)定，文中僅介紹一些常用的參數(shù)， 有關(guān)其他參數(shù)，請參考附錄或有關(guān)設(shè)備使用手冊。簡單參數(shù)一覽表如表2.2所示[9]： 表2.2 變頻器性能參數(shù)表 參考編號 名稱 單位 初始值 范圍 用途 參照 0 轉(zhuǎn)矩提升 0.1% 6/4/3/2/1.5/1% 0～30% 想進(jìn)一步提高啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，在負(fù)載后電機(jī)不轉(zhuǎn)，輸出警報(bào)（OL

32、），在（OC1）發(fā)生跳閘的情況下使用。 *1 初始值因變頻器的容量不同而不同。 52 1 上限頻率 0.01Hz 120/60Hz 0-120Hz 想設(shè)置輸出頻率的上限與下限的情況下進(jìn)行設(shè)定。*2 初始值根據(jù)變頻器容量不同而不同。 53 2 下限頻率 0.01Hz 0Hz 0-120Hz 想設(shè)置輸出頻率的上限和下限的情況下進(jìn)行設(shè)定 3 基準(zhǔn)頻率 0.01Hz 50Hz 0-400Hz 請看電機(jī)的額定銘牌進(jìn)行確認(rèn) 54 4 多段速設(shè)定（高速） 0.01Hz 50Hz 0-400Hz

33、 想用參數(shù)設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度，用端子切換速度的時(shí)候進(jìn)行設(shè)定。 44 5 多段速設(shè)定（中速） 0.01Hz 30Hz 0-400Hz 6 多段速設(shè)定（低速） 0.01Hz 10Hz 0-400Hz 7 加速時(shí)間 0.1s 5/15s 0-3600s 可以設(shè)定加減速時(shí)間，*3 初始值根據(jù)變頻器的容量不同而不同。 55 8 減速時(shí)間 0.1s 10/30s 0-3600s 9 電子過電流保護(hù) 0.01/0.1A 變頻器額定輸出電流 0～500/0～3600A 用變頻器對

34、電機(jī)進(jìn)行熱保護(hù)。設(shè)定為電機(jī)的額定電流。*4單位范圍根據(jù)變頻器容量不同而不同。 33 60 節(jié)能控制選擇 1 0 0,4,9 作為風(fēng)扇，泵專用，使用時(shí)變頻器的輸出電力變?yōu)樽钚? 56 79 運(yùn)行模式選擇 1 0 0,1,2，3,4,6,7 選擇起動(dòng)指令與頻率指令的設(shè)定方式 58 125 端子2頻率設(shè)定增益 0.01Hz 50Hz 0-400Hz 改變最大的（5V）對應(yīng)的頻率 47 126 端子4頻率設(shè)定增益 0.01Hz 50Hz 0-400Hz 改變20mA輸入時(shí)的頻率

35、 49 160 用戶參數(shù)組讀取選擇 1 0 0,1,9999 使擴(kuò)展參數(shù)有效 50 變頻器的端子——FR-F740-22K-CHT1型變頻器的主接線一般有6個(gè)端子，其中輸入端子R（L1）、S（L2）、T（L3）接三相電源；輸出端子U、V、W接三相電動(dòng)機(jī)，切記不能接反，否則，將損毀變頻器，其接線如變頻器端子接線圖所示。 變頻器端子接線[8]如圖2.5所示： 圖2.4 變頻器端子接線圖[14] 2.7 主電路設(shè)計(jì)圖

36、 圖2.5 主電路設(shè)計(jì)圖 第3章 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本文上一章介紹了本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，本章在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將介紹本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本方法、步驟，編程軟件GX-Developer的介紹以及本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)等。 3.1 PLC的編程語言與編程方法 3.1.1 PLC的編程語言 PLC的編程語言與一般計(jì)算機(jī)語言相比，具有明顯的特點(diǎn)，它既滿足易于編寫，又滿足易于調(diào)試的要求。不管什么型號的PLC，其編程語言都具有以下特點(diǎn)： 1.圖形式指令結(jié)構(gòu)

37、 2.簡化的程序結(jié)構(gòu) 3.簡化應(yīng)用軟件生成過程 4.明確的變量常數(shù) 5.強(qiáng)化調(diào)試手段 總之，PLC的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識(shí)、不需要長時(shí)間的專門訓(xùn)練。 IEC（國際電工委員會(huì)）中的PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)中有五種編程語言：梯形圖編程語言、順序功能圖編程語言、指令語句表編程語言、功能塊圖編程語言、結(jié)構(gòu)文本編程語言[1

38、5]。 其中最常用的就是梯形圖編程語言和指令語句表編程語言。 1、梯形圖編程語言：是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。 注意：梯形圖表示的并不是一個(gè)實(shí)際電路而只是一個(gè)控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實(shí)體，而是“軟繼電器”。每個(gè)“軟繼電器”僅對應(yīng)PLC存儲(chǔ)單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時(shí)，對應(yīng)的繼電器線圈接通，其常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開；狀態(tài)為“0”時(shí)，對應(yīng)的繼電器線圈斷開，其常開、常閉觸點(diǎn)保持原態(tài)。 梯形圖編程格式： （1）梯形圖按行從上至下編寫，每一行

39、從左往右順序編寫。PLC程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。 （2）梯形圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止于繼電器線圈或終止母線（有些PLC終止母線可以省略）。 （3）梯形圖的起始母線與線圈之間一定要有觸點(diǎn)，而線圈與終止母線之間則不能有任何觸點(diǎn)。 2、指令語句表編程語言：助記符語言類似于計(jì)算機(jī)匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達(dá)PLC的各種指令。同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應(yīng)的，可互相轉(zhuǎn)換。 助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中 。 3.1.2 PLC的編程方法 在設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，

40、可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，采用下列不同的方法[16]。 1、解析法 可利用組合邏輯或時(shí)序邏輯的理論，并運(yùn)用相應(yīng)的解析方法，對其進(jìn)行邏輯關(guān)系的求解，然后再根據(jù)求解的結(jié)果，畫成梯形圖或直接寫出程序。解析法比較嚴(yán)密，可以運(yùn)用一定的標(biāo)準(zhǔn)，使程序優(yōu)化，可避免編程的盲目性，是較有效的方法。 2、經(jīng)驗(yàn)法 即是運(yùn)用自己的或別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)前選擇與設(shè)計(jì)要求相類似的成功的例子，并進(jìn)行修改，增刪部分功能或運(yùn)用其中部分程序，直至適合自己的情況。在工作過程中，可收集與積累這樣成功的例子，從而可不斷豐富自己的經(jīng)驗(yàn)。 3、技巧法 技巧法是在經(jīng)驗(yàn)法和解析法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用技巧進(jìn)行編程，以提高編程質(zhì)量。還可以使

41、用流程圖做工具，講巧妙的設(shè)計(jì)形式化，進(jìn)而編制所需要的程序。該方法是多種編程方法的綜合應(yīng)用。 4、圖解法 圖解法是靠畫圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。常用的方法有梯形圖法、流程圖法及時(shí)序圖（波形圖）法。 梯形圖法是基本方法，無論是經(jīng)驗(yàn)法還是解析法，若將PLC程序轉(zhuǎn)化成梯形圖后，就要用到梯形圖法。 流程圖法是用框圖表示PLC程序執(zhí)行過程及輸入條件與輸出關(guān)系，在使用步進(jìn)指令的情況下，用它設(shè)計(jì)是很方便的[16]。 時(shí)序圖（波形圖）法適合于時(shí)間控制電路，將對應(yīng)信號的波形畫出后，再依時(shí)間邏輯關(guān)系去組合，就可很容易把電路設(shè)計(jì)出。 圖解法和解析法不是彼此獨(dú)立的。解析法要畫圖，圖解法也要列解析式，只是兩種方法的側(cè)重點(diǎn)不

42、一樣。 5、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是利用PLC通過上位鏈接單元與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)鏈接，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。該方法需要有相應(yīng)的編程軟件。 3.2 PLC編程軟件概述 三菱PLC編程軟件GX-Developer是三菱通用性較強(qiáng)的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列（包括運(yùn)動(dòng)控制CPU）、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。該編程軟件能夠?qū)⒕庉嫷某绦蜣D(zhuǎn)換成GPPQ、GPPA格式的文檔，當(dāng)選擇FX系列時(shí)，還能將程序存儲(chǔ)為FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文檔，以實(shí)現(xiàn)與FX-GP/WIN-C軟件的文件互換[5]。該編程軟件能夠?qū)xcel、Word等軟件編輯的說明

43、性文字、數(shù)據(jù)，通過復(fù)制、粘貼等簡單操作導(dǎo)入程序中，使軟件的使用、程序的編輯更加便捷。 此外，GX-Developer編程軟件還具有以下特點(diǎn)。 （1）操作簡便 ①標(biāo)號編程。 ②功能塊。 ③使用宏定義。 （2）豐富的調(diào)試功能 ①由于運(yùn)用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。通過該軟件可進(jìn)行模擬在線調(diào)試，不需要與可編程控制器連接。 ②程序編輯過程中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，軟件會(huì)提示錯(cuò)誤信息或錯(cuò)誤原因，所以能大幅度縮短程序編輯的時(shí)間。 ③在幫助菜單中有CPU出錯(cuò)信息、特殊繼電器/特殊寄存器的說明等內(nèi)容，所以對于在線調(diào)試過程中發(fā)生錯(cuò)誤，或者是程序編輯中想知道特殊繼電器/特殊寄存器

44、的內(nèi)容的情況下，通過幫助菜單可非常簡便的查詢到相關(guān)信息。 （3）能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接[17] ①經(jīng)由USB接口與可編程控制器CPU連接； ②經(jīng)由串行通信口與可編程控制器CPU連接； ③經(jīng)由CC-Link與可編程控制器CPU連接； ④經(jīng)由MELSEC NET（II）與可編程控制器CPU連接； ⑤經(jīng)由MELSEC NET/10（H）與可編程控制器CPU連接； ⑥經(jīng)由計(jì)算機(jī)接口與可編程控制器CPU連接； ⑦經(jīng)由Ethernet與可編程控制器CPU連接。 GX-Developer編程軟件的操作界面為圖3.1所示，該操作界面大致由下拉菜單、編程區(qū)、工具條、狀態(tài)條、工程

45、數(shù)據(jù)列表等部分組成。需要特別注意的是在FX-GP/WIN-C編程軟件里稱編輯的程序?yàn)槲募?，而在GX-Developer編程軟件中稱之為工程。 圖3.1三菱PLC編程軟件操作界面 與FX-GP/WIN-C編程軟件的操作界面相比，該軟件取消了功能圖、功能鍵，并將這兩部分內(nèi)容合并，作為梯形圖標(biāo)記工具條；新增加了工程參數(shù)列表、數(shù)據(jù)切換工具條、注釋工具條等。這樣友好的直觀的操作界面使操作更加簡便。圖3.1中引出線所示的名稱、內(nèi)容說明如表3.1所示： 表3.1 序號 名稱 內(nèi)容 1 下拉菜單 包含工程、編輯、查找/替換、交換、顯示、在線、診

46、斷、工具、窗口、幫助，共10個(gè)菜單 2 標(biāo)準(zhǔn)工具條 由工程菜單、編輯菜單、查找/替換菜單、在線菜單、工具菜單中常用的功能組成。 3 數(shù)據(jù)切換工具條 可在程序菜單、參數(shù)、注釋、編程元件內(nèi)存這四個(gè)項(xiàng)目中切換 4 梯形圖標(biāo)記工具條 包含梯形圖編輯所需要使用的常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、應(yīng)用指令等內(nèi)容 5 程序工具條 可進(jìn)行梯形圖模式，指令表模式的轉(zhuǎn)換；進(jìn)行讀出模式，寫入模式，監(jiān)視模式，監(jiān)視寫入模式的轉(zhuǎn)換 6 SFC工具條 可對SFC程序進(jìn)行塊變換、塊信息設(shè)置、排序、塊監(jiān)視操作 7 工程參數(shù)列表 顯示程序、編程元件注釋、參數(shù)、編程元件內(nèi)存等內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)這些項(xiàng)目的數(shù)據(jù)的設(shè)定

47、 8 狀態(tài)欄 提示當(dāng)前的操作：顯示PLC類型以及當(dāng)前操作狀態(tài)等 9 操作編輯區(qū) 完成程序的編輯、修改、監(jiān)控等的區(qū)域 10 SFC符號工具條 包含SFC程序編輯所需要使用的步、塊啟動(dòng)步、選擇合并、平行等功能鍵 11 編程元件內(nèi)存工具條 進(jìn)行編程元件的內(nèi)存的設(shè)置 12 注釋工具條 可進(jìn)行注釋范圍設(shè)置或?qū)?各程序的注釋進(jìn)行設(shè)置 3.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 1、設(shè)計(jì)思路 三面銑組合機(jī)床有單循環(huán)自動(dòng)工作、單動(dòng)力頭自動(dòng)循環(huán)工作、點(diǎn)動(dòng)三種工作方式,下面以一個(gè)自動(dòng)工作循環(huán)為例分析單循環(huán)自動(dòng)工作過程控制。 首先將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1扳至“單循環(huán)自動(dòng)工作SA1-1”位置,當(dāng)操

48、作者將要加工的零件放在液壓滑臺(tái)的夾具中后(其他準(zhǔn)備工作就緒),按加工指令按鈕,工件開始夾緊,夾緊后工件壓力繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作,滑臺(tái)開始快進(jìn),原位開關(guān)SQ1復(fù)位;當(dāng)滑臺(tái)壓下滑臺(tái)快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)位置開關(guān)SQ2后轉(zhuǎn)工進(jìn),同時(shí)起動(dòng)左銑頭和右1銑頭開始加工;當(dāng)加工到指定位置SQ3,立銑頭開始加工;又過一定SQ4位置時(shí),右1銑頭停止,右2銑頭開始加工,直到終點(diǎn)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)停止。此時(shí),當(dāng)死擋鐵停留壓力繼電器BP1觸點(diǎn)動(dòng)作后滑臺(tái)自動(dòng)快速退回原位,SQ1受壓,工件松開,一個(gè)自動(dòng)工作循環(huán)結(jié)束[11]。 2、程序流程圖如圖3.2所示 圖3.2 程序流程圖

49、 3.4 程序設(shè)計(jì) 利用主控指令來實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的熱繼電器過載和總停的時(shí)候停止機(jī)床工作。 組合機(jī)床的三種工作方式：單循環(huán)自動(dòng)工作、單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)工作和點(diǎn)動(dòng)工 作，有相應(yīng)的指示燈來顯示工作狀態(tài)。 除了在點(diǎn)動(dòng)工作方式下，當(dāng)加工指令按鈕按下時(shí)，油泵電機(jī)就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)指示燈也會(huì)亮。另外在前兩種工作方式下，油泵電機(jī)在自動(dòng)加工一個(gè)循環(huán)后不停機(jī)。在點(diǎn)動(dòng)工作方式下完成加工就停機(jī)。

50、 當(dāng)工件在滑臺(tái)原位位置且油泵電機(jī)正在運(yùn)行的時(shí)候，才能對工件進(jìn)行“夾緊”和“放松”的操作。在點(diǎn)動(dòng)工作方式下，需按下“工件夾緊點(diǎn)動(dòng)工作按鈕”才能操作。在另外兩種工作方式下，按下“加工指令按鈕”就會(huì)自動(dòng)完成相應(yīng)的操作。 當(dāng)工件完成“夾緊”的操作之后才能進(jìn)行滑臺(tái)的移動(dòng)。在點(diǎn)動(dòng)工作方式下，需按下“滑臺(tái)快進(jìn)點(diǎn)動(dòng)工作按鈕”進(jìn)行滑臺(tái)快進(jìn)的點(diǎn)動(dòng)操作。在另外兩種工作方式下，工件緊壓力繼電器得電就會(huì)自動(dòng)進(jìn)快進(jìn)移動(dòng)。 當(dāng)滑臺(tái)到

51、達(dá)指定位置，就會(huì)進(jìn)行“快進(jìn)”和“工進(jìn)”的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)滑臺(tái)到達(dá)工件加工指定位置，在單循環(huán)自動(dòng)工作方式下左銑電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。在單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)工作和點(diǎn)動(dòng)工作方式下，需按下相應(yīng)的啟動(dòng)按鈕進(jìn)行操作。 當(dāng)滑臺(tái)到達(dá)工件加工指定位置，在單循環(huán)自動(dòng)工作方式下右銑1電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。在單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)工作和點(diǎn)動(dòng)工作方式下，需按下相應(yīng)的啟動(dòng)按鈕進(jìn)行操作。另外在工件到達(dá)右銑1和右銑2切換開關(guān)位置時(shí)，右銑1電機(jī)自動(dòng)停止，此時(shí)右銑2自動(dòng)開始運(yùn)行。

52、 當(dāng)滑臺(tái)工件到達(dá)立銑頭加工區(qū)指定位置，在單循環(huán)自動(dòng)工作方式下立銑電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。在單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)工作和點(diǎn)動(dòng)工作方式下，需按相應(yīng)的啟動(dòng)按鈕進(jìn)行操作。 當(dāng)滑臺(tái)的 工件使“死檔鐵停留壓力繼電器”得電，左銑、右銑1、右銑2和立銑的電機(jī)停機(jī)。同時(shí)，滑臺(tái)快退電磁閥得電使滑臺(tái)快退。 在點(diǎn)動(dòng)工作方式下，完成工件加工并取下工件后，使油泵電機(jī)停止運(yùn)行 第4章 基于組態(tài)王的人機(jī)界面（HM

53、I）設(shè)計(jì) 4.1人機(jī)界面的概述 人機(jī)界面（HMI）監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，人機(jī)界面（HMI）畫面設(shè)計(jì)對于人機(jī)界面（HMI）來說是非常關(guān)鍵的。人機(jī)界面（HMI）畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。 組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它把過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理融于一體，將一個(gè)企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理[17]。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系統(tǒng)

54、，用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個(gè)位置上都可以及時(shí)獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強(qiáng)用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)營管理和故障診斷，到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式大型集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)[4]。 組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成[3]。 工程管理器：工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進(jìn)行搜索、添加、備份、恢復(fù)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個(gè)工程開發(fā)設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動(dòng)畫鏈接、

55、命令語言以及設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具[18]。 運(yùn)行系統(tǒng)：工程運(yùn)行界面，從采集設(shè)備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動(dòng)畫設(shè)計(jì)顯示動(dòng)態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。 一、組態(tài)王的主要功能特性： 1）可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進(jìn)色、豐富的圖庫、動(dòng)畫連接。 2）可以對畫面中的一部分進(jìn)行保存，以便以后進(jìn)行分析或打印。 3）無與倫比的動(dòng)力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動(dòng)畫功能。 4）強(qiáng)大的腳本語言處理，能夠幫助你實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和與決策處理。 5） 變量導(dǎo)入導(dǎo)出功能，變量可以導(dǎo)出到Excel表格中，方便的對變量名稱等屬性進(jìn)行修改，然后再導(dǎo)入新工程中，實(shí)現(xiàn)了變

56、量的二次利用，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。 6）強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存。 7）方便的配方處理功能。 8）全新的WebServer架構(gòu)，全面支持畫面發(fā)布、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布。 9）豐富的設(shè)備支持庫，支持常見的PLC設(shè)備、智能儀表、智能模塊。 二、組態(tài)王的功能：組態(tài)軟件具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，好處之一就是能大大縮短開發(fā)時(shí)間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量。能快速便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖形維護(hù)。組態(tài)王提供了豐富的快速應(yīng)用設(shè)計(jì)的工具。 1、快速便捷的應(yīng)用設(shè)計(jì)；2、靈活簡便的變量定義和管理；3、強(qiáng)大的控制語言；4、豐富的可擴(kuò)充的圖形庫；5、對多媒體的

57、支持；6、采集和顯示歷史數(shù)據(jù)；7、全新的靈活多樣、操作簡單的內(nèi)嵌式報(bào)表；8、配方管理； 4.2 人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì) 雙擊桌面圖標(biāo)，打開工程管理器，如圖4.1所示。 圖4.1 工程管理器 在工程列表區(qū)中選擇任一工程雙擊后或者點(diǎn)擊工程管理器上的 “開發(fā)” 此快捷鍵后，就進(jìn)入了工程的開發(fā)環(huán)境，如圖4.2所示。 圖4.2 工程瀏覽器 圖4.3 雙擊工程瀏覽器中的“主畫面”后，就進(jìn)入了開發(fā)系統(tǒng)的主畫面，本控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)如下圖4.3所示。 4.3 定義設(shè)備和連接變量 在組態(tài)王工程瀏覽器樹

58、型目錄中，選擇“設(shè)備”，在右邊的工作區(qū)中出現(xiàn)了“新建”圖標(biāo), 雙擊，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂υ捒?。在“設(shè)備配置向?qū)А毕碌倪x項(xiàng)中進(jìn)行設(shè)置：設(shè)備安裝“設(shè)備驅(qū)動(dòng)—PLC—三菱—FX2_485—通訊口”—— 給設(shè)備指定唯一的邏輯名稱“三菱PLC00”—— 選擇串口號“COM1”—— 設(shè)備地址設(shè)置指南“0”—— 通信參數(shù)——信息總結(jié)[3]。這樣就完成了設(shè)備定義和連接變量“三菱PLC00” 。 4.4 數(shù)據(jù)變量定義 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是組態(tài)工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)變量的過程[19]。在“數(shù)據(jù)庫”中的“數(shù)據(jù)詞典” 中定義數(shù)據(jù)變量，定義數(shù)

59、據(jù)變量的內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)變量的：變量類型、變量名、變化靈敏度、數(shù)據(jù)類型、初始值、最大值最小值的范圍、連接設(shè)備、寄存器和讀寫屬性等相關(guān)的參數(shù)；數(shù)據(jù)變量定義如圖4.4所示 圖4.4 數(shù)據(jù)變量定義 4.5 動(dòng)畫連接及命令語言 1、動(dòng)畫連接 工程人員在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作的畫面都是靜態(tài)的，那么它們?nèi)绾尾拍芊从彻I(yè)現(xiàn)場的狀況呢？這就需要通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，因?yàn)橹挥袛?shù)據(jù)庫中的變量才是與現(xiàn)場狀況同步變化的[20]。數(shù)據(jù)庫變量的變化又如何導(dǎo)致畫面的動(dòng)畫效果呢？通過“動(dòng)畫連接”——所謂“動(dòng)畫連接”就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系。這樣，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，

60、比如溫度、液面高度等，當(dāng)它們發(fā)生變化時(shí)，通過I/O接口，將引起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，如果設(shè)計(jì)者曾經(jīng)定義了一個(gè)畫面圖素,比如指針與這個(gè)變量相關(guān)，我們將會(huì)看到指針在同步偏轉(zhuǎn)。 動(dòng)畫連接的引入是設(shè)計(jì)人機(jī)接口的一次突破，它把工程人員從重復(fù)的圖形編程中解放出來，為工程人員提供了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制圖形界面，并且由可編程的命令語言連接來增強(qiáng)圖形界面的功能。圖形對象與變量之間有豐富的連接類型，給工程人員設(shè)計(jì)圖形界面提供了極大的方便?！敖M態(tài)王”系統(tǒng)還為部分動(dòng)畫連接的圖形對象設(shè)置了訪問權(quán)限，這對于保障系統(tǒng)的安全具有重要的意義。 圖形對象可以按動(dòng)畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分?jǐn)?shù)等，一個(gè)圖形對象又可以

61、同時(shí)定義多個(gè)連接。把這些動(dòng)畫連接組合起來，應(yīng)用程序?qū)⒊尸F(xiàn)出令人難以想象的圖形動(dòng)畫效果。 以工件的“夾緊”和“放松”的動(dòng)畫設(shè)置為例說明動(dòng)畫連接； 首先在開發(fā)系統(tǒng)中主畫面繪制所需的圖形，如圖4.5所示； 圖4.5 工件繪制 利用動(dòng)畫連接中的“特殊”選項(xiàng)中的“隱含” 就可以實(shí)現(xiàn)對工件的“夾緊”和“放松”動(dòng)畫。 特殊：所有的圖形對象都可以定義閃爍、隱含兩種連接，這是兩種規(guī)定圖形對象可見性的連接。按動(dòng)任一按鈕彈出相應(yīng)連接對話框。 隱含：是使被連接對象根據(jù)條件表達(dá)式的值而顯示或隱含。條件表達(dá)式：輸入顯示或隱含的條件表達(dá)式，單擊“？”可以查看已定義的變量名和變量域。

62、 表達(dá)式為真時(shí)：規(guī)定當(dāng)條件表達(dá)式值為1（TRUE）時(shí)，被連接對象是顯示還是隱含。當(dāng)表達(dá)式的值為假時(shí)，定義了“顯示”狀態(tài)的對象自動(dòng)隱含，定義了“隱含”狀態(tài)的對象自動(dòng)顯示。 先進(jìn)行夾緊的動(dòng)畫設(shè)置，選擇圖形并雙擊，在彈出的“動(dòng)畫連接”對話框中對選項(xiàng)“特殊”中的子選項(xiàng)“隱含”進(jìn)行設(shè)置。如圖4.6所示； 圖4.6 “夾緊”動(dòng)畫設(shè)置接著進(jìn)行放松的動(dòng)畫設(shè)置，選擇圖形并雙擊， 彈出的“動(dòng)畫連接”對話框中對選項(xiàng)“特殊”中的子選項(xiàng)“隱含”進(jìn)行設(shè)置。 圖4.7所示；工件“夾緊”和“放松”運(yùn)行動(dòng)

63、 圖4.6 圖4.7 “夾緊”動(dòng)畫設(shè)置 畫效果如下所示： 圖4.8工件放松的動(dòng)畫效果 圖4.9工件夾緊的動(dòng)畫效果 2、命令語言 組態(tài)王除了在定義動(dòng)畫連接時(shí)支持連接表達(dá)式，還允許用戶編寫命令語言來擴(kuò)展應(yīng)用程序的功能，極大地增強(qiáng)了應(yīng)用程序的可用性。 命令語言的句法和Ｃ語言非常類似，可以說是Ｃ的一個(gè)簡化子集，具有完備的詞法語法查錯(cuò)功能和豐富的運(yùn)算符、字符串函數(shù)、數(shù)學(xué)函數(shù)、系統(tǒng)函數(shù)、控件函數(shù)和SQL 函數(shù)。 命令語言分類： 應(yīng)用程序命令語言：可以在程序啟動(dòng)時(shí)、關(guān)閉時(shí)

64、或在程序運(yùn)行期間周期執(zhí)行。如果希望周期執(zhí)行，還需要指定時(shí)間間隔。 事件命令語言：規(guī)定在事件發(fā)生、存在、消失時(shí)分別執(zhí)行的程序。 熱鍵命令語言：被鏈接到設(shè)計(jì)者指定的熱鍵上，軟件運(yùn)行期間，操作者隨時(shí)按下熱鍵都可以啟動(dòng)這段命令語言程序。 數(shù)據(jù)改變命令語言：只鏈接到變量或變量的域。在變量或變量的域值變化到超出數(shù)據(jù)字典中所定義的變化靈敏度時(shí)，它們就被觸發(fā)執(zhí)行一次。 還有自定義函數(shù)命令語言，畫面、按鈕命令語言 以退出組態(tài)王運(yùn)行環(huán)境的命令語言設(shè)置為例簡單介紹命令語言； 首先在開發(fā)系統(tǒng)中主畫面繪制所需的圖形，如右圖所示； 使用命令語言函數(shù)： Exit() 此函數(shù)使組態(tài)王運(yùn)行環(huán)境退出。 調(diào)

65、用形式：Exit(Option); 參數(shù)[4]： Option: 整型變量或數(shù)值. 0- 退出當(dāng)前程序；1-關(guān)機(jī)；2-重新啟動(dòng)windows. 例如：/*退出組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)：*/ Exit(0); 在編輯完成以上的命令語言后，運(yùn)行系統(tǒng)的時(shí)候只要單擊“退出”按鈕就會(huì)退出組態(tài)王運(yùn)行環(huán)境。 總結(jié)與展望 PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。 組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡單易用的特點(diǎn)，在人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)中深受用戶的喜

66、歡而得到廣泛的使用。 在三菱FX系列PLC和組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了組合機(jī)床控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。PLC技術(shù)應(yīng)用于三面銑組合機(jī)床不僅節(jié)省了大量的電氣元件、導(dǎo)線與原材料 ,而且可靠性高、使用靈活、調(diào)試方便,縮短了設(shè)計(jì)周期,減少了維修工作量,提高了加工零件合格率,具有整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面（HMI），使整個(gè)控制系統(tǒng)的操作變得簡單，方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。 參考文獻(xiàn) [1]史宜巧，孫業(yè)明.PLC技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1. [2]周美蘭.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社.2003. [3]王宇,任思璟,李忠勤.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)出版社.2010.05. [4]周美蘭,周封,王岳宇.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社.2009. [5]劉艷梅. 三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工業(yè)出版社，2009. [6]俞國亮.PLC原理與應(yīng)用(三菱