OMRONPLC伺服控制系统在薄板V型刨槽机上的设计和应用

1、OMRONPLC伺服控制系统在薄板V型刨槽机上的设计和应用    摘要：使用PLC控制伺服电机的自动化控制在机床加工行业的应用。关键词：OMRON,PLC,HMI,SERVO1引言在不锈钢薄板加工成型的生产中，不锈钢板材直接折边成型会在拐角形成弧角的效果，在某些情况下，人们不需要这种效果。如果在进行薄板的折弯加工之前，首先在薄板上折弯处先开出一道V型沟槽，然后再进行折弯，这样就可以加工出来没有弧边的棱角效果（见图1）。图1工艺流程针对这种应用，人们研制出了“V型刨槽机”，为了提高这种机器摘  要：使用PLC控制伺服电机的自动化控制在机

2、床加工行业的应用。关键词：OMRON, PLC, HMI, SERVO1 引言在不锈钢薄板加工成型的生产中，不锈钢板材直接折边成型会在拐角形成弧角的效果，在某些情况下，人们不需要这种效果。如果在进行薄板的折弯加工之前，首先在薄板上折弯处先开出一道V型沟槽，然后再进行折弯，这样就可以加工出来没有弧边的棱角效果（见图1）。图1 工艺流程针对这种应用，人们研制出了“V型刨槽机”，为了提高这种机器的生产效率和加工精度，必须在机器上安装自动控制系统。本文介绍的是笔者用PLC+HMI+交流伺服电机开发的针对这种“V型刨槽机”的一种控制系统。2 工

3、艺要求由于在这种刨槽机上加工的板材一般都比较薄，为了保证折边处有足够的强度，刨槽的深度不能够很深，所以控制精度要求很精确;同时，为了提高工件的折弯尺寸精度，对沟槽的长度和位置控制也要精确。综合以上因素考虑：整机的设计精度要达到0.01mm。根据工艺技术特点，工件的加工需要在X ,Y, Z三个方向上分别进行控制。其中X轴：沟槽的长度;Y轴：沟槽在板材上的位置;Z轴：沟槽的深度。具体要求如图2所示。图2 具体工艺要求3 控制要求（1）为了降低对操作人员的文化水平的要求，必须简化参数设定，采用友好的人机对话界面，能够方便的控制机器的运行，能够监视机器的运行状态

4、。（2）另外为了提高机器的智能化水平，在本机器上开发了具有文件存储和管理的功能。这样就可以方便的以配方的形式进行不同工件加工参数的管理。数据存储要求以工件的编号作为数据组（可多达50组），每一个工件编号对应一组工件的参数：长度，厚度，刨削起点，开槽位置，沟槽深度（一条沟槽最多可以分10刀进行刨削，每一次进刀深度设定范围在00.99mm）等等。所有的参数可以随时修改，随时存储。加工时，通过设定工件的编号来调用参数（见图3），也可以按照重新设定的新参数来加工工件。图3 工件参数操作界面（3） 机器的工艺控制上要求机床有手动和自动功能。手动时，机床每次只在一个固定的位置（可以任意

5、设定）上刨一道槽。自动时，机床可以根据设定的工件号调用长度，厚度，刨削起点，开槽位置，沟槽深度等参数，在板材上自动刨出合乎要求的沟槽。图4示出操作界面。图4 操作界面4 方案确定综合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求较高（0.01mm），所以应当采用步进电机或者是交流伺服电机作为执行机构。控制系统可以有多种选择：数控系统;计算机+运动控制卡;HMI+PLC等。（1）执行机构的选型步进电机的优点是价格要比交流伺服电机便宜，缺点是它高速力矩特性较软，会限制运行速度的提高，从而影响机器的工作效率的提高。而交流伺服电机则能够胜任高速运行，所以从提高工作效率的角度来说选择交

6、流伺服电机作为执行机构能够提高设备的适用范围，从而提高设备的市场竞争能力。（2）控制系统的选型专门的数控系统优点是功能很全面，适用于复杂的运动控制，价格比较高，最重要的是它对操作人员的要求比较高，而在这里的控制程序单一，不需要操作人员经常的改变控制程序，所以不适合用在小型机床。（3）微型计算机+运动控制卡这种方案硬件成本比前者要低一些，但是控制软件的稳定性对操作系统依赖性很强，操作系统一旦瘫痪，将直接影响生产的进行。另外计算机对环境要求高，体积大，可移动性差，不适合安装在小型机床上。HMI和PLC 本来就是面向工业环境设计的高稳定性产品，物理尺寸非常适合安装在小型机床上，价格上也比较

7、便宜。控制软件开发采用简单易学的LD梯形图语言，控制系统软件的开发，调试很容易，PLC运行非常稳定，几乎不需要程序维护。比较而言: HMI+PLC的方案应该是最好的选择 。5 硬件系统硬件方案图（见图5）。图5 系统方案图5.1 控制回路包括按钮，指示灯等。二次回路采用DC24V，串入急停按钮控制动力回路接触器，直接控制供电系统的安全运行。5.2 供电系统伺服驱动动力电采用AC380V供电，由接触器控制。一台可以输出电压为DC24V的开关电源。提供人机界面电源、PLC的输入信号电源。二次控制回路单独使用另一路DC24V开关电源。伺服动

8、力电源是三相AC220V的制式，所以要提供一台380-220干式变压器，作为电压的转换。PLC电源是AC220V等级的，可以从AC380取一相使用，但考虑到电源隔离以后，电源的质量有一定的提高，对PLC有利，因此从380-220干式变压器输出端取两相使用。5.3 HMI系统图6 人机界面HMI是整个机器与操作人员进行交流的界面（见图6），在满足技术要求的基础上要考虑易于操作，外形美观大方。这里选用OMRON的NS10（10寸）真彩触摸屏，支持全中文显示，荧屏宽大，文字清晰，颜色丰富，操作简单。数据的设定，存储，记录，机器的运行状态监视和控制都很方便。HMI与PLC采用RS2

9、32串行通信（sysmac way协议）连接。2.4 PLC系统图7 PLC 外观图图7示出的PLC是整个控制系统的核心，它联系着HMI和底层现场设备伺服驱动系统的运行，要求性能可靠，功能上要能够方便的实现与HMI和伺服驱动系统的连接。本系统选用OMRON的CJ1M系列小型PLC。CPU内置2路100kHz高速脉冲输出，实现X轴，Y轴的运动控制，此外配置一个NC133位置控制模块，实现Z轴的运动控制。开关量输入/输出各选用一个16路输入/输出模块。设备的整个工艺流程的控制主要采用LD（梯形图）语言编写程序来实现。为了实现运动控制的要求，某些地方需要较为复

10、杂的数学运算，为了实现这部分功能，笔者自己用ST语言编写并把这部分封装在功能块（FB）里面，供LD调用。5.5 伺服驱动系统伺服驱动器和交流伺服电机，X轴、Y、Z轴各一套。伺服驱动系统选用安川的伺服驱动系统，这里采用“脉冲+方向”控制模式，接线从PLC或者NC位置控制模块的高速脉冲输出口引出，接入伺服驱动器的脉冲输入口，以及方向信号。5.6 传感器为了保证各个轴的正常和安全的运行，需要在每个轴的两端分别安装一个接近开关，作为轴的极限位置传感器，防止运行范围超出，造成设备损坏。本设备所有的伺服控制系统均采用绝对坐标，在每个轴上还要单独设置一个零点开关，作为坐标轴的零点位置。6

11、 HMI软件系统在人机界面上开发出以下画面：（1）主页面展示生产厂家及机床的信息，力求简洁明了，美观大方。（2）手动页面手动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。（3） 自动页面自动模式下的数据设定，管理，控制，监视等信息。（4） 确认页面参数的修改或调用时需要弹出确认提示页面，以保证对工件参数的操作的正确性。主要用在一些关键数据的读取和写入前的确认提醒，防止操作人员对数据的错误读写。7 PLC软件系统软件采用LD语言编写，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序维护：（1） 信号输入段负责输入信号的采集和管理，逻辑的简单转换。（2）&#

12、160;模式转换段负责管理手动/自动模式的切换，保证系统在两种模式下正常的运行。（3） 数据管理段负责HMI与PLC之间的数据传输，存储和调用管理，还包括传递从HMI上发出的操作指令。（4） 脉冲输出段负责PLC对伺服系统发出正确的脉冲指令，确保交流伺服电机按照规定的方向和位置进行运动。（5） 逻辑控制段负责整个工艺流程的逻辑控制，对液压等机械执行机构进行控制，保证动作按程序正常执行。（6） 信号输出段负责所有需要输出的信号进行管理和逻辑转换。8 软件系统流程图8 软件流程框图9 注意事项交流伺服系统是强电系统而且是高电磁辐射源（尽管它们有EMC认证，还是不能绝对的避免电磁辐射的产生），而PLC，HMI以及它们之间的通信连接是典型的弱电系统，很容易受到强电磁辐射的干扰，因此在硬件布置上要尽量增加强电系统与弱电系统之间的安装距离，减少电磁干扰带来的不利影响。同时考虑通信电缆与动力电缆之间的安装方式，一般遵循这样的原则：通信电缆采用屏蔽电缆，并且要单点（在信号的接收处）屏蔽层接地;交流伺服的动力电缆最好也要屏蔽，并且在伺服驱动器的这一端进行屏蔽层接地，电缆长度尽量的短;通信电缆与动力电缆尽量避免近距离平行布线，如果无法避免平行布线，二者距离要求>=20cm。10 结束语HMI+PLC+伺服系统是一