一、摘要： 數控技術是綜合應用了電子技術、計算技術、自動控制與自動檢測等現代科學技術成就而發展起來的，目前在許多領域尤其是在機械加工行業中的應用日益廣泛。 本文提出了利用人機界面和PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的有關見解與方法，介紹了控制系統方案及軟硬件結構的設計思路。對于工礦企業實現相關機床改造具有較高的應用與參考價值。 二、關鍵詞： 人機界面 PLC 步機電機 步機電機驅動器 三、前言： 數控系統按其控制方式劃分有點位控制系統、直線控制系統、連續控制系統。在機械加工時，數控系統的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機床），其特點是，機床移動部件能實現由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡。實現數控系統點位控制的通常方法可以有： 1、采用全功能的數控裝置。這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的； 2、采用單片機控制。這種方法除了要進行軟件開發外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動電路，特別是要考慮工業現場中的抗干擾問題。 3、采用可編程邏輯控制器控制。 由于可編程控制器（PLC）是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優點，是實現機電一體化的理想控制裝置。 四、正文： PLC（Programmable Logical Controller）通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現代計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動控制裝置，由于它擁有體積小，功能強、程序設計簡單、維護方便等優點，特別是它適應惡劣工業環境的能力和它的高可靠性，使它的應用越來越廣泛，已經被稱為現代工業的三大支柱（即PLC、機器人和CAD/CAM）之一。 人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數字等來處理或監控管理及應付隨時可能變化的多功能顯示屏幕。隨著機械設備的飛速發展，以往的操作界面由熟練的操作人員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設備目前的狀況，使操作變得簡單生動，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數，降低生產的成本。同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設備的附加價值。 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 1、控制系統的結構： 系統的結構框圖如下圖1所示，整套電器系統由三部分組成:（1）操作部分（人機界面）:用于操作、設置機床運行狀況、故障報警;（2）控制部分PLC）:主要控制機床的定位;（3）執行部分（步機電機及步機電機驅動器）。 [align=center][IMG=人機界面和PLC在機床改造的應用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815215947805T.jpg[/IMG] 圖 1 系統的結構框圖[/align] 2、硬件的選擇： 1）、人機界面的選擇的原則：現在市場上的人機界面基本上都能實現以下功能： 指示燈（PLCI/O顯示、內部節點顯示、多段指示燈等）； 開關（位狀態型開關、多段開關、切換窗口開關等）； 各種動態圖表（棒圖、儀表、移動元件、趨勢圖等）； 數據顯示（數值顯示、ASCII顯示、文字顯示等）； 數據輸入（數值輸入、ASCII輸入、文字輸入等）； 異常報警（報警顯示、跑馬燈顯示、事件顯示等）； 靜態顯示（直線、圓、矩形、文字等） 基于在性價比方面的特點，在本機床作者選擇了臺灣威綸通的MT506T/C。 2）|、PLC 選擇的原則：在PLC選型是時主要是根據所需功能和容量進行選擇，并考慮維護的方便性，備件的通用性，是否易于擴展，有無特殊功能要求等。 （1）、PLC輸入/輸出點確定：I/O點數選擇時要留出適當余量； （2）、PLC存儲容量：系統有模擬量信號存在或進行大量數據處理時容量應選擇大些； （3）、輸出繼電器類型一定是晶體管（只有晶體管輸出類型的PLC才能輸出高速脈沖）； （4）定位和脈沖輸出功能：一個PLC單元中每相能同時輸出2點100KHz脈沖。 （5）、PLC配備特殊的定位指令，包括零返回、絕對值讀出、絕對或相對地址表達方式以及特殊脈沖輸出控制。 在本機床上，作者選擇了三菱的小型PLC。型號為：FX1S-14MT。 3）、步機電機和步進電機驅動器的選擇的原則： （1）、確定步進電機拖動負載所需要的扭矩； （2）、確定步進電機的最高運行轉速； （3）、最后還要考慮留有一定的（如30%）力矩量和轉速量。 （4）、根據以上指標，再考矩-頻特性，就可以選擇出適合自己步進電機。 （5）、選擇步機電機驅動器，必須跟電機相配套。 （6）、盡量選取細分的驅動器，且使驅動器工作在細分狀態。 不同廠家的電機在設計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進電機應注重可靠性而輕性能、重品質而輕價格。最好采用同一生產廠家的控制器、驅動器和電機。這樣便于最終的維護。 在本機床上，作者選擇了斯達特的電機和驅動器。電機型號為：110BYG350A；驅動器為其電機配套的型號MS-3H110M。 3、控制系統的軟件設計 1）、人機界面組態畫面設計 不同品牌的人機界面的軟件操作都有其各自的特點，所以在使用時一定要掌握其軟件特點。軟件一般提供了多種控件和圖形庫文件，可組態出各種顯示和控制功能，實現系統操作狀態，當前過程值及故障的可視化。利用人機界面操作被監控系統，對PLC的實時數據進行顯示，記錄，也可以設計動態畫面來模擬控制過程，從而滿足監控要求。 機床（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機床）的操作上每種類型都有一點不同的操作方法，所以在人機界面的設計上都有不同,但一般應有下面幾個界面： （1）、主界面：機床的主要操作或其它界面的調動。如下圖2示 [align=center] 圖2[/align] （2）、參數設置界面： 用戶顯然希望當現場條件發生變化時，系統的某些控制參數能作相應的修改，例如工件前進的距離，速度的調整等。為滿足生產的連續性，要求對控制系統可變參數的修改應在線進行。 （3）、手動操作界面：用戶調試機床時要機床的某一個部件單獨動作時的操作界面。 （4）、故障報警界面：當機床出現故障時在人機界面上顯示出相對應的故障代碼，使用戶據此迅速判斷出故障原因。 （5）、幫助頁面的設計：考慮到工業現場的需要，在頁面設計時，增加了大量幫助頁面，包括機床的維護，系統的使用，參數的設置等。 為節省篇幅，這里只介紹了主畫面，其它內容的程序設計思路見參考文獻。 設計完畢后經編譯無誤，從個人電腦中下載到人機界面,如果與PLC的通信能正常進行，并且PLC側相應的程序也正確無誤，則即可使用。 2）、PLC程序設計： 根據控制及流程要求，利用三菱簡潔而強大的PLC編輯軟件，對應輸入、輸出開發相應應用程序。（采用步進的方式來實現對整個機械的所有邏輯動作）同時連接PLC與外部設備連線；將編制完成的程序寫入PLC中，模擬運行，進行調試及修改；在模擬調試成功后，接入現場實際控制系統中進行再次調試，直至完全通過為止。 在此項工程上，作者將PLC程序分了幾個部分來編寫，下圖是PLC程序的系統結構圖，可供讀者參考。 [align=center] 圖3 [/align] 工程的軟件系統是采用了PLC的程序和人機界面的畫面設計相互配合來完成系統的功能。在整個系統軟件的設計過程中，最明顯的特點PLC程序是用了標志位，將各部分程序分開，達到更好的效果。 4、脫機調試 為了縮短現場調試時間，在安裝之前先進行脫機調試。首先用下載線分別下載程序到PLC和人機界面，再用通信線RS-422把PLC和人機界面相連，上電檢查PLC和人機界面能否正常通信。在調試中，遇到了通信出錯的情況，通過改變PLC和人機界面的通信參數，最后使它們能夠正常通信。并能正確顯示功能代碼的值。最后，把按系統要求編制的程序下到PLC和人機界面里，PLC的輸入接上開關量進行調試，調試通過。 5、現場調試 在脫機調試通過之后，進行帶負荷，也就是帶電機后的試運行調試。看步進電機是否運轉正常，運行時有沒有出現失步和誤差 ，定位精度與提高定位速度時機床的精度如何等。 五、結束語 系統試驗表明，本文提出的應用人機界面和PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的方法能滿足控制要求，所研制的控制系統具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優點，其軟硬件的設計思路可應用于工礦企業的相關機床改造,并在實際運行中是切實可行的。經過長期運行表明，控制精度高，運行可靠，提高了生產的自動化水平，減小了操作人員的勞動強度。 參考文獻及資料： （1）、王侃夫. 數控機床控制技術與系統：機械工業出版社，2002.01 （2）、于慶廣.可編程控制器原理及系統設計.北京：清華大學出版社.2004 （3）、EasyBuilder 500 使用手冊 （4）、斯達微步控制有限公司步機電機和驅動器使用手冊 作者簡介 姓名：黃景良 單位：廣東省江門市高級技工學校 職業：技能指導教師 E-MAIL：Y2KHJL@21CN.COM或CEO@JFLJC.COM 聯系電話：13322883421 聯系地址：廣東省江門市江北路一號 江門市高級技工學校電子電工實習教研組 簡歷： 2001年廣東工業大學畢業后進入江門市高級技工學校從事電氣工程及其自動化技能教學。