摘 要：針對大型金相試樣切割機的控制要求，采用OMRON CPM2A PLC和NS10-V1觸摸屏相結合的控制方式，為該型金相試樣切割機設計了控制系統。控制系統以PLC為核心，觸摸屏作人機交互界面，PLC用于完成數據處理和控制任務，觸摸屏完成操作和顯示功能。采用變頻調速技術對驅動切割片的電機進行無級調速。采用細分式驅動技術控制X向、Y向、Z 向的步進電機運動。 關鍵詞：金相;切割機;PLC;觸摸屏 Abstract: Facing the control requirements for the Metallographic sample cutting machine , the control system of the cutting machine was designed by the method of combing OMRON CPM2A PLC with NS10-V1 touch panel in this paper. As far as the control system is concerned, the core of the control system is PLC ,the touch panel is used for the man-machine intercommunication interface ,PLC dedicates itself to data processing and controlling, the functions of operation and display are finished by the touch panel. Frequency conversion timing technology is adopted to control the asynchronism motor of driver cuts to attain stepless timing .By making use of the electrical driver-by step, To control X、Y、and Z to three step motor. Key words: metallographic; cutting machine; PLC; touch panel 0 引言 　　金相分析是機械、冶金、汽車、工模具、農機等制造行業中，保證產品質量、查清事故原因的重要手段[1]。要進行金相分析，就必須制備金相試樣。隨著控制技術的不斷發展，觸摸屏與可編程控制器在工業控制中的應用越來越廣泛[2]。觸摸屏又簡稱PT，是新一代高科技圖形化人機界面產品。既可以圖形或數字對生產現場的設備進行實時的監控，又可在觸摸屏上設置觸摸開關和數字輸入編程鍵，對設備進行控制操作。在觸摸屏與PLC組成的控制系統中，觸摸屏完成對設備的操作、顯示和故障報警，PLC則根據生產工藝的要求，編制程序，直接對設備進行控制。本文采用OMRON CPM2A PLC與觸摸屏NS10-V1，為大型金相試樣切割機設計了控制系統。 1 控制系統總體結構 　　控制系統的執行部件主要是三臺步進電機和一臺三相異步電機。三相異步電機通過二級帶傳動驅動砂輪片高速旋轉，由于砂輪片的轉速對切割試樣的質量影響較大，所以切割不同的工件時，砂輪片應具有不同的轉速。系統控制變頻調速器可使砂輪片的轉速從0-3400r/min無級可調。三臺步進電機采用專用的驅動器進行細分驅動。驅動砂輪片上下運動和工作臺橫向、縱向運動。控制系統核心控制器PLC需要提供邏輯控制信號，使異步電機和步進電機協調運動，完成切割動作。 　　控制系統主要由觸摸屏、PLC、變頻器、步進電機驅動器、速度檢測電路、位置檢測電路等五大部分組成。控制系統框圖如圖1所示。 　　控制系統以OMRON CPM2A PLC為核心，擴展模擬量I/O單元CPM1A-MAD01，其模擬輸出作為變頻器的頻率控制信號。NS10-V1觸摸屏作系統的人機交互界面。PLC集中解決數據處理和自動控制的問題，觸摸屏完成參數設定和顯示的功能[5]。系統運行時，用戶首先通過觸摸屏設置的控制信息，PLC按照用戶所選的切割模式和切割參數，根據接近開關檢測的位置信號和速度傳感器采集的速度信號，對變頻器和步進電機驅動器發出控制信號，使工作臺、懸臂、砂輪片協調運動，完成切割任務。系統運行過程中，觸 摸屏可實時顯示速度、切割進給量等控制信息，并進行故障顯示報警。 [align=center] 圖1 控制系統框圖 Fig.1 Block diagram of control system 圖2 變頻器控制電氣原理圖 Fig.2 Electric principle diagram of frequency transformer control[/align] 2 控制系統硬件設計 　　2.1 變頻器控制實現 　　2.1.1 變頻器控制電氣原理圖 　　系統選用L100—075HFE型變頻器。額定輸入電流為20A，額定輸出電流為16A，輸出頻率范圍為0.5～60Hz，適用于容量為7.5KW（3000r/min）的異步電機[3]。 　　變頻器對電機的控制有主回路連接和控制回路連接，其電氣原理圖如圖2所示。 　　變頻器主回路連接：變頻器的L1、L2、L3為輸入端，經漏電保護器與50Hz、380V三相交流電源相連，輸出端U、V、W接交流電動機，變頻器輸出頻率的變化將控制電動機轉速的變化，兩者之間的關系近似線性，實現了無級調速的目的。 　　變頻器輸入控制信號連接：PLC的輸出端01100～01103分別與變頻器的智能輸入端子相連。CPM1A-MAD01模擬量輸出模塊與變頻器的O、L端子相連，由模擬量I/O單元輸出的0～10V電壓信號控制變頻器的輸出頻率，變頻的輸出頻率與設定電壓成正比。 　　變頻器輸出信號連接：分別在輸出端子11和12與輸出公共端接一只發光二級管，作為變頻器運行和電機過載信號指示。在報警端子AL0 和AL2之間接一蜂鳴器，作為變頻器的故障報警輸出。 　　2.1.2 速度檢測與PID控制的實現 　　砂輪片的轉速對切割試樣的質量影響較大，因此要對砂輪片轉速進行PID閉環控制，以提高速度的控制精度。首先通過觸摸屏操作菜單設定一個電機轉速，電動機按此轉速旋轉帶動砂輪片切割工件。在旋轉過程中，光電傳感器對砂輪片轉速進行實時采樣，速度信號經處理后送入PLC的高速計數器，經處理后使用PID指令來控制模擬量I/O的輸出，變頻器接收PLC輸出的模擬信號對其輸出頻率進行控制，從而調節砂輪的轉速，實現了砂輪片轉速的PID閉環調節[4]。 　　2.2 步進電機控制實現 　　2.2.1 CPM2A的脈沖輸出功能 　　晶體管輸出型CPM2A具有高速脈沖輸出功能，使用01000、01001兩個輸出點。有以下三種情況： 　　（1）兩點無加速/減速的單相脈沖輸出：輸出頻率為10Hz～10kHz，占空比50%。 　　（2）兩點不同占空比的脈沖輸出：頻率范圍為0.1Hz～999.9Hz，占空比0～100%。 　　（3）一點帶梯形加速/減速的單相脈沖輸出：分為脈沖+方向輸出和加/減（CW/CCW）脈沖輸出兩種情況，占空比50%[6]。 　　CPM2A的脈沖輸出控制指令，PLUS命令可以控制輸出脈沖個數，取值范圍是-16777215～16777215。SPED命令可以設置輸出脈沖的頻率，輸出頻率范圍是10Hz～10kHz。PWM命令可以在指定的輸出口輸出可變占空比脈沖。ACC命令可以輸出梯形加/減速脈沖，可用于加/減速控制。 　　CPM2A脈沖輸出功能可以方便的用于步進電機控制。切割機控制系統中有三臺步進電機驅動器需要提供脈沖信號。其中01000點輸出指定頻率指定個數的脈沖，用于控制砂輪片的進給速度和進;01001點輸出指定個數脈沖，用于控制工作臺前后位移量;普通輸出端子01004輸出指定頻率（范圍為0～500Hz）的脈沖，經倍頻（100倍）電路升頻后輸入步進電機驅動器，用于控制工作臺的左右運動。 　　2.2.2步進電機驅動器接口電路 　　步進電機與驅動器選用85BYG450A和SH-2H090M。驅動器是把PLC提供信號放大為步進電機能夠接受的信號，PLC提供給驅動器的信號主要有兩路：一路為步進脈沖信號CP，控制CP的頻率，就可以對電機精確調速，從而有效調節工作臺和砂輪片的進給速度;控制CP的個數，就可以對電機精確定位，實現工件的切割量控制。另一路為方向電平信號DIR，當DIR為高電平時，電機正轉，當DIR為低電平時，電機為反轉。圖3為步進電機驅動器接線圖。 [align=center] 圖3 驅動器接線圖 Fig.3 Connection diagram of driver 圖4 系統主控程序流程圖 Fig.4 The main program flow chart of system[/align] 3 控制系統軟件設計 　　控制系統軟件設計主要包括系統主控程序設計、自動控制程序設計等。其中自動控制程序主要包括直切程序、進三退一切割程序、逐層切割程序和連續切割程序。 　　主控程序在上電復位完成系統的初始化后，與觸摸屏通信，接收觸摸屏傳送的控制信息，根據用戶選擇的切割模式，在切割過程中要完成輸入信號的循環掃描，并對輸入信息進行處理后，輸出不同的信號控制系統的各執行部件，使它們協調工作，完成工件的切割。其中系統主控程序的功能包括上電復位和各切割模式的自動控制，系統的主控程序流程圖如圖4所示。 4 觸摸屏操作界面設計 　　系統選用NS系列NS10-V1觸摸屏，觸摸屏有內置的信息處理和通信能力，能滿足機器操作和監控的可視化需求。NS10-V1是電阻膜感應壓力式觸摸屏，內部有高達20MB的畫面數據存儲器，10英寸的TFT液晶顯示器有256色、高亮度和大的視角。字體以Unicode保存，能進行快速多語言操作并在一幅屏幕中顯示各種字體。圖像動畫、自動數據傳送和其它過程能用宏程序控制。用戶程序和操作數據能通過網絡或存儲卡被傳送到PC中。 　　NS10-V1觸摸屏有兩個串行通信端口：A和B。它們都符合EIA RS-232C通信標準，采用9針D-sub連接器。CPM2A PLC自帶RS-232C通信口，NS10-V1可通過RS-232C口與PLC直接相連。在切割機控制系統中，NS10-V1與CPM2A通過RS-232C口進行1:1NT鏈接通信。 　　NS10-V1觸摸屏采用NS-Designer 軟件進行人機界面的開發，完成后可通過計算機的RS-232C串行通信口下載到觸摸屏中。NS-Designer有大量的圖形庫和界面編輯功能，NS-Designer 中的智能控件可直接訪問PLC內部的繼電器區，用戶只要從設備庫中拖放智能控件，就可以為控制系統定制操作界面。 　　根據系統控制和操作要求，共設計了系統主界面、自動操作界面、切割參數設定界面、切割參數顯示界面等4個人機交互界面，還有系統操作說明等。其中自動操作界面如圖5所示，參數設定操作界面如圖6所示。 　　系統上電后，觸摸屏顯示啟動界面，系統密碼驗證正確后進入系統主界面，主界面顯示當前日期和時間。在主界面中，可通過操作說明按鍵瀏覽操作說明。主界面要求用戶選擇切割模式：直切、進三退一、逐層、連續。選好切割模式后自動跳轉到切割參數設定界面對切割參數進行設置，設定完成后，按啟動按鈕系統開始自動切割，切割過程中觸摸屏自動進入切割參數顯示界面，運行參數和有關部件的工作狀態都可以在觸摸屏上動態顯示，出現異常情況時自動會報警并進入報警界面，顯示系統故障信息。 [align=center] 圖5主操作界面圖 Fig.5 The interface of host operation 圖6切割參數操作界面 Fig.6 The interface of cutting parameters[/align] 5 結論 　　本文的創新點： 　　1 在以PLC為核心的大型金相試樣切割機控制系統中，由于觸摸屏的應用省去了傳統控制方法中的開關、按鈕、指示燈和儀表等，節省了空間提高了控制系統的可靠性。 人機界面、監視功能和保護措施，不但方便操作，而且系統的性能更加安全可靠。 　　2 采用變頻調速器對異步電機進行無級調速，通過光電傳感器對砂輪片轉速進行實時采樣，利用PLC的高速計數功能和模擬量PID控制的功能，實現了砂輪片轉速的PID閉環調節，提高了速度控制精度，保證了試樣切割過程中不損壞砂輪片。 　　3 通過PLC集中邏輯控制三個步進電機的協調運動，實現了四種切割模式：直切、進三退一切割、逐層切割、連續切割，不僅擴大了切割范圍，而且切割機能夠高效率的切割不同尺寸和不同硬度的工件。 參考文獻： 　　[1]孫維連，理化檢驗金相切割機的國內外研究概況[J]-物理分冊.2003.7.357∽360 　　[2]劉燕，觸摸屏與PLC的通信與連接[J]。自動化與儀器儀表，2002，（4）. 　　[3]日立制作所，日立變頻調速器L100系列說明書，東京·日本. 　　[4]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2000. 　　[5]江秀漢，湯楠。可編程序控制器原理及應用[M]。西安：西安電子科技大學出版社，2003.3. 　　[6]OMRON，可編程終端NS系列操作手冊。2006.3. 　　[7]吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8-1：21-23