基于PLC的刃磨机控制系统的设计与开发

摘　要：

摘　要：随着计算机信息技术的进步，可编程控制器（PLC）作为一种崭新的自动化控制装置，通过使用者设定和存储相关的应用程序来实现对生产过程的控制，具有非常高的可靠性，稳定性和比较强的实时处理能力，已经逐渐取代了过往的继电器控制技术，广泛应用在能源、建筑、交通等诸多领域。本文从国内刃磨机的控制系统现状出发，设计一套基于可编程控制器的刃磨机控制系统，实现刃磨机操作的自动化和可靠性。

关键词：

关键词：PLC　刃磨机　控制系统

     在上个世纪70年代微处理器的出现。科学家很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器在功能方面又增加了运算、数据传送及处理等方面，完全成为了真正具有计算机特征的工业控制装置。在这个时候，可编程逻辑控制器是微型计算机机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。随着个人计算机的不断发展，人们为了方便和反映可编程控制器的功能特点，把可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。随着科技的发展，可编程逻辑控制器已经进入了实用化的发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使PLC的功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中越来越重要的地位。

　　这种自动化的控制装置首先在西方发达国际首先实现了大规模的推广和应用，可编程逻辑控制器在先进工业国家的普及和世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上个世纪中期是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

　　PLC(可编程控制器)目前已经成为在各领域通用的工业控制自动化装置，随着其性能的不断升级，功能也日益强大，越来越多的工业控制领域选择用PLC 作为主要的控制设备。可编程控制器是一种工业自动化控制装置，它通过预先按照工作需求设定相关的应用程序来完成对生产加工过程的有效控制，具有很强的稳定性较高的实时处理能力，通过把继电器与计算机技术的有机整合为现代化的自动化控制，提供了比较理想的工业装置，随着科技的不断进步，尤其是计算机信息技术的不断发展，PLC将为工业自动化的发展提供更为广阔的前景。

　　刃磨机是在机械加工领域中所使用一款非常重要的设备，它的正常运行直接关系着所加工产品的精度和质量，甚至影响着整个生产企业的正常运营和发展。在我国的一些地区，传统的刃磨机控制系统依然采用的是过去的继电器控制系统。这种系统反应速度比较缓慢，无法对在加工流程发生的突发状况进行及时的应急处理和预警。更主要的是，这类操作系统的操作方式还是主要依靠人工来完成。一方面，刃磨机的工作状态很大程度上取决于其工作人员的经验储备，具有非常大的主观性和不稳定性，产品的生产精度和质量无法得到较为有效的控制。另一方面，随着我国城镇化及老龄化步伐的加快，“用工荒”成为制约很多刃磨机加工企业的一个瓶颈，人力资源的雇佣成本也每年递增。因此，基于先进的PLC来实现对刃磨机的自动化控制，具有非常重要的现实意义。从目前的调查发现，国内的刃磨机发展和西方发达国家相比，还有很大的一段距离。主要表现在刃磨机的操作还停留在人工操作，产品无法借助先进的计算机操作平台来实现自动化的生产。因此，通过从市场的实际需求出发，结合目前的国内刃磨机的操作流程与操作特点，设计一套操作系统对于提高刃磨机工作效率与刃磨机生产企业的市场竞争力具有非常重要的意义。 

　　1　基于PLC的刃磨机控制系统的设计

　　1.1　可编程控制器的选择

　　可控制编程器的选择有以下几个需要注意的方面：

　　PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对比较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展相比而言更加方便灵活，易于扩展，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地较大，且维护方便，一般于较复杂的控制系统。PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分配范围广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增加驱动器以及远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，，但是必须要附加通讯模块。一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。

　　对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小以及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次的PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要，如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有 的速度要求时，则应慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。对于一般系统PLC可靠性均可以满足，对于可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备系统对于以开关量为主，带少量模拟量的控制系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。PLC是一款电子装置，它的主要功能是在工业环境下进行数字的运算和操作，通过使用带有编辑程序功能的存储器，来完成系统内的逻辑运算、计时、计数和算数与顺序运算等指令。它通过与外挂设备进行连接，把数字或者模拟的指示信号进行输出来实现对各种工业流程和机械加工的有效控制，具有非常强的操作性和系统的可升级性。现在市场上的可编程控制器非常多，我们经过对刃磨机的工作形态以及所需要的软件环境进行匹配，最终选择了韩国LG公司生产的一款S7-200型号的可编程控制器。

　　该编程控制器总共包含30个点数，其中18个是输入点、12个是继电器型输出点。另外，还有1个RS-232通讯/编程口，一个RS-485通讯/编程口。在本系统中可编程控制器通过控制变频器的多段速和外部端子方式与变频器进行直接通讯；通过RS-232串行口与文本显示器来完成人机界面的数据通讯。韩国LG公司专门推出KGL-WC编程软件，为我们提供一个完整的中文编程环境，可以进行离线编程、在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表之间的互相转换，具有很强的可操作性。  

　　1.2　可编程控制器程序的编写

　　在将可编程控制器与刃磨机联合使用以前，我们首先按照可编程控制器的使用说明，依次完成三个阶段。具体来说，首先是采样阶段。在这一阶段，我们把刃磨机加工的合格产品的数据和状态通过扫描的方式传输到可编程控制器，然后将它们存储到可编程控制器的映象区之中。这一阶段完成后，把可编程控制器进入用户的执行和刷新阶段。在此阶段中，输入的状态和数据即使发生了变化，在映象区中的单元状态和相关数据会依然保持不变。最后，在完成上述两个阶段后，进行了输出阶段。这是最为关键的阶段，因为在这一阶段，电脑的中央控制器会把映象区中所对应的状态和数据进行对应的刷新，然后对电路进行锁存，最后和外设的刃磨机的电路驱动进行连接，按照预先设定的程序，实现对刃磨机的操作控制。

　　1.3　变频器的选择

　　在基于PLC的刃磨机的控制系统中，我们需要借助变频器来实现对刃磨机的节能和调速，变频器是把变频技术与微电子技术结合在一起，通过改变刃磨机的电机工作电源的频率来对刃磨机的操作方向和加工精度来进行控制。通过变频器的使用可以更加完善刃磨机控制系统的稳定性，而且还会在一定程度上对刃磨机进行保护。经过市场调研采用了德国西门子公司的变频器。该公司制造的变频器质量比较可靠，价格适中，具有很好的性价比。它属于单相输入，三相输出，最大的输出频率400Hz；具有高启动转矩，18条固定V/F曲线，1条任意曲线配合转据补偿功能，提供100％~150%的启动转矩，具有全面的保护特性；有8段速控制，可配合内部时间设定，实现顺序控制；控制方式有2线/3线制式；加/减速时间、S曲线、频率上/下限用户可以设定。  

　　1.4　文本显示器的选择

     我们的人机界面采用了深圳机电科技开发有限公司开发的一款文本显示器，该型号呈现蓝色底屏显示，外形尺寸为172×95×30mm。目前来说，它是新一代高科技可编程终端，专门为可控制编程器而设计的可互动式的人机界面，兼容性比较强，具备和各主要品牌的可控制编程器进行连线监控的能力，而且机身设计的强度比较高，可以适于在各种比较恶劣的工业环境中应用。该型号的文本显示器主要特点还有：交互性好、抗干扰能力强、通讯可靠性高、操作简单方便、故障率低、寿命长、画面量大等优点。可以使用YD20全中文组态软件进行编程，该组态软件集指令丰富、编程简单，便于使用者进行简单操作，可操作性比较强。

     1.5　基于PLC 的刃磨机控制系统工作原理