基于PC和软PLC的数控转塔冲床的控制系统的研究.pdf

电气与自动化 王亚鹏， 等 基于 P c和软 P L C的数控转塔冲床的控制系统的研究 基 于 P C和软 P L C的数控转塔 冲床 的控 制 系统 的研 究 王亚鹏。 ， 周建华 ， 陈林 ，杨慧宇 1 ． 扬 州大 学 机械 工程学院 江苏 扬州 2 2 5 0 0 0 2 ． 江 苏金方圆数控机床有限公司 江苏 扬州 2 2 5 0 0 0 摘要 系统基 于 B E C K H O F F提供 的 T w i n C A T平台， 采 用软 P L C与 P C相结合 ， 通过 对人机 界 面进 行操作 ， 经 由 I ／ O模 块反馈到 P L C中， 对输入 信 息进 行分析 处理 ， 从 而达 到信 息交互和 驱 动各部件运作 的 目的， 而人机界 面设计 则在 V i s u a l S t u d i o ． N E T 2 0 0 8中用 C 语言编程完成。 关键 词 人机 交互 ； T w i n C A T ； 软 P L C 中图分类号 T G 3 8 5 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 2 0 4 - 0 1 7 9 - 0 3 Re s e a r c h O i l Co nt r o l S ys t e m o f CNC Pu nc h Ba s e d o n PC a nd S 0 f t PLC WANG Ya ． p e n g ，Z HOU J i a n ． h u a ，C HEN L i n ，YANG Hu i y u 1 ． Me c h a n i c a l e n g i n e e r in g a c a d e my ， Y a n g z h o u Un i v e r s it y， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 0 Ch i n a； 2 ． J ia n g s u J i n F a n g Yu a n CN C Ma c h i n e C o ． ， L t d ． ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 0 C h i n a Abs t r a c tTh e s o f t PL C i s c omb i n e d wi t h PC i n c on t r ol s y s t em ba s e d o n T wi n CAT pla t f o r m p r o v ide d b y BECKHOFF．Th e i n f o r ma t i o n i s r e t ur n e d t o t h e s o ft PL C t h rou g h t h e o p er a t i o n o f HMI an d I／O mo du le．Th en t he i n p u t in f o r ma t ion i s p r o c e s s e d i n t h e PL C t o a c hie v e t h e p u r p o s e o f i n f o r ma t i o n i n t e r a c t i o n a n d d r iv in g c o mp o n e n t s ．T h e d e s i g n of HMI is c o mp l e t e d in V i s u a l S t u d io ． N E T by c ． Ke y wo r ds HMI ；Twin CAT；So ft PL C 0 引言 基于 P C的控制系统为用户提供了一个多功能、 集成 化的开放式平台， 其特点在于大幅度提高了系统的连接 性、 灵活性和信息存储能力。随着计算机技术的迅猛发展 以及 P L C国际标准 的制定 ， 软 P L C这 种新兴 技术 发展 起 来 ， 在保 留硬 P L C功能 的 基础上 ， 具有 如下 特点 采用 面 向现场总线网络的体系结构 ， 具有开放的通信接口， 如以 太网、 高速串口等， 利用各种相关的国际工业标准和一系 列的事实上的标准 ， 全部采用软件来实现传统 P L C的功 能。本系统将 P C与软 P L C相结合， 可以使得系统的结构 更加紧凑， 维护更加方便 ， 而且适应现代化生产的需要。 1 数控转塔 冲床 的组成 本文 以 E T一3 0 0系列 数控 转塔 冲床为 研究 对 象 ， 其 结 构示 意 图如 图 1 所示 。 控系统 作面 板 瑚 电动 机及传动f轴 电动机及传动主轴 电动机及 传动 图 1 E T一3 0 0数控转塔 冲床 的结构 示意图 E T一3 0 0数控 转塔 冲床 属于机 械飞轮 驱动式转 塔 冲 床 ， 它 由以下几部分构成 1 数控系统 。数控系统是转塔 冲床实现 自动 加工 的 核心 ， 它能够实 时监 测转 塔冲 床 的工作状 态 以及 加工 环 境， 接受操作人员输入的操作命令， 控制机床各功能部件 协调动作来完成加工任务。数控系统主要包括主控机、 显 示器 、 键 盘、 操作面板 以及功能强大 的控制软件 。 2 伺服系统。伺服系统是转塔冲床的最主要部件 之 一 ，它直接驱 动各轴 运动 ， 接受数 控系统 的运动命 令并 实 现转塔冲床各轴速度、 位置的精确控制。伺服系统包括 轴电动机伺服、 Y轴电动机伺服、 t 轴 转塔轴 电动机伺 服、 c 轴 转模轴 电动机伺服。 3 电气系统。电气系统主要包括转塔冲床所用到的 各种传感器， 气动控制 回路以及数控系统与电动机、 传感 器 、 气动部件等 的连 接。电气柜 是电气 系统 的枢纽 ， 所有 外 围电气元 件或者通过电气柜与数控系统相连 ， 或者直接 安装在 电气柜 中。 4 机床床身。主要包括底座、 外罩等， 为转塔冲床其 他部件的安装提供一个平台， 同时也为机床正常工作提供 安全防护以及良好的抗震等性能。 5 传动系统。包括主轴传动机构、 轴传动机构、 Y 轴传动机构、 t 轴 转塔轴 传动机构、 c轴 转模轴 传动 机构 。其功能主要是将 各伺服 轴的运动 和动力 输 出转 换 成加工 中所需 的动作 。主轴采 用连杆机 构将 电动机 的旋 转变为打击头的直线往复运动等。 6 辅助部件。包括定位装置、 工件夹钳等， 主要实现 一 些特殊 的功能 。 作者简介 王亚鹏 1 9 8 7一， 男 ， 江苏南通 人 ， 硕士研究生 ， 研究 方向是 机电控 制。 Ma c h in e B u i M i n g曾 Au t o ma t i o n ， H 2 0 1 2， 4 1 4 1 7 9～1 8 1 1 7 9 电气与 自动化 王亚鹏 ， 等 基 于 P C和软 P L C的数 控转塔 冲床 的控制 系统的研 究 2 数控 系统 的设计 控制系统分为两部分 硬件部分和软件部分 。 控制系统硬件部 分 主要包 括 I P C， 总线 系统 ， 伺 服系 统和端 子系统 等 ， 通过 采用 E t h e r C A T以太 网现场 总线技 术 ， 工 控机 与 E t h e r C A T总线连接 ， 实现 I P C与伺 服系统 和 端子系统的通信， 进而控制伺服驱动器来驱动伺服电动机 完成相应动作。端子系统连接外部传感器和执行开关等， 来完成信息的传输与反馈。其组成结构如图 2所示。工 控机采用 B E C K H O F F提供的 C 6 1 5 0 ， 配备 P C控制面板 ， E t h e r C A T总线耦合器选用 E K I 1 1 0， 由机 床 的结 构示 意图 可以知道 ， 该数控转塔 冲床有 4根轴 ， 故 需配 备 4个伺 服 驱动器 ， 根据分析 ， 选用 B E C K HO F F的 A X 2 0 1 0和 A X 2 0 2 0 图 2 控制 系统 的硬件组成示意 图 圃 匝圈 两种 规格 的伺 服驱动器 。端 子模 块选用 E L l 0 0 8 8通道 数字量输入端子模块， E L 2 0 0 8 --8 通道数字量输出端子模 块。输入、 输出端子模块的个数根据连接外部的传感器和 执行器的数 目来确定 。 控制系统软件部分是实现控制系统功能的核心部分 ， 主要包括人机界面 HMI 程序 、 T w i n C A T平 台、 软 P L C、 组 态 软件 、 上 位机 程序 和操作 系统 。T w i n C A T是 软 P L C和 组态软件 的运行平 台， 是软件部分的基础。上位机程序基 于T w i n C A T平台上， 负责实现用户操作命令和 rr w i n c A T 控制功能的通信与交互。I P C上采用的是 Wi n d o w s X P操 作系统， 简便友好， 符合用户的需求。 3人机界面设计 人机界面或称 人机 交互 h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ， HM I 是系统与用户之间进行信息交互的媒介 ， 随着信息 技术的高速发展， HMI 在工业控制中取得 了广泛的应用， 接下来所要做的是设计有效便捷舒适的 HM I 来完成工业 生产 的要求 。 编程语 言采用 C ， 在 V i s u a l S t u d i o ． N E T 2 0 0 8上 编写 绘制 H MI ， 在 H MI 设计过程 中， 考虑 到绝 大多数用 户对于 标准 Wi n d o w s系统 较 为 熟 悉 ， 因 此 尽 量 采 用 兼 容标 准 Wi n d o w s 界面的特 征。 同时根据 生产 实 际 的要求进 行 分 析 ， 确定 H MI 的功能结构 ， 如图 3所示 。 差[二 ] [ 二 三 臣 圃 n n n 匪困匝圃匪囹 图 3 HMI 功能结构 图 在经过一段时间的开发后 ， 设计 了如 图4所示的人机 界面， 简洁易操作 ， 符合 H MI 设计原则。同时根据生产需 求， 需要进行图形模拟和实时监控， 图 4中根据给出的 G 代码， 能够在板材上模拟冲孔的过程， 同时也可以直接生 成冲孔完成后 的示意图 。 1 8 0 图 4板材冲孔图形模拟 4基于 T wi n CA T 的软 P LC系统结 构和技术实现 4 ． 1 软 P L C 系统结构 软 P L C基于 P C， 通 过 软 件 方 法 实现 传 统 P L C的计 算 、 控制 、 存储 以及编程等功能 ， 通过 I ／ O模块 以及现场 总 线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出， 它简 化了工厂的自动化的体系结构， 把控制、 通信、 H MI 以及 各种特定的应用全部合为一体， 运用于同一个硬件平台 上， 降低了经济成本， 减少了资源浪费， 实现了工控领域长 期渴望的量身定制， 组态简便， 迅速到位的需求。软 P L C 系统通常 由开 发 系统 和运 行 系 统 两 部 分 组 成。如 图 5 所 示 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． o 13 E - m a i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 电气与 自动化 王亚鹏 ， 等 基 于 P C和软 P L C的数控转塔 冲床 的控制 系统的研 究 [ 图 5软 P L C 系统结构 图 编程 系统主要 用 于 P L C应 用 程序 的开 发 ， 运 行系 统 负责整个系统的管理和对应用程序的执行， 两者都为同一 I P C内， 两者之间通过 D L L文件进行通信。 4 ． 2 软 P L C的技术实现 本 系统中软 P L C的实现通过 B E C K H O F F提供 的专用 软件 T w i n C A T， 使 P C用作可编程控制器 ， 其编程工具符合 I E C 6 1 1 3 l 一3标 准 ， 可 连接 所 有 的公 共现 场 总线 和 用于 I ／ O 信号的 P C卡， 带用户接口的数据通讯和使用微软开 放式标准 程序 O P C， O C X， D L L 。若 对控 制 器 的可 靠性 和控制性能要求较高时 ， 可选择插槽式 P L C， 提高实时控 制性能， 因为其拥有 自己的操作系统 ， 有可靠的数据存储 和准确的重新启动功能。本系统 中采用软件式 P L C ， 即 T wi nCAT PLC。 4 ． 3 T w i n C A T P LC的使用 T w i n C A T P L C作为 一 种 纯粹 的软 P L C， 允许 在一 个 P C机上 同时运行 4个虚拟“ P L C C P U” ， 每个 可最多运行 4 个用户任务。T w i n C A T P L C以顺序扫描用户程序的运行 方式 ， 周期性地循环工 作 。在一个 循环 周期 内， 分成 输入 采样 、 程 序执行 、 输 出刷新 三个 阶段 。和其 他 P L C有所不 同， T w i n C A T P L C在输入采样阶段 ， 并不是依次地读人所 有输入状态和数据 ， 而是选择性地读 取。可 以将 T w i n C A T P L C的输 入点看成一个 串点序列 ， 每个 串点或某个 串点列 都匹配一个判断条件， 一旦条件不满足， 将跳开对应的输 入 端点 ， 在该周期 内不执行对这些输入端点 的读取。这是 T w i n C A T P L C自身的一个特点， 可以使得 P L C有着更快 的执行效率 。 P L C程序可使用一种 或多种语言编程 ， 符合 I E C 6 1 1 3 1 3标准 I L 指令表 ， L D 梯形图 ， F B D ／ C F C 功 能块 图 ， S F C 顺 序功能图 ， s T 结构化文 本 。 如图 6所 示 为数控转 塔 冲床 的 P L C编程 环境 ， 该 界 面被分为三个部分 对象列表、 变量声明和程序表示。人 机界面上的操作 ， 经过 I ／ O模块进行通信， 传送 到 P L C 中， 从而改变其中定义的变量值， 这些变量都与 I ／ O通道 中的端子建有逻辑 一 物 理连 接 ， 以此来执行用户所要求 的 操作 。 图 6 T w i n C A T P L C界面 5 结束语 基于 P C的数控转塔 冲床的控制系统， 将 P C与软 P L C相 结合 ， 通过 内置 软 P L C实 现机 床与人 机界 面的 交 互 。可以将 控制 、 通信 、 人机 界面 以及 各种 可扩展 的应用 程序集中到一个多功能集成化的硬件平台上， 从而大大简 化了工业自动化的控制结构， 对于迅猛发展的工业现代化 进 程有着重要的意义。 参考文献 [ 1 ]阮友德． P L C 、 变频器 、 触 摸屏 综合应用实训 [ M] ． 北京 中国 电力 出版社 ． [ 2 ]B E C KH O F F公司北京代表处． T w i n C A T快速入门[ M] ． 北京 德 国倍福 电器有 限公司北京代表处 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ]梅红军． 基于 P L C人机 界面控制系统 的研究 [ J ] ． 太原城市 职 业技术学 院学报 ， 2 0 0 9， 1 1 3 0 1 3 1 ． [ 4]B e n S h n e i d e r m a n ． D e s i g n i n g t h e U s e r I n t e r f a c eS t r a t e g i e s f o r Ef f e c t i v e Hu ma n C o mp u t e r I n t e r a c t i o n ．T h i r d Ed i t i o n． P u b l i s h - i n g Ho u s e o f El e c t r o n i c s I n d u s t r y， 2 01 0． 收稿 日期 2 0 1 11 1 2 6 欢迎投稿 欢迎刊登广告 欢迎订阅 Ma c h i n e B u i ld i n g8 A u t o m a t i o n ， ”2 0 1 2 ， 4 1 4 ， 7 9～1 8 1 1 8 1