摘要: 本文以三菱FX2N PLC為基礎(chǔ)，介紹了PLC的深度開發(fā)及運(yùn)用于電鍍自動(dòng)線的實(shí)例。該自動(dòng)線具有行車動(dòng)作可靈活設(shè)定、動(dòng)態(tài)修改，自動(dòng)尋位、斷電恢復(fù)等實(shí)用功能。此外還介紹了PLC和上位微機(jī)的通訊，以及觸摸顯示屏作為人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞: 電鍍自動(dòng)線；PLC；人機(jī)界面 Abstract: On the basis of Mitsubishi FX2N PLC, this paper introduces the deep development of PLC and its application in an electroplating autoline. It has the functions such as flexible setting,dynamic modifying, original position recognized and recovers after power failed. The communication between PLC and PC and a Man-Machine Interface are introduced too. Keywords: electroplating autoline PLC Man-Machine Interface 1 引言 可編程控制器(PLC)以其運(yùn)行可靠、易學(xué)易用、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。然而較多的應(yīng)用只是根據(jù)工藝編制相應(yīng)的梯形圖，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器電器控制線路，功能非常有限。近年來各種型號(hào)的PLC 在功能上已經(jīng)有了極大的提高，允許用戶做許多底層操作，幾乎可以象單片機(jī)一樣靈活，加上有眾多的外圍設(shè)備可以選用，這就給軟件、硬件設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性和先進(jìn)性。本文通過三菱FX2N-PLC 在一條電鍍自動(dòng)線上的應(yīng)用，說明如何充分開發(fā)PLC 的先進(jìn)功能，達(dá)到行車動(dòng)作的靈活設(shè)定、動(dòng)態(tài)修改的功能， 以及斷電恢復(fù)、通訊、新型人機(jī)界面的應(yīng)用。 2 系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)采用集散控制，參見圖1，上位機(jī)使用工控微機(jī)，負(fù)責(zé)工藝調(diào)度、質(zhì)量管理等宏觀控制；下位機(jī)使用三菱FX2N-PLC，控制行車的動(dòng)作。行車吊勾（提升電鍍工件用）的垂直定位采用接近開關(guān)，水平定位采用旋轉(zhuǎn)編碼器，垂直和水平的運(yùn)動(dòng)都使用變頻控制普通交流異步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，控制面板使用三菱的F940GOT 觸摸屏人機(jī)界面。 3 PLC 的應(yīng)用 3.1 動(dòng)作表 行車動(dòng)作無非就是上下左右受控移動(dòng)，按照指定的順序(即動(dòng)作表)完成一系列的動(dòng)作。要求有幾套動(dòng)作表可以選擇，動(dòng)作可以靜態(tài)修改，也可以在運(yùn)行時(shí)由上位機(jī)動(dòng)態(tài)修改。這種要求若是僅用簡單的梯形圖是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閯?dòng)作都是由梯形圖中的觸點(diǎn)指令實(shí)現(xiàn)，而梯形圖指令在運(yùn)行時(shí)是不能修改的。現(xiàn)在的FX2N-PLC 增加了許多應(yīng)用指令(底層操作，相當(dāng)于微機(jī)的匯編指令)，以及提供了許多可供用戶使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，并且有間接尋址功能，這就使表結(jié)構(gòu)操作成為可能。在這里，我們把行車的一個(gè)動(dòng)作定義為：“到幾號(hào)工位上升，再到幾號(hào)工位下降”，或者是“延時(shí)幾秒”，每個(gè)動(dòng)作由一個(gè)字(16 位)組成，每個(gè)動(dòng)作表由若干個(gè)動(dòng)作字組成，放在PLC 的數(shù)據(jù)寄存器里，動(dòng)作表由PLC 程序初始化，也可以在運(yùn)行時(shí)通過串行通訊由上位機(jī)讀取和修改，PLC 程序在運(yùn)行時(shí)只是不斷地解釋和執(zhí)行動(dòng)作表。 3.2 動(dòng)作的解釋和執(zhí)行 動(dòng)作字有3 種：行車動(dòng)作字、延時(shí)動(dòng)作字、結(jié)束標(biāo)志。 (1) 行車動(dòng)作字： 動(dòng)作字的高字節(jié)表示“上升所到的工位號(hào)”， 低字節(jié)表示“下降所到的工位號(hào)”，例如：“0205”表示讓行車開到02 號(hào)工位，上升，再開到05 號(hào)工位，下降。 由于一個(gè)行車動(dòng)作字表示的是宏動(dòng)作，由：“前進(jìn)或后退，水平到位，上升，上到位，再前進(jìn)或后退，水平到位，下降，下到位，完成”幾個(gè)微動(dòng)作組成，通過FX2N-PLC 的步進(jìn)階梯指令STL 實(shí)現(xiàn)非常合適。我們可以把行車的宏動(dòng)作分解為幾個(gè)狀態(tài)，在到位時(shí)進(jìn)行狀態(tài) 轉(zhuǎn)移。參見圖2 的STL 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。 垂直到位比較簡單，用上下到位接近開關(guān)直接控制即可。 水平到位稍微復(fù)雜一些。在程序初始化時(shí)將每個(gè)工位的準(zhǔn)確位置送到數(shù)據(jù)寄存器里，稱做工位位置表，每個(gè)工位的實(shí)際位置數(shù)據(jù)通過實(shí)測(cè)得到。動(dòng)作表、工位位置表、行車水平運(yùn)動(dòng)的關(guān)系請(qǐng)參見圖3。運(yùn)行時(shí)通過旋轉(zhuǎn)編碼器得到行車的當(dāng)前位置，每毫米大約發(fā)3 個(gè)脈沖。在做水平動(dòng)作時(shí)，先取出動(dòng)作字，分離高低字節(jié)，得到目標(biāo)工位號(hào)，將此工位號(hào)作為工位位置表的偏移量，用間接尋址方法得到目標(biāo)工位位置，若當(dāng)前位置大于目標(biāo)位置則令行車后退，反之則前進(jìn)，直到行車到目標(biāo)位置前一個(gè)提前量時(shí)，令行車轉(zhuǎn)為慢速；當(dāng)行車到目標(biāo)位置前另一個(gè)提前量時(shí)，令行車制動(dòng)。這二個(gè)提前量都根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整，慢速提前量通常為半個(gè)工位間隔，制動(dòng)提前量根據(jù)實(shí)際的行車速度、慣性而定。經(jīng)過調(diào)整，最終定位精度可以達(dá)到±1mm 左右。 圖4 是行車水平處理子程序，在二個(gè)水平進(jìn)退STL 狀態(tài)中先設(shè)置好目標(biāo)工位，再調(diào)用該子程序，行車就會(huì)前進(jìn)或后退，直到目標(biāo)位置停下來，發(fā)出完成標(biāo)志M86，即可轉(zhuǎn)入下一STL狀態(tài)。 (2) 延時(shí)動(dòng)作字： 延時(shí)動(dòng)作字的高字節(jié)用7EH 作為標(biāo)識(shí)，低字節(jié)為延時(shí)值，如“7E30”。延時(shí)動(dòng)作比較簡單，取出動(dòng)作字，分析一下若是延時(shí)動(dòng)作，將延時(shí)值送延時(shí)定時(shí)器就可以了。以前的PLC 定時(shí)器常數(shù)在梯形圖中設(shè)定，運(yùn)行時(shí)不能改變，F(xiàn)X2N-PLC 定時(shí)器允許將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容作為定時(shí)值，才使在運(yùn)行時(shí)改變定時(shí)常數(shù)成為可能。 (3) 結(jié)束標(biāo)志： 每個(gè)動(dòng)作表用7FFFH 作為結(jié)束標(biāo)志，執(zhí)行到結(jié)束標(biāo)志表示一圈做完。若是單圈模式的話就 進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，若是連續(xù)模式的話就讓動(dòng)作表指針重新指向表首，繼續(xù)運(yùn)行。 3.3 自動(dòng)校正 由于旋轉(zhuǎn)編碼器指示的是行車的相對(duì)位置，因此在運(yùn)行前應(yīng)該校正一下行車的絕對(duì)位置。我們采取在水平方向上安裝一個(gè)校正用接近開關(guān)的方法，讓行車在開始運(yùn)行前先朝某方向去找校正接近開關(guān)，若在3 秒鐘內(nèi)未碰到校正接近開關(guān)，或碰到了極限開關(guān)，就讓行車朝另一方向去找。只要碰到校正接近開關(guān)，就把旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)器置為某一個(gè)確切值，行車的位置就校正了。在以后的運(yùn)行中，行車每次經(jīng)過該校正接近開關(guān)，行車位置都會(huì)被再次校正，這樣可以消除積累誤差。 3.4 斷電恢復(fù) 以前一般的電鍍自動(dòng)線控制系統(tǒng)往往沒有斷電恢復(fù)功能，在電鍍生產(chǎn)線工作中如果遇到突然斷電，往往結(jié)果很尷尬。即使很快又來電了，但由于看不出是在哪一步停下來的，只能從頭來過，造成已經(jīng)在鍍的工件報(bào)廢。利用PLC 的失電保存功能，我們這個(gè)系統(tǒng)具有斷電記憶，來電恢復(fù)的功能。為實(shí)現(xiàn)該功能，應(yīng)該整理一下所用到的寄存單元，分為要記憶和不要記憶的二部分。象STL 狀態(tài)、運(yùn)行模式、運(yùn)行狀態(tài)等都是要記憶的，而用作動(dòng)作表指針的變址寄存器V、Z 無失電保存，需要用其他有失電保存的寄存器作為映象后備。一般的臨時(shí)單元都不需要失電保存，每次RUN 的時(shí)候都初始化這些單元。此外還應(yīng)注意的是，盡管來電后可以繼續(xù)剛才的工作，但來電后自動(dòng)運(yùn)行起來也是有危險(xiǎn)的。本系統(tǒng)是這樣處理的：當(dāng)RUN的時(shí)候檢查一下，若原先是在運(yùn)行狀態(tài)下斷電，則令系統(tǒng)處于暫停狀態(tài)，等待操作者通過操 作面板按下“運(yùn)行”鍵后才繼續(xù)工作。如果斷電時(shí)正在做水平運(yùn)動(dòng)，則因PLC 已經(jīng)失電，而行車的由于慣性仍有運(yùn)動(dòng)，造成PLC 記憶的行車位置和實(shí)際位置不符，在重新運(yùn)行時(shí)應(yīng)該自動(dòng)校正。 3.5 通訊 FX2N-PLC 提供了比較良好的通訊機(jī)制，只要在主機(jī)上擴(kuò)展一塊RS232 通訊模塊(FX2N-232BD)即可。FX2N-PLC 的應(yīng)用指令中有完善的串行通訊指令，可以方便地使用。 在本系統(tǒng)中，上位機(jī)主動(dòng)發(fā)送通訊串，PLC 接收到通訊串，根據(jù)通訊串中的命令號(hào)，作出相應(yīng)的動(dòng)作，參見圖5。上位機(jī)可以讓PLC 返回或修改當(dāng)前的工作狀態(tài)、返回或修改動(dòng)作表中的動(dòng)作字等，只要編制相應(yīng)的軟件，上位機(jī)就可以監(jiān)視、控制自動(dòng)線的運(yùn)行。 4 控制面板 常規(guī)的控制面板由按鈕、撥盤、開關(guān)、指示燈、數(shù)碼管組成，我們這次使用了三菱公司的F940GOT 人機(jī)界面，它是一個(gè)帶觸摸屏的彩色液晶顯示器，可以自由布置各種顯示、控制器件，如按鈕、鍵盤、開關(guān)、指示燈、文字、數(shù)碼管、圖片、進(jìn)度條等，取代了所有的常規(guī) 面板元件。這不僅大大節(jié)省了PLC 可貴的輸入輸出點(diǎn)，而且具有外觀新穎、信息量大、使用方便、修改靈活等特點(diǎn)。在應(yīng)用中還可以使用多屏畫面，把各種顯示、控制要求按功能分成多個(gè)畫面，相當(dāng)于多個(gè)小控制面板，再用一個(gè)封面畫面負(fù)責(zé)切換。 圖6 是本系統(tǒng)控制面板中的主控畫面，具有運(yùn)行模式(單步、單圈、連續(xù))的設(shè)定和顯示；運(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)行、暫停、停止)的設(shè)定和顯示；工藝(動(dòng)作表)選擇；行車動(dòng)作的顯示；手動(dòng)控制；當(dāng)前行車位置的數(shù)字和圖形顯示；定位誤差的顯示；動(dòng)作步的顯示和修改；當(dāng)前動(dòng)作字的顯示；動(dòng)作表的查詢顯示等。 5 結(jié)束語 由于該電鍍自動(dòng)線充分開發(fā)了FX2N-PLC 的多種先進(jìn)功能，并采用了較多的先進(jìn)控制手段及新型的控制器件，使整個(gè)系統(tǒng)具有較優(yōu)良的性能。經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，證明該系統(tǒng)是成功的。由此我們看到，由于PLC 具有許多優(yōu)異的性能，并且功能也日益強(qiáng)大，只要深入 理解這些PLC 的原理，加強(qiáng)二次開發(fā)，就可以在更多的領(lǐng)域發(fā)揮PLC 的作用。 參考文獻(xiàn) 1 MITSUBISHI 三菱微型可編程控制器編程手冊(cè)2000 年9 月13 日 (200433 上海邯鄲路440 號(hào)上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系) 趙玉昆