关键词：金相;切割机;PLC;触摸屏
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
金相分析是机械、冶金、汽车、工模具、农机等制造行业中，保证产品质量、查清事故原因的重要手段[1]。要进行金相分析，就必须制备金相试样。随着控制技术的不断发展，触摸屏与可编程控制器在工业控制中的应用越来越广泛[2]。触摸屏又简称PT，是新一代高科技图形化人机界面产品。既可以图形或数字对生产现场的设备进行实时的监控，又可在触摸屏上设置触摸开关和数字输入编程键，对设备进行控制操作。在触摸屏与PLC组成的控制系统中，触摸屏完成对设备的操作、显示和故障报警，PLC则根据生产工艺的要求，编制程序，直接对设备进行控制。本文采用OMRON CPM2A PLC与触摸屏NS10-V1，为大型金相试样切割机设计了控制系统。
1 控制系统总体结构
控制系统的执行部件主要是三台步进电机和一台三相异步电机。三相异步电机通过二级带传动驱动砂轮片高速旋转，由于砂轮片的转速对切割试样的质量影响较大，所以切割不同的工件时，砂轮片应具有不同的转速。系统控制变频调速器可使砂轮片的转速从0-3400r/min无级可调。三台步进电机采用专用的驱动器进行细分驱动。驱动砂轮片上下运动和工作台横向、纵向运动。控制系统核心控制器PLC需要提供逻辑控制信号，使异步电机和步进电机协调运动，完成切割动作。
控制系统主要由触摸屏、PLC、变频器、步进电机驱动器、速度检测电路、位置检测电路等五大部分组成。控制系统框图如图1所示。
控制系统以OMRON CPM2A PLC为核心，扩展模拟量I/O单元CPM1A-MAD01，其模拟输出作为变频器的频率控制信号。NS10-V1触摸屏作系统的人机交互界面。PLC集中解决数据处理和自动控制的问题，触摸屏完成参数设定和显示的功能[5]。系统运行时，用户首先通过触摸屏设置的控制信息，PLC按照用户所选的切割模式和切割参数，根据接近开关检测的位置信号和速度传感器采集的速度信号，对变频器和步进电机驱动器发出控制信号，使工作台、悬臂、砂轮片协调运动，完成切割任务。系统运行过程中，触 摸屏可实时显示速度、切割进给量等控制信息，并进行故障显示报警。
图1 控制系统框图
Fig.1 Block diagram of control system
图2 变频器控制电气原理图
Fig.2 Electric principle diagram of frequency transformer control
2 控制系统硬件设计
2.1 变频器控制实现
2.1.1 变频器控制电气原理图
系统选用L100—075HFE型变频器。额定输入电流为20A，额定输出电流为16A，输出频率范围为0.5～60Hz，适用于容量为7.5KW（3000r/min）的异步电机[3]。
变频器对电机的控制有主回路连接和控制回路连接，其电气原理图如图2所示。
变频器主回路连接：变频器的L1、L2、L3为输入端，经漏电保护器与50Hz、380V三相交流电源相连，输出端U、V、W接交流电动机，变频器输出频率的变化将控制电动机转速的变化，两者之间的关系近似线性，实现了无级调速的目的。
变频器输入控制信号连接：PLC的输出端01100～01103分别与变频器的智能输入端子相连。CPM1A-MAD01模拟量输出模块与变频器的O、L端子相连，由模拟量I/O单元输出的0～10V电压信号控制变频器的输出频率，变频的输出频率与设定电压成正比。
变频器输出信号连接：分别在输出端子11和12与输出公共端接一只发光二级管，作为变频器运行和电机过载信号指示。在报警端子AL0 和AL2之间接一蜂鸣器，作为变频器的故障报警输出。
2.1.2 速度检测与PID控制的实现
砂轮片的转速对切割试样的质量影响较大，因此要对砂轮片转速进行PID闭环控制，以提高速度的控制精度。首先通过触摸屏操作菜单设定一个电机转速，电动机按此转速旋转带动砂轮片切割工件。在旋转过程中，光电传感器对砂轮片转速进行实时采样，速度信号经处理后送入PLC的高速计数器，经处理后使用PID指令来控制模拟量I/O的输出，变频器接收PLC输出的模拟信号对其输出频率进行控制，从而调节砂轮的转速，实现了砂轮片转速的PID闭环调节[4]。
2.2 步进电机控制实现
2.2.1 CPM2A的脉冲输出功能
晶体管输出型CPM2A具有高速脉冲输出功能，使用01000、01001两个输出点。有以下三种情况：
（1）两点无加速/减速的单相脉冲输出：输出频率为10Hz～10kHz，占空比50%。
（2）两点不同占空比的脉冲输出：频率范围为0.1Hz～999.9Hz，占空比0～100%。
（3）一点带梯形加速/减速的单相脉冲输出：分为脉冲+方向输出和加/减（CW/CCW）脉冲输出两种情况，占空比50%[6]。
CPM2A的脉冲输出控制指令，PLUS命令可以控制输出脉冲个数，取值范围是-16777215～16777215。SPED命令可以设置输出脉冲的频率，输出频率范围是10Hz～10kHz。PWM命令可以在指定的输出口输出可变占空比脉冲。ACC命令可以输出梯形加/减速脉冲，可用于加/减速控制。
CPM2A脉冲输出功能可以方便的用于步进电机控制。切割机控制系统中有三台步进电机驱动器需要提供脉冲信号。其中01000点输出指定频率指定个数的脉冲，用于控制砂轮片的进给速度和进;01001点输出指定个数脉冲，用于控制工作台前后位移量;普通输出端子01004输出指定频率（范围为0～500Hz）的脉冲，经倍频（100倍）电路升频后输入步进电机驱动器，用于控制工作台的左右运动。
2.2.2步进电机驱动器接口电路
步进电机与驱动器选用85BYG450A和SH-2H090M。驱动器是把PLC提供信号放大为步进电机能够接受的信号，PLC提供给驱动器的信号主要有两路：一路为步进脉冲信号CP，控制CP的频率，就可以对电机精确调速，从而有效调节工作台和砂轮片的进给速度;控制CP的个数，就可以对电机精确定位，实现工件的切割量控制。另一路为方向电平信号DIR，当DIR为高电平时，电机正转，当DIR为低电平时，电机为反转。图3为步进电机驱动器接线图。
图3 驱动器接线图
Fig.3 Connection diagram of driver
图4 系统主控程序流程图
Fig.4 The main program flow chart of system
3 控制系统软件设计
控制系统软件设计主要包括系统主控程序设计、自动控制程序设计等。其中自动控制程序主要包括直切程序、进三退一切割程序、逐层切割程序和连续切割程序。
主控程序在上电复位完成系统的初始化后，与触摸屏通信，接收触摸屏传送的控制信息，根据用户选择的切割模式，在切割过程中要完成输入信号的循环扫描，并对输入信息进行处理后，输出不同的信号控制系统的各执行部件，使它们协调工作，完成工件的切割。其中系统主控程序的功能包括上电复位和各切割模式的自动控制，系统的主控程序流程图如图4所示。
4 触摸屏操作界面设计
系统选用NS系列NS10-V1触摸屏，触摸屏有内置的信息处理和通信能力，能满足机器操作和监控的可视化需求。NS10-V1是电阻膜感应压力式触摸屏，内部有高达20MB的画面数据存储器，10英寸的TFT液晶显示器有256色、高亮度和大的视角。字体以Unicode保存，能进行快速多语言操作并在一幅屏幕中显示各种字体。图像动画、自动数据传送和其它过程能用宏程序控制。用户程序和操作数据能通过网络或存储卡被传送到PC中。
NS10-V1触摸屏有两个串行通信端口：A和B。它们都符合EIA RS-232C通信标准，采用9针D-sub连接器。CPM2A PLC自带RS-232C通信口，NS10-V1可通过RS-232C口与PLC直接相连。在切割机控制系统中，NS10-V1与CPM2A通过RS-232C口进行1:1NT链接通信。
NS10-V1触摸屏采用NS-Designer 软件进行人机界面的开发，完成后可通过计算机的RS-232C串行通信口下载到触摸屏中。NS-Designer有大量的图形库和界面编辑功能，NS-Designer 中的智能控件可直接访问PLC内部的继电器区，用户只要从设备库中拖放智能控件，就可以为控制系统定制操作界面。
根据系统控制和操作要求，共设计了系统主界面、自动操作界面、切割参数设定界面、切割参数显示界面等4个人机交互界面，还有系统操作说明等。其中自动操作界面如图5所示，参数设定操作界面如图6所示。
系统上电后，触摸屏显示启动界面，系统密码验证正确后进入系统主界面，主界面显示当前日期和时间。在主界面中，可通过操作说明按键浏览操作说明。主界面要求用户选择切割模式：直切、进三退一、逐层、连续。选好切割模式后自动跳转到切割参数设定界面对切割参数进行设置，设定完成后，按启动按钮系统开始自动切割，切割过程中触摸屏自动进入切割参数显示界面，运行参数和有关部件的工作状态都可以在触摸屏上动态显示，出现异常情况时自动会报警并进入报警界面，显示系统故障信息。
图5主操作界面图
Fig.5 The interface of host operation
图6切割参数操作界面
Fig.6 The interface of cutting parameters
5 结论
本文的创新点：
1 在以PLC为核心的大型金相试样切割机控制系统中，由于触摸屏的应用省去了传统控制方法中的开关、按钮、指示灯和仪表等，节省了空间提高了控制系统的可靠性。 人机界面、监视功能和保护措施，不但方便操作，而且系统的性能更加安全可靠。
2 采用变频调速器对异步电机进行无级调速，通过光电传感器对砂轮片转速进行实时采样，利用PLC的高速计数功能和模拟量PID控制的功能，实现了砂轮片转速的PID闭环调节，提高了速度控制精度，保证了试样切割过程中不损坏砂轮片。
3 通过PLC集中逻辑控制三个步进电机的协调运动，实现了四种切割模式：直切、进三退一切割、逐层切割、连续切割，不仅扩大了切割范围，而且切割机能够高效率的切割不同尺寸和不同硬度的工件。
参考文献：
[1]孙维连，理化检验金相切割机的国内外研究概况[J]-物理分册.2003.7.357∽360
[2]刘燕，触摸屏与PLC的通信与连接[J]。自动化与仪器仪表，2002，（4）.
[3]日立制作所，日立变频调速器L100系列说明书，东京·日本.
[4]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5]江秀汉，汤楠。可编程序控制器原理及应用[M]。西安：西安电子科技大学出版社，2003.3.
[6]OMRON，可编程终端NS系列操作手册。2006.3.
[7]吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程[J].微计算机信息，2005，8-1：21-23
