1工藝流程2磨削機PLC控制系統的硬件設計2.1磨削機設備組成及設計目標磨削機主要由1臺日本三菱電機公司FX系列小型可編程控制器FX2N-48MR，1臺FX2N-10GM單軸定位控制器，1套三菱MR-J2S系列交流伺服系統，3臺三菱FR-S540系列變頻器，1臺三菱F94GT-LWD觸摸屏，1個FX2N-4DA模塊組成。其核心是可編程控制器，它的輸出部分主要用于控制伺服和驅動電機。其輸入部分主要接收各類保護繼電器的動作信號。

　　整個設計具體可分為以下4部分：①采用PLC和FX2N-10GM完成檢測（計算出比較佳的進刀量），自動磨削等工序。②利用伺服實現對磨削進刀量的雙閉環控制。③利用內部計數器和光電開關讀取橫向拖板移動距離。④采用觸摸屏實現了更為方便、友好的人機通訊。

　　2.2PLC控制系統構成一上電，拖板和控制進刀距離的伺服歸零，接著為了實現合適的進刀距離開始檢測，檢測完畢開始真正的磨削過程。磨削機控制系統中，通過3臺變頻器來控制用于拖板移動，刀盤轉動，版輥轉動的電機，刀盤主軸進給系統應用PLC（可編控制器）定位伺服控制系統，通過伺服來實現一定的進刀距離，磨削出所要求的版輥，FX2N-10GM讀取檢測時探頭的讀數。光電接近開關裝在轉動輪上，把拖板的長度轉化為脈沖信號，利用可編程控制器的計數器進行計數，當計數值達到設定值時，控制拖板停止移動，橫向移動控制精度要求不高，用PLC內部計數器來實現即可，節約了成本。噴霧閥在機器運行時，給版輥噴灑冷卻液，來保證成形輥不受磨損及型材表面的光潔度。

　　光電接近開關和D/A擴展模塊以及觸摸屏等元件組成，實現磨削過程中基本邏輯動作、檢測、伺服閉環控制和人機通訊四大功能，控制系統結構框圖如所示。

　　結合模塊：磨削機要求絲杠上的刀盤在加工前后必須停控制系統結構框圖為了提高生產線使用的安全性、運行的可靠性、維護的方便性、操作的靈活性、故障診斷的智能性、磨削的準確性，設計的控制系統采用自動（包括粗切、精切）/手動控制方式。在選擇手動操作時，通過觸摸屏上的軟按鈕實現設備啟、停控制，操作手柄控制伺服的進或退點動，便于設備調試維修。在選擇自動操作時，在觸摸屏上設置版輥直徑、版輥長度、切削量，顯示檢測時的版輥直徑比較大值，比較小值和平均值等信息和檢測到的故障信息，從而也提高了控制便利性。改變變頻器的設定頻率，可改變拖板在相同的位置，以便下一加工循環，否則將造成刀具或工件損壞。準確定位在普通繼電器控制的鼠籠式交流電機上實現起來比較麻煩，我們采取伺服系統來實現定位，引入速度負反饋消除了外界參數變化和擾動對系統狀態的影響，使該系統具有動態響應快、定位精度高、系統穩定性好等特點。為了在工作過程中使精度控制在規定的誤差以內，進刀距離通過檢測采用閉環跟蹤控制。首先是用FX2N-10GM讀取檢測時探頭接觸版輥的讀數，并根據公式顯示出版輥的直徑比較大，比較小，平均值（與制定合鹋概轉速度挪1轉斃6伽咖Publishing愚的切削量有關，然后此時的伺上需要的切削量求出比較精確的進刀量，比較后開始整個自動磨削過程。FX2N-10GM作為智能化的定位控制器按用戶編制的定位程序向驅動器發出定位脈沖、運行方向等，信號驅動器按這些控制信號驅動伺服電機帶動滾珠絲杠進行定位，對于伺服電機，有伺服準備、伺服結束和零位三個信號反饋，外部設定用數字開關可將定位點位置和速度等數值送入定位單元，定位單元通過總線連接到FX系列PLC擴展口上，成為PLC控制系統3）變頻器模塊：為實現三相異步電動機速度調整和穩定運轉，我們采用變頻器來調速電機。變頻器的模擬輸入電壓端子接受FX2N-4DA速度電壓值后，根據內部設定的參數值來對異步電動機調速。調速方式為V/F型，這種調速方式在改變變頻器輸出頻率的同時改變變頻器的輸出電壓，兩者的比值為恒定，以保持異步電動機磁通不變。該調速方式簡便、可靠，能夠滿足電機調速的要求。

　　中的定位智能控制環節，在定位單元內，常量的設置與監控、參數的改變可以通過使用連接到PLC上的數據存取單元完成，因此可以在運行過程中由PLC指定模塊號（這里10GM是1號模塊，4DA是2號模塊），傳送定位速度等數據，并能在PLC中監視GM的實時定位信號及運行或停止狀態。在PLC和FX2N-10GM之間的數據通訊被FROM和TO指令控制，在FX2N-10GM中有專門用于通訊的緩沖存儲器并給予編號（BFM），相應地在PLC中分配有輸入繼電器，輸出繼電器，輔助繼電器，以及特殊輔助繼電器等設備，使用TO指令從PLC的數據寄存器傳送數據到FX2N-10GM的數據設備中，使用FROM指令從FX2N-10GM設備中傳送數據到PLC的數據寄存器中。

　　進刀量用伺服電機來控制，伺服電機的控制由PLC實現。PLC產生兩路信號，一路為伺服脈沖信號，它的頻率和伺服電機的轉速成正比，它的個數決定了伺服電機旋轉的角度。另一路為方向電平信號DIR.當DIR為高電平時，電機順時針旋轉；相反，當DIR為低電平時，電機為逆時針旋轉。磨削中分為粗切和精切，精切的精度要求很高，一般切削量不能大于0.05mm，伺服前進1mm，就發了1600個脈沖，相當于一個脈沖就前進了0.625um，精度非常高，從而使得絲杠得到精確定位。伺服控制刀盤進刀時，進刀速度不是不變的，當刀盤接近版輥的時候要自動開始減速，以免過沖影響磨削質量。控制刀盤進刀的絲杠上有三個接近開關，一個是用來原點定位的，另外兩個分別是進、退接近開關。定位系統框圖如所示。

　　定位系統框）DA模塊：版輥旋轉，刀盤旋轉，拖板移動分別用3臺電動機拖動，變頻器根據輸入的版輥直徑，版輥長度通過調用公式來調節電動機轉速，保證磨削出一定錐度的表面。三個速度和版輥直徑，長度之間存在著一定的機械關系，而這種折算關系存儲在PLC中并在磨削前自動調用出來，拖板的橫向移動距離用接近開關檢測，電機每轉一周檢測5個開關（絲杠前進10mm），計5次數，一次計數就移動2mm，停止時已經記下一定的距離，當拖板退回去的時候可以根據折算好的計數值自動停止移動。無4）觸摸屏：觸摸屏與PLC相配合，使對設備的任意多的操作控制、大量的運行信息反饋通過對觸摸屏編程予與實現，PLC與觸摸屏之間通過串行接口通訊，連線簡潔，整個系統更緊湊、美觀。

　　3系統的軟件設計3.1PLC控制的軟件設計PLC控制軟件的設計大致可以分為以下幾個模塊：上電初始化、檢測、自動磨削、報警及報警處理。選用三菱FX1N的PLC，其內部包含基本邏輯指令、步進順控指令和功能指令，配合擴展模塊的特殊指令，編程靈活、修改方便且運行穩定。各模塊的程序流程見（a）。

　　（a）中，首先進行初始化，初始化包括拖板、刀盤進給絲杠和伺服的歸零，一上電伺服控制刀盤的軸快速移動到零點位置，相應的伺服讀數為零，拖板也根據需要回到零點位置，若刀盤主軸進給超過比較大給定行程時，系統發出超程報警，同時刀盤主軸自動返回零位。比較麻煩的是不知道要切削幾次才可以達到磨削的期望值，為了提高效率，用戶可以將常用的磨削周期存儲起來以備后用，而不必重新設計磨削周期。而切削過程流程圖（a）自動狀態下的程序流程3.2觸摸屏畫面設計（b）切削過程流程削出來的表面精度，因此，當其中一個速度發生波動時，另外兩個的轉速必須迅速跟蹤。無論手動操作時設定速度還是根據版輥直徑，長度通過公式求得刀盤、版輥、拖板速度值，都要將其值傳給三菱變頻器。為此，我們增加FX2N-4DA模塊。該模塊提供4個輸出通道（要用到3個通道），BFM0決定通道是電壓輸出還是電流輸出。模式0是電壓輸出模式，對應于-10V~+10V.模式1、2是電流輸出模式，分別對應于4mA~20mA和0mA~20mA.模擬量輸出的增益/偏益設置由BFM8和BFM9決配合變頻器速度調整的模擬量輸入標準，我們采取模式0，即電F900GOT系列觸摸屏是三菱公司為配合其FX系列及A系列PLC而設計的。F940GOT-LWD為單色液晶，雙色顯示。

　　觸摸屏可取代操作按鈕、撥碼盤，SEGA數碼管，使本系統配置、連線，PLC程序更加簡潔。通過組態軟件，可生產豐富的用戶畫面。既方便操作者使用，又便于設計者開發，是理想的人機界面。

　　該系統中主要設計了歡迎登錄畫面、主畫面、手動操作畫面、粗切顯示監控畫面、粗切操作畫面、精切顯示監控畫面、精切操作畫面、故障顯示畫面和報警履歷顯示等9個基本畫面和幫助及故障詳細顯示等10個窗口畫面。這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC通過RS-422通信電纜連接可實現信息互通。在畫面的設計調試過程中，也可從觸摸屏上傳畫壓輸出4*式1°5分辨i率a為5mVi字量范fa定義為ti20：00！有1效Hhg司的AT24C02.我們可以通過芯片上的SDA和SCL與單片機相連，這就是常說的l2C總線方式。l2C是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它根據地址識別每個器件，并通過SDA（串行數據線）及SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息。

　　在硬件上，我們需要注意SDA和SCL均為雙向I/O線，必須通過上拉電阻接正電源，從而保證當總線空閑時，兩根線都是高電平。這是因為EEPROM的SDA和SCL這兩根線是集電極開路。在軟件上，我們需要注意當發送停止信號后，EEPROM進入內部寫數據周期，在這段時間內，不應答任何外來信號，因此需要在發送停止信號后，至少延遲1.2！s的時間，才能保證重新輸入的開始信號有效。

　　上位機和下位機通過MAX232通訊，是德州儀器公司生產的一款兼容RS232標準的芯片。MAX232是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5V電源供電時提供TIA/EIA-232-E電平。每個接收器將TIA/EIA-232-E電平輸入轉換為5VTTUCMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接受*30V的輸入。每個驅動器將TTUCMOS輸入電平轉換成TIA/EIA-232-E電平。

　　3.2下位機下位機的主要任務是接受上位機傳來的數據，處理熱輥的溫度信號并輸出合適的功率。它實時接受熱輥的溫度信號，并通過PID方法來控制功率輸出。

　　PID由直接計算法和增量算法，直接計算法得到的是當前需要的控制量，增量算法則是相對于標準算法的相鄰兩次運算之差，得到的是增量。

　　標準的直接計算法公式：兩式相減得到增量法計算公式：其中，Kp，Ki，Kd則是做好一個控制器的關鍵常數，分別稱為比例常數、積分常數和微分常數，不同的控制對象需要選擇不同的數值，還需要經過現場調試才能獲得較好的效果。系統一旦出現了偏差，比例調節立即作用已減少偏差。比例作用大，可加快調節，減少誤差，但過大的比例，會使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分調節使系統消除穩態誤差，提高無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用越強，反之則積分作用弱。加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。微分調節反應系統偏差信號的變化率，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，可改善系統的動態性能。但微分作用對噪聲干擾有放大作用，若過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。

　　現場整定PID參數時，可以根據這些參數在PID過程中的作用原理，來討論我們的對策：1'加溫很快就達到目標值，但是溫度過沖很大：①比例系數太大，致使在未達到設定溫度前加溫比例過高；②微分系數過小，致使對對象反應不敏感。

　　2'加溫經常達不到目標值，小于目標值的時間較多：①比例系數過小，加溫比例不夠；②積分系數過小，對恒偏差補償不足。

　　3'基本上能夠在控制目標上，但上下偏差偏大，經常波動：①微分系數過小，對即時變化反應不夠快；②積分系數過大，使微分反應被淹沒鈍化；③設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點。

　　選擇一個合適的時間常數很重要，要根據輸出單元采用什么器件來確定，如果是采用可控硅的，則可設定時間常數的范圍就很自由；如果采用繼電器的，若過于頻繁的開關就會影響繼電器的使用壽命，所以不太適合采用較短周期。一般的周期設定范圍為2s至5min較為合適。

　　4結束語經測試表明，本文所提出的分區控制及液晶顯示達到了預想的效果，運行穩定，現場調試簡便，熱輥的溫度誤差被控制在±