引言
PLC以其可靠性高、逻辑控制功能强、体积小、适应性强和与计算机接口方便等优势在工业测控领域广泛运用，已大量替代由中间继电器和时间继电器等组成的传统电器控制系统。近年来，PLC技术发展迅猛，新产品层出不穷。高端PLC不仅擅长开关量检测和逻辑控制，而且能够处理模拟信号、进行位置控制和回路控制，还可以连接各种触摸屏人机界面并具有强大的网络功能。高端PLC配备适当的位置控制单元和触摸屏人机界面，并根据计算机集成制造系统(CIMS) 或柔性制造系统( FMS) 的具体要求，配置相应的网络模块或网络单元，即可实现网络互连，构成开放的数控系统。本文介绍一种基于OMRON高端PLC的磨削数控系统，这种数控系统装备的位置控制单元可以实现两轴联动，并可根据实际需要，任意扩展控制轴数；触摸屏人机界面可以根据操作需要灵活设计；还可通过DeviceNet、Controller Link和TCP / IP协议单元进行多层次的网络互连。这种数控系统目前已在3MZ2120磨床数控技术改造中获得成功应用。
1、数控系统的开放特征与典型模式
开放式数控系统一般基于PC平台，具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发和适应联网工作等特征。基于PC平台的开放式数控系统目前有3种典型模式。第一种为衍生型(专用NC + PC) ，在传统CNC中插入专门开发的接口板，使传统的专用CNC带有PC的特点。此种模式是由于数控系统制造商不能在短期内放弃传统的专用CNC技术而产生的折中方案，尚未实现NC内核的开放，只具有初级开放性；第二种为嵌入型( PC +NC控制卡) ，将基于DSP的高速运动控制卡(NC控制卡)插在PC的标准扩展槽中，由PC机执行各种非实时任务，NC控制卡处理实时任务。是目前基于PC平台的开放式数控系统的主流；第三种为全软件数控系统，PC机不仅能够完成管理等非实时任务，也可以在实时操作系统的支持下，执行实时插补、伺服控制、机床电器控制等实时性任务。这种模式的数控系统实现了NC内核的开放和用户操作界面的开放，可以直接或通过网络运行各种应用软件，是真正意义上的开放式数控系统。与PC平台开放式数控系统相比，基于高端PLC的数控系统的开放性主要体现在网络层面和系统扩充层面。高端PLC采用类似于PC的总线结构和面向操作的梯形图语言编程，模拟量处理单元、位置控制单元、回路控制单元、网络模块或网络单元等高端部件都有专用控制语句，具有系统构建灵活、扩充能力强、应用软件设计便捷等优点。编程语言标准化和部件可互换性的不断增强，现场总线技术和工业以太网络标准的普遍采用，都使基于高端PLC的数控系统变得更加开放，将成为面向CIMS或FMS的设备层的重要组成部分。
2、基于高端PLC的磨削数控系统
基于高端PLC的磨削数控系统组成结构如图1 所示。
图1 磨削数控系统组成结构图
2.1 开关信号监测与逻辑控制
当前系统输入输出单元是PLC的基本组成部分，在磨削数控系统中承担所有开关信号的监测和全部逻辑控制功能。监测信号主要有：机械手进出、机械手上下、料盘正反转、修整器起落等动作的位置信号，磨削设备和辅助装置上的各种工作状态信号和异常报警信号。系统输出单元控制磨削设备上所有电磁阀和机床电器系统等，通过磨削设备上的液压系统，控制机械手、料盘、工件卡盘、砂轮轴、床身、修整器等基本部件和冷却、润滑、过滤等辅助装置按照磨床动作和磨削工艺要求工作，实现磨削加工过程的自动化。
2.2 工件与砂轮运转速度控制
保持工件与砂轮转动速度恒定，对提高磨削加工质量十分有利。为此系统配备了2台带RS - 485串口变频器，分别驱动工件轴和砂轮轴。PLC采用联机随动控制保证两者之间速度的配合与稳定。操作人员依据磨削加工要求设定工件轴变频器速度参数，PLC接收该参数后，参照砂轮直径(设定或记忆值) 和转动速度比例关系，计算并自动设定砂轮轴变频器的速度参数。在磨削加工过程中，PLC对砂轮在磨削及修整过程中的损耗给予速度自动补偿。PLC最多可以控制32台变频器，不同厂家的变频器可采用协议宏通信联接。PLC按照变频器地址( 0 - 31) 、指令代码和相关数据顺序向变频器传送命令，对变频器运行、停止、正转、反转等实施控制；PLC还可以监视变频器运行状态，当变频器发生过电流、过电压、变频器过载、硬件异常、电机过载、过力矩检测、电源异常、通信超时等情况，可将异常参数传输给PLC，由PLC作出相应处理。
2.3 位置控制单元(PCU) 与位置控
制高端PLC配备单轴位置控制单元，与步进电机或交流伺服电机驱动器配套使用，可以完成开环或半闭环位置控制及速度控制，配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制，实现直线和圆弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出与高端PLC配套的PCU，具备高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU 自带PCU 的位置脉冲速度为1kBPS，高级PCU 的速度可达到500kBPS，松下PP2 或PP4 系列的位置控制速度高达1MBPS。采用高端PLC设计数控系统，需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择适合的位置控制单元( PCU) 。磨削数控系统控制精度要求较高(F1μm) ，一般选择数字交流伺服系统。OMRON高端PLC专用高级指令控制脉冲输出，可选择梯形、S形或三角形速度曲线运行，实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。程序设计可选择相对坐标系或绝对坐标系，按照图2 所示的梯形图编程运行，可实现各种磨削加工所应遵循的运行曲线。
图2 位置控制编程示例
图3表示该数控系统准确实现铁路轴承内套挡边粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。
图3 磨削加工中的砂轮运动轨迹
2.4 触摸屏人机界面设计
基于高端PLC的磨削数控系统可选用触摸屏人机界面( Programmable Ter2minal，PT) ，采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等) 以及动画功能等，按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以3MZ2120磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要，该系统主界面下设8个子画面(图4) 。
图4 界面转移关系示意图
系统上电自动进入主界面，核对操作密码后弹出主菜单，在主界面上点击操作可转移相应的子界面。加工参数和修整参数设置界面提供设置数控磨削相关参数提示；手动操作和手动修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手动位置控制和手动修整砂轮操作，为设备调试提供便利；自动报警界面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计，对油雾润滑、液压系统、机床电器系统、料槽状态、冷却系统和伺服电机等实施监测和自动报警，当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(报警时间、故障代码及应对措施等) ；自动运行界面(图5) 采用棒图显示当前磨削余量值；采用动画方式实时显示加工状态和加工位置等。还设有“紧急停车”等应急按钮。PT有RS232 /422 /485 通讯口，能够兼容众多厂家的PLC。人机界面应用程序可脱机编制和调试，然后下载到PT上运行，PLC一般通过RS232接口与PT相连。许多PT还配备并行接口，可直接与打印机连接，实时打印数据或进行屏幕拷贝。
图5 自动运行界面示意图
2.5 网络结构与联网功能
灵活的网络结构和强大的联网功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有标准RS232接口连接触摸屏人机界面、上位机或编程工作站。还可扩展DeviceNet通信单元，使各种符合DeviceNet通信协议的产品都可以连入系统中，以构成基于DeviceNet开放式现场总线的数控系统；系统与车间管理层计算机及车间其它高端PLC 的连接可以采用ControllerLink方式，在PLC中扩展Controller Link 通信单元，车间管理层计算机装备Controller Link支持卡即可实现互连，由底层DeviceNet设备、基于高端PLC的数控系统或其它测控设备和车间管理层计算机构成3层递阶结构的网络测控系统。高端PLC一般都可配置符合TCP / IP协议标准的以太网单元，全面支持远程监控等应用。
3、结束语
广泛建立计算机集成制造系统(CIMS) ，全面提高制造自动化水平是我国制造业发展的重要方向。然而缺少设备层的有力支持正逐渐成为发展CIMS 的“瓶颈”，研究开发各种面向CIMS的数控装备显得十分重要而紧迫。基于高端PLC的数控系统具有系统构建灵活，应用软件设计便捷等优点。灵活的网络结构、强大的联网功能和系统扩充能力使这种数控系统具有一定的开放性，将成为CIMS设备层的重要组成部分。本文所述基于OMROM高端PLC的磨削数控系统已成功应用于3MZ2120 磨床数控技术改造，使原来手工操作的磨削设备成为先进的数控磨削设备，并在铁路轴承内套挡边磨削加工中发挥了重要作用。
