劉 慧

（南京嘉璽數(shù)控科技有限公司，江蘇 南京 226003）

0 引言

針對傳統(tǒng)的機床電氣工頻控制教學(xué)實驗臺，采用最新型的羅克韋爾自動化系列Micro850 PLC、PowerFlex525變頻器和PanelViewT4T觸摸屏，設(shè)計開發(fā)了新的自動化設(shè)備。該設(shè)備將機床電氣安裝、布線、PLC應(yīng)用、變頻器和觸摸屏自動化控制糅合在一起，既可以實現(xiàn)典型機床電氣的工頻控制，也可以實現(xiàn)PLC、變頻器的交流電動機變頻控制，以及觸摸屏的現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制。該教學(xué)設(shè)備的交付使用更能滿足社會對具有實踐能力和創(chuàng)新能力的高級人才的教學(xué)需求，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會價值。

1 自動化設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成

自動化設(shè)備實驗臺即要保留原有的工頻控制系統(tǒng)，又能實現(xiàn)交流電動機的變頻速度控制，并充分發(fā)揮變頻器和觸摸屏的技術(shù)優(yōu)勢，從而獲得一臺多用的教學(xué)儀器設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機床電氣控制實驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of machine tool electrical

利用羅克韋爾自動化設(shè)備的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，直接實現(xiàn)電腦、PLC、變頻器、觸摸屏和電動機的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與控制。該系統(tǒng)刪減了傳統(tǒng)的多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，減少了組態(tài)設(shè)備和物理連接，使系統(tǒng)構(gòu)成更簡潔、穩(wěn)定，也更易于調(diào)試、生產(chǎn)與節(jié)約成本。

2 控制方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)只需一臺交換機或無線路由器的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即可實現(xiàn)，不再需要傳統(tǒng)的信息層、控制層和設(shè)備層的三層劃分和控制模式[1]。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將所有的原件無縫地集成在一個自動化系統(tǒng)內(nèi)，從最簡單的設(shè)備到Internet，幫助用戶增進(jìn)靈活性，減少安裝費用，提高生產(chǎn)效率。

羅克韋爾自動化一體化編程、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件CCW（Connected Component Workbench），是開放網(wǎng)絡(luò)EtherNet/IP通信的組態(tài)工具。它提供實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)設(shè)定、通信規(guī)劃、在線監(jiān)測和故障診斷等功能的友好操作界面。如采用無線路由器，可以實現(xiàn)多臺電腦的遠(yuǎn)程和實時在線調(diào)試，更易于網(wǎng)絡(luò)控制和多人教學(xué)。

2.2 控制方式

該自動化設(shè)備主要可以實現(xiàn)交流電動機的五種控制方式：①手動按鈕工頻控制方式；②變頻器手動鍵盤控制方式；③手動機旁工頻控制方式；④手動機旁變頻控制方式；⑤觸摸屏人機交互控制方式。

2.2.1 手動按鈕工頻控制方式

該方式主要是通過交流接觸器、中間繼電器和熱繼電器至交流電動機，并由啟動、停止等按鈕，實現(xiàn)電機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)功能控制。也可實現(xiàn)兩臺電機的順序啟動逆序停止等控制。

2.2.2 變頻器手動鍵盤控制方式

該方式主要通過變頻器面板設(shè)定相應(yīng)的信號源、加減速和慣性停止等變頻器參數(shù)，并由面板上的啟動、停止、換向鍵和模擬旋鈕，實現(xiàn)電動機的啟動和變頻控制。該方式主要用于變頻器的調(diào)試或教學(xué)訓(xùn)練，在生產(chǎn)應(yīng)用中很少使用[2]。

2.2.3 手動機旁工頻控制方式

該控制方式主要利用PLC的邏輯控制功能，配合控制按鈕和繼電器線圈實現(xiàn)電動機的啟動、停止或正反轉(zhuǎn)工頻控制，PLC接線圖如圖2所示。其中，工作方式選擇開關(guān)可以實現(xiàn)PLC的工頻和變頻狀態(tài)轉(zhuǎn)換，變頻方式時變頻器的接線原理圖如圖3所示。

圖2 PLC接線原理圖Fig.2 Schematic wiring diagram of PLC

圖3 變頻器接線原理圖Fig.3 Schematic w iring diagram of inverter

工頻模式時，按下啟動按鈕SF1，使QA1線圈得電，圖3中的QA1交流接觸器主回路導(dǎo)通，交流電動機啟動旋轉(zhuǎn)。按下停止按鈕SF2，QA1線圈失電并斷開主回路，電機停轉(zhuǎn)。

2.2.4 手動機旁變頻控制方式

該方式需要PLC和變頻器的相互配合，并編制相應(yīng)的PLC程序，實現(xiàn)電動機的變頻速度控制。在變頻方式下，按下SF1啟動按鈕，使圖3中的QA2和QA3交流接觸器吸合，電機主回路得電。按下正轉(zhuǎn)按鈕SF3，使中間繼電器線圈KF1得電吸合，同時圖3中的常開觸點KF1吸合，電機正傳；同理，按下反轉(zhuǎn)按鈕SF4，電機反轉(zhuǎn)。

通常情況下，變頻器的頻率給定有外部0～10V電壓給定、4～20mA模擬量給定、外部數(shù)字量及其它頻率源給定。這些傳統(tǒng)的控制模式，需要可調(diào)電位器或數(shù)字量開關(guān)等外設(shè)連接，且精度有限。

本文采用EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，編寫相應(yīng)的PLC和變頻器程序，在程序中設(shè)置相應(yīng)的速度參數(shù)，如IP地址、參考速度、加速時間和減速時間等。這些參數(shù)可以在電動機運行狀態(tài)時在線監(jiān)控，其中電動機頻率參考電壓直接通過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)寫入變頻器相應(yīng)存儲器，并由變頻器轉(zhuǎn)換為三相電壓驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)變頻調(diào)速。此時，只需一根網(wǎng)線，不再需要其它外設(shè)，甚至連正反轉(zhuǎn)的KF1、KF2中間繼電器都可以省略，交由PLC邏輯編程實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)異常簡單。

2.2.5 觸摸屏人機交互控制方式

在方式4中可以通過按鈕和指示燈實現(xiàn)電動機單一速度的正、反、?？刂?，但在脫機狀態(tài)下無法進(jìn)行轉(zhuǎn)速的顯示與實時修改。所以，圖形終端觸摸屏在生產(chǎn)線上非常重要，是人機交互的重要工具。

在方式4的基礎(chǔ)上，設(shè)計觸摸屏的人機交互界面如圖4所示。其中主要有控制按鈕、電機速度顯示、電機頻率設(shè)定鍵盤及時鐘。設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)簽，如圖5所示。

圖4 觸摸屏人機交互界面Fig.4 HM I interface of touch screen

圖5 觸摸屏速度控制標(biāo)簽Fig.5 Speed control label of touch screen

對設(shè)定好的標(biāo)簽，正確建立與PLC地址和參數(shù)的關(guān)聯(lián)，以保證動作安全、有效，其中主要參數(shù)如表1所示。

修改相應(yīng)的PLC程序，設(shè)置PLC、變頻器和觸摸屏的IP地址，通過Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機調(diào)試。此時，即可通過觸摸屏按鍵實現(xiàn)電機的起動、停止和正反轉(zhuǎn)功能，也可通過PLC的控制按鈕實現(xiàn)，只需簡單的修改PLC梯形圖，方便、快捷。調(diào)試后的實驗臺如圖6所示。

表1 PLC變量表Tab.1 Variable table of PLC

圖6 自動化設(shè)備實驗臺Fig.6 Test bench of automation equipment

3 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)的機床電氣自動化教學(xué)設(shè)備，將典型機床控制系統(tǒng)與羅克韋爾自動化融為一體。在此平臺上，可以實現(xiàn)交流電動機的五種基本的工頻和變頻控制模式。各模式之間即可相互獨立，又可互為基礎(chǔ)；由經(jīng)典到現(xiàn)代，物理連接越簡單，自動化程度越高，更方便、有效。該設(shè)備已順利交付應(yīng)用于教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果。