基于三菱FX2N的高壓水射流除銹機控制系統

1 引言
高壓水射流技術在材料切割和金屬除銹工業領域已被國內外的相關企業所采用，其主要工作原理是:用高壓水泵將水加壓到一定壓力(一般為50~400MPa)，再通過噴嘴上的小孔將水高速噴出，形成一股超音速水射流，使水獲得巨大動能，用來切割各種材料或者進行金屬除銹。高壓水射流用于金屬除銹，由于它是濕法除銹，不產生粉塵，安全衛生，勞動條件好，對環境無污染，所以它在金屬除銹工業領域的廣泛應用是將來發展的趨勢。

2 除銹機控制系統的要求及控制流程
捷特公司開發的全混合磨料水射流除銹機的處理對象為各種鋼板和焊接成型的箱型梁，要求除銹機能對不同類型的處理對象表面進行自動除銹。這就意味著高壓水噴頭的運動控制應采用三坐標控制方式，即噴頭要完成縱(x方向)、橫(y方向)和升降(z方向)運動，除銹機的電控系統應能在操作者輸入工件外形尺寸后，按事先編制好的程序自動完成除銹工作。由于高壓水泵的拖動電機功率高達110kW，需采用啟動限流措施，以減小對電網的沖擊。x、y、z軸的定位精度1mm，x、y、z軸的運動控制要能實現單獨無級調速。除銹機電控系統應設自動、手動兩種控制方式，以適應復雜多變的工件參數。
高壓水射流除銹機的輔機為高壓水噴頭和工件的三坐標運動控制系統。系統采用龍門架結構、臺車移動形式，與數控龍門銑床的結構形式相似。高壓水噴頭固定在z軸傳動絲杠的下端，z軸傳動絲杠及減速機構又可通過y軸傳動機構進行左右運動，工件放在x軸的臺車上。工件除銹時，工件在x軸的走行臺車上作往復運動，如果對平放的x-y平面的鋼板進行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運動方向時做+y方向進給，其進給量由操作者根據高壓水噴頭的打擊寬度通過撥碼開關進行設定;如果對立放的x-z平面的箱型梁進行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運動方向時做+z方向進給，其進給量的設定方法同上。x軸的走行臺車往復運動的距離即是工件的長度。高壓水射流除銹機的控制流程如圖1所示:

圖1 高壓水射流除銹機的控制流程圖

3 除銹機自動控制系統的設計
高壓水射流除銹機的主機為高壓水泵和合金材料制成的高壓水噴嘴，其額定工作壓力為50MPa，為了減小高壓水泵啟動時對電網的沖擊和其停止時對高壓輸水管道造成的水錘效應，高壓水泵電動機采用軟啟動器傳動，從而實現高壓水泵的軟啟動和軟停止，軟啟動器選用ABB公司的PSD250型。高壓水泵電動機軟啟動完畢進入全速運行后，用旁路接觸器進行切換，讓軟啟動器退出運行，以減輕軟啟動器的負擔，增加其使用可靠性。高壓水泵正常停止時，再用旁路接觸器進行切換，讓軟啟動器進入運行，實現高壓水泵軟停止。
除銹機輔機x、y、z軸的電氣傳動采用異步電動機變頻調速系統，變頻器選用三菱FR-A540系列。根據除銹機工藝要求，y、z軸不能同時運動，因此y、z軸采用一臺公用變頻器，由PLC根據控制面板的輸入數據對y、z軸驅動電動機進行切換。其中x軸的變頻器為FR-A540-5.5K-CH，y、z軸公用變頻器為FR-A540-3.7K-CH。
PLC除了完成除銹機整機的邏輯控制外，更重要的是進行實時位置控制，它要處理和運算大量的位置實時數據，這些數據包括x、y、z軸光電編碼器反饋回來的位置數據、控制面板上的工件參數、4位LED數碼管的各種整機狀態參數顯示數據等。根據以上控制功能的要求，PLC選用三菱FX2N-64MT(晶體管型)。控制面板上的撥碼開關用于設定除銹機的工藝參數，其中一個4位撥碼開關用于設定工件的長度，這也是x軸的自動往復運動的距離數據，另外的兩個2位撥碼開關用于設定自動控制方式下+y、+z軸的每次走步量。4位LED數碼管選用鎖存型，低電平有效，電源電壓DC5V。

3.1 位置控制環節的設計
(1) 位置檢測環節的設計
因為除銹工藝要求x、y、z軸進給定位精度達到1mm即可，所以除銹機輔機的機械傳動采用如下方式:x、y軸因工作行程大，采用齒輪齒條傳動;z軸采用螺旋絲杠副傳動。x、y、z軸的電氣傳動采用異步電動機變頻調速系統，x、y、z軸的驅動電動機均為4極電機，電動機同軸安裝光電編碼器，用以反饋x、y、z軸的位置信號。
考慮到PLC在進行高速計數、運算時的誤差和機械傳動系統失動量的存在，為了保證定位精度，從位置檢測精度來考核時，應保證位置檢測精度小于實際定位精度一個數量級，即x、y、z軸的檢測精度應小于0.1mm。為了光電編碼器的型號統一，均選用60ppr(ppr/每轉脈沖數)、開關頻率10kHz的光電編碼器。x、y、z軸的脈沖當量如下:x軸為20p/mm，y軸為21p/mm，z軸為18p/mm。從位置檢測精度來考核，x軸為0.050mm，y軸為0.048mm，z軸為0.056mm，它們均滿足檢測精度小于0.1mm的設計要求。
FX2N型PLC最多能為16軸提供定位控制，運算速度高達0.08μs/指令，其內置的高速計數器通常選擇組合計數頻率不大于20kHz。由于PLC定位程序中使用了FNC53、FNC54和FNC56高速處理指令，所以高速計數器允許的選擇組合計數頻率不應大于11kHz。核算如下:高速計數器C235(1相):1.5kHz輸入;高速計數器C236(1相):1.5kHz輸入;高速計數器C237(1相):1.5kHz輸入;SPD(X003):1.5kHz輸入;合計6kHz＜11kHz。因此FX2N型PLC完全滿足本機定位控制高精度數據處理和運算的要求。
(2) 位置控制環節的軟件設計
●定位控制
為了保證x、y、z軸精確的定位，各軸的電氣傳動采用變頻器無級變速進給，電氣制動選用制動電阻動力制動方式，以提供大的制動力矩，縮短減速時間，提高加工效率。如圖2所示，當x、y、z軸進給到減速點后，變頻器以3Hz的低速接近定位點并精確停止(減速點與定位點之間的距離由PLC軟件設定)。

圖2 位移與電機速度關系曲線圖
由于PLC處理軟件程序采用循環掃描方式，從信號輸入PLC到PLC輸出信號，至少要延遲一個循環掃描時間(一般為數ms，因軟件程序的容量大小而不同)。當PLC用于要求高速響應的場合時，就必須慎重考慮循環掃描時間對高速信號處理的遲滯影響。本機x、y、z軸位置信號的檢測與處理采用FX2N型PLC內置的32位高速計數器進行處理，它是通過中斷處理進行高速動作，可對來自特定輸入端的高速脈沖進行數kHz的高速計數，而與PLC的循環掃描時間無關。為了精確定位，除了選用晶體管輸出型的PLC和其內置高速計數器功能外，還應在軟件編程中注意，對x、y、z軸高速位置信號的檢測與處理應采用高速計數器專用的比較置位/復位指令，以消除PLC循環掃描時間對位置控制輸出信號的遲滯影響。下面就以+x走步子程序為例做以詳細介紹，如圖3所示:
圖3中，D276是+x軸減速點的位置數據，D260是+x軸定位點到位停的位置數據。當M452變為ON狀態后，x軸的高速位置編碼信號送入C235高速計數器進行計數，當x軸進給到減速點后，C235高速計數器的當前值等于數據寄存器D276中的+x軸減速點的位置數據，輸出繼電器Y021變為ON狀態，輸出繼電器Y020變為OFF狀態，變頻器從調速給定狀態切換到減速給定狀態，以3Hz的低速接近最終定位點。當C235高速計數器的當前值等于數據寄存器D260中的+x軸最終定位點的位置數據時，輸出繼電器Y021變為OFF狀態，切斷變頻器的給定，+x軸停止在定位點。同時，M18變為ON狀態，向控制x、y、z軸自動進給的步進階梯指令程序發出+x軸走步轉向+y/+z軸走步的轉換標志。由于使用了FNC53、FNC54高速處理指令，PLC所做的數據比較、外部輸出等能中斷處理，所以高速計數器C235的當前值一旦等于數據寄存器D276、D260中的值，輸出繼電器Y020、Y021立即置位或復位，而不受PLC固有循環掃描時間的影響。

圖3 +x軸走步PLC子程序
●數據處理與計算
LC內部采用二進制的整數值進行常規算術運算，在除銹機的控制中為了更精確地進行算術運算，因此采用FX2N提供的浮點運算指令。浮點運算在PLC內部全部以二進制浮點值為基礎進行運算，由于二進制浮點值為不易直接判明的數值，所以如果要通過外部設備進行數值監測，就要將其轉換成十進制浮點值。
除銹機位置數據的處理過程如下，控制面板上撥碼開關設定的十進制位置數據通過FNC72(DSW)數字開關指令轉換成二進制數據存入寄存器，然后將該二進制數據轉換成二進制浮點值后，再進行算術運算，最后將二進制浮點值運算結果轉換成外部設備監視用的十進制浮點值和位置控制用的32位二進制整數值。下面以+y走步浮點數運算子程序為例進行介紹，如圖4所示。

圖4 +y走步浮點數運算PLC子程序
數據寄存器(D191，D190)中存放的是+y走步量的二進制整數值，在運算前先通過FNC49(DFLT)指令將二進制整數轉換為二進制浮點數。K2100÷K100的運算含義為:+y軸實際移動100mm時它的位移傳感器發2100個脈沖，即+y軸的脈沖當量為21p/mm。撥碼開關設定的+y軸實際移動距離位置數據乘以它的脈沖當量就是PLC位置控制要用的脈沖量數據，其運算結果減去+y軸減速區距離位置數據就是它的減速點位置數據。上述運算都采用高精度浮點數算術運算，FNC123(DEDIV)是32位二進制浮點數除法指令，FNC122(DEMUL)是32位二進制浮點數乘法指令，FNC121(DESUB)是32位二進制浮點數減法指令，FNC118(DEBCD)是32位二進制浮點數轉換十進制浮點數指令(用于PLC外圍設備數據監視)，FNC129(DINT)是32位二進制浮點數轉換二進制整數指令(舍去小數點以后的值)。最后，+y軸實際移動距離和減速點位置的二進制浮點數數據還要轉換為PLC位置控制要用的32位二進制整數數據，并存入相應的數據寄存器(D291，D290)和(D307，D306)。

3.2 位置控制數據的輸入
控制面板上的撥碼開關用于設定除銹機的工藝參數，其中一個4位撥碼開關用于設定工件的長度，這也是x軸的自動往復運動的距離數據，它是4位十進制數據;另外兩個2位撥碼開關用于設定自動控制方式下+y、+z軸的每次走步量，它是兩個2位十進制數據。為了減少撥碼開關占用的I/O端口，采用動態掃描輸入方式，即利用FX2N提供的FNC72(DSW)數字開關指令。撥碼開關與PLC的I/O端口接線，如圖5所示:

圖5 x、y、z軸數據設定及LED顯示器的PLC硬件接口
下面就FNC72(DSW)數字開關指令的工作原理做以介紹。當M80變為ON狀態時，連接X10-X13的BCD4位數字開關由Y10-Y13順序讀入，作為BIN值存入數據寄存器D100;連接X14-X17的BCD4位數字開關，也由Y10-Y13順序讀入，作為BIN值存入數據寄存器D101，其工作時序圖，如圖6所示:

圖6 數字開關指令的工作時序圖
由于y、z軸設定數據作為一個4位十進制數據轉換成BIN值讀入，因此需用軟件分離程序，將存入數據寄存器D101的BIN值中分離出y、z軸各自的設定值。根據除銹機工藝要求，y、z軸的設定值不能同時有效，即高壓水噴頭在自動控制方式下，不是做x-y平面的運動，就是做x-z平面的運動。由此可知，數據寄存器D101中的數據，若是z軸數據，則(D101)＜K100;若是y軸數據，則(D101)≥K100，同時其數值能被K100整除。如果數據寄存器D101中的數據大于或等于K100，而除以K100后，余數不為零，說明y、z軸數據同時有設定，PLC將通過M100產生y/z軸數據設定錯誤報警，停止除銹機的自動進給操作。y、z軸數據的分離程序詳見圖7所示:

圖7 y、z軸進給設定數據分離PLC子程序
3.3 x軸進給速度檢測和控制系統數據顯示
除銹機對工件除銹效果的控制是通過調節x軸臺車運行速度來實現的，因此本機要求對往復進給運行的x軸臺車運行速度進行數字顯示。同時，要對控制系統的各種故障以故障報警號的形式進行顯示，這樣就可以大為縮短除銹機發生故障后的修復時間。
x軸的速度檢測通過將x軸位置編碼器的高速位置信號輸入X003端口，利用FX2N提供的FNC56(SPD)脈沖密度高速處理指令來實現。LED數碼管顯示器選用帶鎖存功能的4位七段碼顯示器，其驅動利用FX2N提供的FNC74(SEGL)帶鎖存七段碼顯示指令來實現，其硬件接口如圖5所示。LED數碼管PLC軟件驅動和故障報警顯示程序如圖8所示:

圖8 LED數碼管PLC軟件驅動及故障報警顯示程序
圖8中，M8000處于ON狀態時，PLC將從X003輸入的x軸高速位置信號脈沖在指定的1000ms內計數，將其結果存入數據寄存器D150中。通過反復操作，數據寄存器D150就能得到脈沖密度(即與速度成比例的值)。數據寄存器D151將X003的OFF-ON操作進行計數，1000ms后存入數據寄存器D150，隨之數據寄存器D151復位，再計數X003的OFF-ON操作。
3.4 自動進給的PLC軟件設計
高壓水射流除銹機的自動進給控制程序流程圖，如圖9所示。實現上述自動進給控制流程，可采用FX2N提供的步進階梯指令，它適用于完成工序步進式自動流程的控制任務。用步進階梯指令實現的高壓水射流除銹機自動進給PLC軟件程序，因篇幅所限，此不贅述。

圖9 高壓水射流除銹機的自動進給控制程序流程圖

4 結束語
本文介紹了巧妙利用FX2N型PLC強大、豐富的數據處理、高速處理、方便指令、算術及邏輯運算、外部設備I/O等指令，實現低定位精度要求的位置控制系統。該項技術成果已成功應用于捷特公司制造的50MPa高壓水射流除銹機，經過一年多時間的運行觀察，整機電控系統達到設計要求，運行穩定，操作靈活。高壓水射流除銹機電控系統還涉及到軟啟動器和變頻器的自動控制，限于篇幅，均未討論。