基于三菱FX2N的高壓水射流除銹機(jī)控制系統(tǒng)

1 引言
高壓水射流技術(shù)在材料切割和金屬除銹工業(yè)領(lǐng)域已被國(guó)內(nèi)外的相關(guān)企業(yè)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(dòng)能，用來切割各種材料或者進(jìn)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(chǎn)生粉塵，安全衛(wèi)生，勞動(dòng)條件好，對(duì)環(huán)境無污染，所以它在金屬除銹工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是將來發(fā)展的趨勢(shì)。

2 除銹機(jī)控制系統(tǒng)的要求及控制流程
捷特公司開發(fā)的全混合磨料水射流除銹機(jī)的處理對(duì)象為各種鋼板和焊接成型的箱型梁，要求除銹機(jī)能對(duì)不同類型的處理對(duì)象表面進(jìn)行自動(dòng)除銹。這就意味著高壓水噴頭的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)采用三坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)，除銹機(jī)的電控系統(tǒng)應(yīng)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(dòng)完成除銹工作。由于高壓水泵的拖動(dòng)電機(jī)功率高達(dá)110kW，需采用啟動(dòng)限流措施，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。x、y、z軸的定位精度1mm，x、y、z軸的運(yùn)動(dòng)控制要能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)無級(jí)調(diào)速。除銹機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式，以適應(yīng)復(fù)雜多變的工件參數(shù)。
高壓水射流除銹機(jī)的輔機(jī)為高壓水噴頭和工件的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用龍門架結(jié)構(gòu)、臺(tái)車移動(dòng)形式，與數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)形式相似。高壓水噴頭固定在z軸傳動(dòng)絲杠的下端，z軸傳動(dòng)絲杠及減速機(jī)構(gòu)又可通過y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)，工件放在x軸的臺(tái)車上。工件除銹時(shí)，工件在x軸的走行臺(tái)車上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果對(duì)平放的x-y平面的鋼板進(jìn)行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)做+y方向進(jìn)給，其進(jìn)給量由操作者根據(jù)高壓水噴頭的打擊寬度通過撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定;如果對(duì)立放的x-z平面的箱型梁進(jìn)行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)做+z方向進(jìn)給，其進(jìn)給量的設(shè)定方法同上。x軸的走行臺(tái)車往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離即是工件的長(zhǎng)度。高壓水射流除銹機(jī)的控制流程如圖1所示:

圖1 高壓水射流除銹機(jī)的控制流程圖

3 除銹機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
高壓水射流除銹機(jī)的主機(jī)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(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和其停止時(shí)對(duì)高壓輸水管道造成的水錘效應(yīng)，高壓水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)器傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高壓水泵的軟啟動(dòng)和軟停止，軟啟動(dòng)器選用ABB公司的PSD250型。高壓水泵電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)完畢進(jìn)入全速運(yùn)行后，用旁路接觸器進(jìn)行切換，讓軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行，以減輕軟啟動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，增加其使用可靠性。高壓水泵正常停止時(shí)，再用旁路接觸器進(jìn)行切換，讓軟啟動(dòng)器進(jìn)入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高壓水泵軟停止。
除銹機(jī)輔機(jī)x、y、z軸的電氣傳動(dòng)采用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器選用三菱FR-A540系列。根據(jù)除銹機(jī)工藝要求，y、z軸不能同時(shí)運(yùn)動(dòng)，因此y、z軸采用一臺(tái)公用變頻器，由PLC根據(jù)控制面板的輸入數(shù)據(jù)對(duì)y、z軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jī)整機(jī)的邏輯控制外，更重要的是進(jìn)行實(shí)時(shí)位置控制，它要處理和運(yùn)算大量的位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括x、y、z軸光電編碼器反饋回來的位置數(shù)據(jù)、控制面板上的工件參數(shù)、4位LED數(shù)碼管的各種整機(jī)狀態(tài)參數(shù)顯示數(shù)據(jù)等。根據(jù)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(guān)用于設(shè)定除銹機(jī)的工藝參數(shù)，其中一個(gè)4位撥碼開關(guān)用于設(shè)定工件的長(zhǎng)度，這也是x軸的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)，另外的兩個(gè)2位撥碼開關(guān)用于設(shè)定自動(dòng)控制方式下+y、+z軸的每次走步量。4位LED數(shù)碼管選用鎖存型，低電平有效，電源電壓DC5V。

3.1 位置控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
(1) 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
因?yàn)槌P工藝要求x、y、z軸進(jìn)給定位精度達(dá)到1mm即可，所以除銹機(jī)輔機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)采用如下方式:x、y軸因工作行程大，采用齒輪齒條傳動(dòng);z軸采用螺旋絲杠副傳動(dòng)。x、y、z軸的電氣傳動(dòng)采用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，x、y、z軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為4極電機(jī)，電動(dòng)機(jī)同軸安裝光電編碼器，用以反饋x、y、z軸的位置信號(hào)。
考慮到PLC在進(jìn)行高速計(jì)數(shù)、運(yùn)算時(shí)的誤差和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失動(dòng)量的存在，為了保證定位精度，從位置檢測(cè)精度來考核時(shí)，應(yīng)保證位置檢測(cè)精度小于實(shí)際定位精度一個(gè)數(shù)量級(jí)，即x、y、z軸的檢測(cè)精度應(yīng)小于0.1mm。為了光電編碼器的型號(hào)統(tǒng)一，均選用60ppr(ppr/每轉(zhuǎn)脈沖數(shù))、開關(guān)頻率10kHz的光電編碼器。x、y、z軸的脈沖當(dāng)量如下:x軸為20p/mm，y軸為21p/mm，z軸為18p/mm。從位置檢測(cè)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(cè)精度小于0.1mm的設(shè)計(jì)要求。
FX2N型PLC最多能為16軸提供定位控制，運(yùn)算速度高達(dá)0.08μs/指令，其內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器通常選擇組合計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器允許的選擇組合計(jì)數(shù)頻率不應(yīng)大于11kHz。核算如下:高速計(jì)數(shù)器C235(1相):1.5kHz輸入;高速計(jì)數(shù)器C236(1相):1.5kHz輸入;高速計(jì)數(shù)器C237(1相):1.5kHz輸入;SPD(X003):1.5kHz輸入;合計(jì)6kHz＜11kHz。因此FX2N型PLC完全滿足本機(jī)定位控制高精度數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的要求。
(2) 位置控制環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)
●定位控制
為了保證x、y、z軸精確的定位，各軸的電氣傳動(dòng)采用變頻器無級(jí)變速進(jìn)給，電氣制動(dòng)選用制動(dòng)電阻動(dòng)力制動(dòng)方式，以提供大的制動(dòng)力矩，縮短減速時(shí)間，提高加工效率。如圖2所示，當(dāng)x、y、z軸進(jìn)給到減速點(diǎn)后，變頻器以3Hz的低速接近定位點(diǎn)并精確停止(減速點(diǎn)與定位點(diǎn)之間的距離由PLC軟件設(shè)定)。

圖2 位移與電機(jī)速度關(guān)系曲線圖
由于PLC處理軟件程序采用循環(huán)掃描方式，從信號(hào)輸入PLC到PLC輸出信號(hào)，至少要延遲一個(gè)循環(huán)掃描時(shí)間(一般為數(shù)ms，因軟件程序的容量大小而不同)。當(dāng)PLC用于要求高速響應(yīng)的場(chǎng)合時(shí)，就必須慎重考慮循環(huán)掃描時(shí)間對(duì)高速信號(hào)處理的遲滯影響。本機(jī)x、y、z軸位置信號(hào)的檢測(cè)與處理采用FX2N型PLC內(nèi)置的32位高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行處理，它是通過中斷處理進(jìn)行高速動(dòng)作，可對(duì)來自特定輸入端的高速脈沖進(jìn)行數(shù)kHz的高速計(jì)數(shù)，而與PLC的循環(huán)掃描時(shí)間無關(guān)。為了精確定位，除了選用晶體管輸出型的PLC和其內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器功能外，還應(yīng)在軟件編程中注意，對(duì)x、y、z軸高速位置信號(hào)的檢測(cè)與處理應(yīng)采用高速計(jì)數(shù)器專用的比較置位/復(fù)位指令，以消除PLC循環(huán)掃描時(shí)間對(duì)位置控制輸出信號(hào)的遲滯影響。下面就以+x走步子程序?yàn)槔鲆栽敿?xì)介紹，如圖3所示:
圖3中，D276是+x軸減速點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，D260是+x軸定位點(diǎn)到位停的位置數(shù)據(jù)。當(dāng)M452變?yōu)镺N狀態(tài)后，x軸的高速位置編碼信號(hào)送入C235高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)x軸進(jìn)給到減速點(diǎn)后，C235高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于數(shù)據(jù)寄存器D276中的+x軸減速點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，輸出繼電器Y021變?yōu)镺N狀態(tài)，輸出繼電器Y020變?yōu)镺FF狀態(tài)，變頻器從調(diào)速給定狀態(tài)切換到減速給定狀態(tài)，以3Hz的低速接近最終定位點(diǎn)。當(dāng)C235高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于數(shù)據(jù)寄存器D260中的+x軸最終定位點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)時(shí)，輸出繼電器Y021變?yōu)镺FF狀態(tài)，切斷變頻器的給定，+x軸停止在定位點(diǎn)。同時(shí)，M18變?yōu)镺N狀態(tài)，向控制x、y、z軸自動(dòng)進(jìn)給的步進(jìn)階梯指令程序發(fā)出+x軸走步轉(zhuǎn)向+y/+z軸走步的轉(zhuǎn)換標(biāo)志。由于使用了FNC53、FNC54高速處理指令，PLC所做的數(shù)據(jù)比較、外部輸出等能中斷處理，所以高速計(jì)數(shù)器C235的當(dāng)前值一旦等于數(shù)據(jù)寄存器D276、D260中的值，輸出繼電器Y020、Y021立即置位或復(fù)位，而不受PLC固有循環(huán)掃描時(shí)間的影響。

圖3 +x軸走步PLC子程序
●數(shù)據(jù)處理與計(jì)算
LC內(nèi)部采用二進(jìn)制的整數(shù)值進(jìn)行常規(guī)算術(shù)運(yùn)算，在除銹機(jī)的控制中為了更精確地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，因此采用FX2N提供的浮點(diǎn)運(yùn)算指令。浮點(diǎn)運(yùn)算在PLC內(nèi)部全部以二進(jìn)制浮點(diǎn)值為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算，由于二進(jìn)制浮點(diǎn)值為不易直接判明的數(shù)值，所以如果要通過外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)值監(jiān)測(cè)，就要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制浮點(diǎn)值。
除銹機(jī)位置數(shù)據(jù)的處理過程如下，控制面板上撥碼開關(guān)設(shè)定的十進(jìn)制位置數(shù)據(jù)通過FNC72(DSW)數(shù)字開關(guān)指令轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)存入寄存器，然后將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制浮點(diǎn)值后，再進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，最后將二進(jìn)制浮點(diǎn)值運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備監(jiān)視用的十進(jìn)制浮點(diǎn)值和位置控制用的32位二進(jìn)制整數(shù)值。下面以+y走步浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算子程序?yàn)槔M(jìn)行介紹，如圖4所示。

圖4 +y走步浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算PLC子程序
數(shù)據(jù)寄存器(D191，D190)中存放的是+y走步量的二進(jìn)制整數(shù)值，在運(yùn)算前先通過FNC49(DFLT)指令將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)。K2100÷K100的運(yùn)算含義為:+y軸實(shí)際移動(dòng)100mm時(shí)它的位移傳感器發(fā)2100個(gè)脈沖，即+y軸的脈沖當(dāng)量為21p/mm。撥碼開關(guān)設(shè)定的+y軸實(shí)際移動(dòng)距離位置數(shù)據(jù)乘以它的脈沖當(dāng)量就是PLC位置控制要用的脈沖量數(shù)據(jù)，其運(yùn)算結(jié)果減去+y軸減速區(qū)距離位置數(shù)據(jù)就是它的減速點(diǎn)位置數(shù)據(jù)。上述運(yùn)算都采用高精度浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算，F(xiàn)NC123(DEDIV)是32位二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)除法指令，F(xiàn)NC122(DEMUL)是32位二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)乘法指令，F(xiàn)NC121(DESUB)是32位二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)減法指令，F(xiàn)NC118(DEBCD)是32位二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)指令(用于PLC外圍設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)視)，F(xiàn)NC129(DINT)是32位二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換二進(jìn)制整數(shù)指令(舍去小數(shù)點(diǎn)以后的值)。最后，+y軸實(shí)際移動(dòng)距離和減速點(diǎn)位置的二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)還要轉(zhuǎn)換為PLC位置控制要用的32位二進(jìn)制整數(shù)數(shù)據(jù)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器(D291，D290)和(D307，D306)。

3.2 位置控制數(shù)據(jù)的輸入
控制面板上的撥碼開關(guān)用于設(shè)定除銹機(jī)的工藝參數(shù)，其中一個(gè)4位撥碼開關(guān)用于設(shè)定工件的長(zhǎng)度，這也是x軸的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)，它是4位十進(jìn)制數(shù)據(jù);另外兩個(gè)2位撥碼開關(guān)用于設(shè)定自動(dòng)控制方式下+y、+z軸的每次走步量，它是兩個(gè)2位十進(jìn)制數(shù)據(jù)。為了減少撥碼開關(guān)占用的I/O端口，采用動(dòng)態(tài)掃描輸入方式，即利用FX2N提供的FNC72(DSW)數(shù)字開關(guān)指令。撥碼開關(guān)與PLC的I/O端口接線，如圖5所示:

圖5 x、y、z軸數(shù)據(jù)設(shè)定及LED顯示器的PLC硬件接口
下面就FNC72(DSW)數(shù)字開關(guān)指令的工作原理做以介紹。當(dāng)M80變?yōu)镺N狀態(tài)時(shí)，連接X10-X13的BCD4位數(shù)字開關(guān)由Y10-Y13順序讀入，作為BIN值存入數(shù)據(jù)寄存器D100;連接X14-X17的BCD4位數(shù)字開關(guān)，也由Y10-Y13順序讀入，作為BIN值存入數(shù)據(jù)寄存器D101，其工作時(shí)序圖，如圖6所示:

圖6 數(shù)字開關(guān)指令的工作時(shí)序圖
由于y、z軸設(shè)定數(shù)據(jù)作為一個(gè)4位十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BIN值讀入，因此需用軟件分離程序，將存入數(shù)據(jù)寄存器D101的BIN值中分離出y、z軸各自的設(shè)定值。根據(jù)除銹機(jī)工藝要求，y、z軸的設(shè)定值不能同時(shí)有效，即高壓水噴頭在自動(dòng)控制方式下，不是做x-y平面的運(yùn)動(dòng)，就是做x-z平面的運(yùn)動(dòng)。由此可知，數(shù)據(jù)寄存器D101中的數(shù)據(jù)，若是z軸數(shù)據(jù)，則(D101)＜K100;若是y軸數(shù)據(jù)，則(D101)≥K100，同時(shí)其數(shù)值能被K100整除。如果數(shù)據(jù)寄存器D101中的數(shù)據(jù)大于或等于K100，而除以K100后，余數(shù)不為零，說明y、z軸數(shù)據(jù)同時(shí)有設(shè)定，PLC將通過M100產(chǎn)生y/z軸數(shù)據(jù)設(shè)定錯(cuò)誤報(bào)警，停止除銹機(jī)的自動(dòng)進(jìn)給操作。y、z軸數(shù)據(jù)的分離程序詳見圖7所示:

圖7 y、z軸進(jìn)給設(shè)定數(shù)據(jù)分離PLC子程序
3.3 x軸進(jìn)給速度檢測(cè)和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示
除銹機(jī)對(duì)工件除銹效果的控制是通過調(diào)節(jié)x軸臺(tái)車運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)的，因此本機(jī)要求對(duì)往復(fù)進(jìn)給運(yùn)行的x軸臺(tái)車運(yùn)行速度進(jìn)行數(shù)字顯示。同時(shí)，要對(duì)控制系統(tǒng)的各種故障以故障報(bào)警號(hào)的形式進(jìn)行顯示，這樣就可以大為縮短除銹機(jī)發(fā)生故障后的修復(fù)時(shí)間。
x軸的速度檢測(cè)通過將x軸位置編碼器的高速位置信號(hào)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(shí)現(xiàn)。LED數(shù)碼管顯示器選用帶鎖存功能的4位七段碼顯示器，其驅(qū)動(dòng)利用FX2N提供的FNC74(SEGL)帶鎖存七段碼顯示指令來實(shí)現(xiàn)，其硬件接口如圖5所示。LED數(shù)碼管PLC軟件驅(qū)動(dòng)和故障報(bào)警顯示程序如圖8所示:

圖8 LED數(shù)碼管PLC軟件驅(qū)動(dòng)及故障報(bào)警顯示程序
圖8中，M8000處于ON狀態(tài)時(shí)，PLC將從X003輸入的x軸高速位置信號(hào)脈沖在指定的1000ms內(nèi)計(jì)數(shù)，將其結(jié)果存入數(shù)據(jù)寄存器D150中。通過反復(fù)操作，數(shù)據(jù)寄存器D150就能得到脈沖密度(即與速度成比例的值)。數(shù)據(jù)寄存器D151將X003的OFF-ON操作進(jìn)行計(jì)數(shù)，1000ms后存入數(shù)據(jù)寄存器D150，隨之?dāng)?shù)據(jù)寄存器D151復(fù)位，再計(jì)數(shù)X003的OFF-ON操作。
3.4 自動(dòng)進(jìn)給的PLC軟件設(shè)計(jì)
高壓水射流除銹機(jī)的自動(dòng)進(jìn)給控制程序流程圖，如圖9所示。實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)進(jìn)給控制流程，可采用FX2N提供的步進(jìn)階梯指令，它適用于完成工序步進(jìn)式自動(dòng)流程的控制任務(wù)。用步進(jìn)階梯指令實(shí)現(xiàn)的高壓水射流除銹機(jī)自動(dòng)進(jìn)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(jī)的自動(dòng)進(jìn)給控制程序流程圖

4 結(jié)束語
本文介紹了巧妙利用FX2N型PLC強(qiáng)大、豐富的數(shù)據(jù)處理、高速處理、方便指令、算術(shù)及邏輯運(yùn)算、外部設(shè)備I/O等指令，實(shí)現(xiàn)低定位精度要求的位置控制系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)成果已成功應(yīng)用于捷特公司制造的50MPa高壓水射流除銹機(jī)，經(jīng)過一年多時(shí)間的運(yùn)行觀察，整機(jī)電控系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，操作靈活。高壓水射流除銹機(jī)電控系統(tǒng)還涉及到軟啟動(dòng)器和變頻器的自動(dòng)控制，限于篇幅，均未討論。