【文章內(nèi)容簡介】 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 3 人機(jī)交互界面設(shè)計 人機(jī)交互系統(tǒng)的意義 人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機(jī)械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機(jī)界面能夠明確指示并告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡單生動 `，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機(jī)器設(shè)備。使用人機(jī)界 面還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化，同時也能減少PLC 控制器所需的 I/O 點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價值。 觸摸屏作為一種新型的人機(jī)界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應(yīng)用非常廣泛，比如 :自動化停車設(shè)備、自動洗車機(jī)、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調(diào)整。 隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機(jī)器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機(jī)界面， PLC 控制器強大的功能及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機(jī)的出現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運而生無疑是 21 世紀(jì)自動化領(lǐng)域里的一個巨大的革新。 觸摸屏的選擇 MT500 系列觸摸屏是專門面向 PLC 應(yīng)用的，它不同于一些簡單的儀表式或其它的一些簡單的控制 PLC 的設(shè)備，其功能非常強大，使用非常方便，非常適合現(xiàn)代工業(yè)越來越龐大的工作量及功能的需求。日益成為現(xiàn)代工業(yè)必不可少的設(shè)備之一。 在本系統(tǒng)采用了 MT500 觸摸屏做人機(jī)交互系統(tǒng)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 在觸摸屏的設(shè)計中需要將各顯示元件的地址對應(yīng)到 PLC 的 相應(yīng)單元，比如說：速度顯示緩沖區(qū)應(yīng)為 VD30 雙字單元。具體的各個顯示單元與 PLC 單元的對應(yīng)，如表 所示。 表 人機(jī)顯示單元與 PLC單元的對應(yīng)關(guān)系 人機(jī)顯示 PLC 對應(yīng)單元 管脈沖 SMB38 實時管速 (m/s) VD30 加速度 (m/s2) VD50 實時長度 VD80 設(shè)定長度 VD90 模擬運行模式選擇 啟動 停止 自動模式選擇 前次運行全程脈沖 VD120 在畫面中需要下列顯示單元：加速度得輸入，設(shè)定長度的輸入，實時速度的顯示，實時長度的顯示，完成的數(shù)量，自動運行與模擬運行的選擇，啟動、停止開關(guān)，輸入用小鍵盤。設(shè)置過程與模擬顯示如圖 、圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 設(shè)置過程中的人機(jī)界面 圖 人機(jī)交互自動運行畫面 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 4 PLC 與交流伺服驅(qū)動器的選型 運動控制器 +伺服驅(qū)動器 +伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)，其中的運動控制器可以使 PLC，單片機(jī)，也可以是專用的定位控制單元或模塊 。綜合考慮 PLC 控制性能與成本我們在這里選用了西門子 S7200PLC，伺服驅(qū)動器選用較為常用的三菱的 MRJ2S100A， 伺服電機(jī)采用與伺服驅(qū)動器相配套的 三菱伺服電機(jī) [4]。伺服驅(qū)動器的連接如圖 所示。 圖 PLC 與伺服驅(qū)動器的接線 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 5 外電路與氣動回路設(shè)計 系統(tǒng)外電路設(shè)計 該系統(tǒng)利用 三 個編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中編碼器 1 用于檢測鋼管的運行狀態(tài)，包括鋼管的行進(jìn)距離與行進(jìn)速度的測量，用于計算啟動長度與實時長度，編碼器 3同時 用于檢測鋸車的運行狀態(tài)，用于確定鋸車的行進(jìn) 位置 與檢測鋸切長度 ，編碼器 3 位于伺服電機(jī)的尾端，用于確定電機(jī)的速度也就是鋸車的速度控制 。其中編碼器 3 反饋至PLC 組成位置環(huán)，編碼器 3 反饋至伺服驅(qū)動器組成速度 環(huán)，具體的伺服系統(tǒng)如圖 3 所示 .[5]。 圖 控制系統(tǒng) 鋸車 氣動 回路設(shè)計 執(zhí)行回路中 可以利用液壓回路與氣動回路，考慮到液壓回路環(huán)境不好，容易將液壓油泄露，并且液壓回路的反應(yīng)相對氣壓回路較為不靈敏，所以綜合考慮這里用了氣動回路，利用三位五通電磁換向閥控制氣路換向。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 氣動回路 位于 執(zhí)行部分，用于控制鋸車的夾緊、松夾、落鋸、抬鋸 。 我們利用電磁繼電器控制換向閥， 由 PLC 輸出信號 ~ 分別控制夾緊、松夾、落鋸、抬鋸。由于需要夾緊與松夾用的是一個氣缸，所以我們這里選用了雙向氣缸。氣動回路如 圖 所示 [6] 圖 執(zhí)行部分氣動回路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 6 PLC 控制程序設(shè)計 PLC 端子分配圖 在進(jìn)行 程序設(shè)計之前 ， 需要將 PLC 的各個端子分配給各個 輸入輸出量。經(jīng)過分析，我們需要的輸入量有下面的幾個： HSC0 的脈沖輸入、 HSC1 的脈沖輸入、啟動信號、停止信號、抬舉信號、自動運行模式選擇、手動運行模式選擇、模擬運行模式選擇、落鋸信號、手動正沖輸入、手動反沖輸入， PTO 脈沖輸出、方向控制、啟動鋸片、夾緊、松夾、落鋸、抬鋸。具體的端子分配如圖 所示 。 圖 PLC端子分配圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 主程序設(shè)計 主程序主要負(fù)責(zé)對各種工作模式的選擇包括：手動運行，自動運行，模擬運行。程序梯形圖如圖 所示。 選擇不同的工作模式，由主程序調(diào)用相應(yīng)的子程序 。 [7] 圖 主程序梯形圖 測速子程序設(shè)計 測速子程序主要負(fù)責(zé)對鋼管管速的測量，運用 S7200 的高速計數(shù)模塊 HSC 每隔 5ms查詢一次 HSC 當(dāng)前值，并做差后除以 5ms 即為當(dāng)前脈沖速度（脈沖 /ms）將這個值乘以1000 m（脈沖當(dāng)量）即為當(dāng)前管速（ m/s）。 具體的程序梯形圖如圖 所示。 有兩個臨時寄存器 VD100 及 VD104，分別寄存 5ms 前后的 HSC 當(dāng)前值。 T32 延時5ms 后從當(dāng)前值寄存器 SMD38 中取出新的當(dāng)前值至 VD104，將此兩值做差，并除以 5ms。 得到的是脈沖速度（ /ms），將這個脈沖速度乘以脈沖當(dāng)量，并轉(zhuǎn)換成 s 的量綱，得到的就是單位為（ m/s）的速度。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 測速子程序梯形圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 計算子程序設(shè)計 計算程序主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的計算，包括實時長度，啟動殘長，加速度轉(zhuǎn)換。 實時長度的計算程序 設(shè)計 按照第三章中數(shù)學(xué)模型中的計算實時長度由下式表達(dá) [8]： L s m n? ? ? （ ） 式中： s：上次鋸切過程中的鋸車運行全距離（ mm）， 存于 VD120 單元。 m：該系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量， n：管脈沖當(dāng)前值。 是系統(tǒng) 特殊寄存器 SMB38 相應(yīng)的程序梯形圖如圖 所示。 圖 實時長度計算子程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 啟動殘長計算子程序 設(shè)計 依照第三章中的數(shù)學(xué)模型中的 計算啟動殘長由下式表達(dá) [7]： 0 321 8 0 0 1 0 vEL a???? （ ） 式中： L0：鋼管設(shè)定長度（ mm） 存入 PLC 的 VD90 單元； v：由編碼器測得的管速（ m/s） 存入 PLC 的 VD30； a：由外部輸入的加速度（ m/s2） 存入 PLC 的 VD50。 相應(yīng)的程序梯形圖如圖 所示 圖 啟動殘長計算子程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 加速度轉(zhuǎn)換計算子程序 設(shè)計 由外部輸入的加速度值量綱為 m/s2 但在追蹤過程中需要以周期增量存在的加速度，所以在此需 要將加速度進(jìn)行轉(zhuǎn)化具體的轉(zhuǎn)化過程如下： 通過測速程序測得的管速VG（ m/s）除以 m（脈沖當(dāng)量）得到以頻率表示的速度（ HZ），取倒數(shù)得到周期表示的速度（ s）。通過 VG與加速度（ m/s2）計算得到加速過程的距離如式子 所示。 將這個距離除以脈沖當(dāng)量 m,得到加速過程中的脈沖數(shù)量 m1，由上面的周期形式表示的管速除以這個 m1得到的就是要求的脈沖增量形式的加速度。相應(yīng)的程序段如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)換加速度程序段 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 程序中 VD108 中存儲的內(nèi)容為脈沖速度（脈沖 /s），如測速子程序中所述。最終 VD54中存儲的 便是以周期增量表示的加速度。 在該程序中還對加速脈沖長度進(jìn)行計算用于 PTO 多段管線包絡(luò)表的編寫并通過異或邏輯運算計算了反向加速度用于減速控制。 在這個程序中還對輸入的加速度進(jìn)行去相反數(shù)操作，用于正向減速與反向減速。由于這里都是帶符號的整數(shù)，最高位為符號位，我們只要將最高位更改即可，我在這里用加速度寄存器與 16 進(jìn)制的 8000 進(jìn)行異或運算。見圖 圖 加速度換向程序段 加速追蹤子程序 設(shè)計 這是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分， 運用 S7200 的高速脈沖功能控制鋸車通過設(shè)定好的加速度追蹤管速， 并在追蹤達(dá)到時啟動執(zhí)行程序鋸切鋼管，鋸切過程完成后鋸車減速至速度為零等待返回零點。 該程序不能簡單運用 PTO 多段管線的包絡(luò)表編程，因為在追蹤過程結(jié)束時要啟動執(zhí)行程序，而且勻速過程的長度 不是事先已知的，無法編寫包絡(luò)表，所以程序中將各個過程分開并通過幾個中間記憶單元（如 ,）與中斷程序進(jìn)行進(jìn)程轉(zhuǎn)換。 第一段為加速過程通過上面加速度計算程序中的過程，已經(jīng)有了加速的脈沖長度，脈沖周期增量，與末速度。滿足 PTO 包絡(luò)表的條件，設(shè)置中斷程序 INT_0 連接 19 號事件，等待脈沖輸出完成信號，進(jìn)入中斷，在 中斷服務(wù)中將勻速過程使能信號 置位。 具體的程序梯形圖如圖 ， 所示。 而在勻速過程中，由于結(jié)束信號應(yīng)為鋸切執(zhí)行程序中的抬鋸信號 ，不能事先知曉脈沖長度，所以在包絡(luò)表的脈沖長度中設(shè)置了一個足夠長的脈沖串，保證在抬鋸信號使能前鋸車能夠一直勻速前進(jìn)。 見圖 在模擬運行子程序的主體部分，在抬鋸信號 有沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 效時會給 復(fù)位。保證程序的可靠連續(xù)性。見圖 。 圖 勻速過程的包絡(luò)表 圖 復(fù)位 在正向減速段所使用的加速度大小與加速過程中的加速度相同僅方向相反，所 以其脈沖長度與加速過程中相同，可以借用加速包絡(luò)表， PTO 輸出完成后激發(fā)中斷 INT_1。在中斷中將回零點信號 置位，并用 的常閉觸點關(guān)閉正向減速網(wǎng)絡(luò)。如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 加速子程序 段 圖 中斷 INT_0 圖 中斷 INT_1 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 執(zhí)行子程序 設(shè)計 控制鋸片的動作，執(zhí)行切割過程：啟動鋸片延時 10ms，夾緊鋼管，落鋸，落鋸到位信號使能后松夾并抬鋸。嚴(yán)格按照上述的時序執(zhí)行，采用“啟 —— 保 —— 停”電路 [5]。 執(zhí)行程序的具體梯形圖如圖 所示。 圖 執(zhí)行子程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 返回零點子程序 設(shè)計 由于 在正向過程中已經(jīng)知曉勻速與加減速過程的脈沖長度，所以在 返回子程序 中需要填寫標(biāo)準(zhǔn)的包絡(luò)表。包絡(luò)表程序見圖 。 當(dāng)執(zhí)行程序過程中抬舉到位信號 使能，則進(jìn)入該程序，通過改寫包絡(luò)表內(nèi)容，改變鋸車的控制信號。使鋸車按照預(yù)定的運動狀態(tài)返回至零點，為編程簡潔起見，這里的加速減速加速度與追蹤過程中的加速度保持一致，即返回過程是追蹤過程的反演。 具體的程序梯形圖如圖 所示。 圖 返回子程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 自動運行子程序 設(shè)計 一 種 程序的運行模式， 由主程序分支調(diào)用，在該程序中對 HSC0， HSC1 進(jìn)行初始化， 如圖 所示。 判斷是否首切， 若為首切的話則直接啟動追蹤程序進(jìn)行首次切割，切料為廢料，然后從新開始計算管脈沖， 判斷是否達(dá)到啟動長度，并在適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用追蹤子程序，通過鋸切完成信號調(diào)用返回子程序。 圖 自動運行子程序 中的對 HSC 初始化的程序段 利用一個比較指令判斷實時長度寄存器的內(nèi)容與啟動殘長寄存器里的內(nèi)容是否一致，當(dāng)一致時調(diào)用追蹤程序，程序段如圖 所示。其中 VW12 為切割個數(shù)寄存器，該寄存器在每次抬鋸信號到位時（一次切 割完成），自加一。在這里我們借用其作為首切標(biāo)志，當(dāng)其中內(nèi)容為零時表示這是首切， 應(yīng)該直接調(diào)用追蹤程序， 其他不為零的情況則表示正常作業(yè)中。 需要判斷殘長才可以追蹤。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 判斷是否達(dá)到啟動殘長的程序段 模擬運行子程序 設(shè)計 另一種運行模式，由主程序調(diào)用執(zhí)行，該程序中的管速來源不是測速子程序，而是通過外部旋轉(zhuǎn)鈕直接輸入的，直接調(diào)用追蹤程序，以這個“管速”追蹤，并完成鋸切過