基于總線技術的中小型壓力機控制系統的智能化設計

胡 鵬，錢 進，徐 凱，唐 堅，陳 靜

（江蘇揚力堅城鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州 225000）

基于總線技術的中小型壓力機控制系統的智能化設計

胡 鵬，錢 進，徐 凱，唐 堅，陳 靜

（江蘇揚力堅城鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州 225000）

本文針對當前中小型壓力機智能化程度低、操作復雜等問題，提出一種基于PLC的壓力機控制系統優化設計方法，依靠中小型PLC日益強大的通信能力，與壓力機各傳感器、編碼器、觸摸屏和變頻器等電控元件進行數據交流，將原本分布在各電控元件上設置的控制參數集成到觸摸屏上設置，同時將壓力機各類報警信息及解決方案顯示在觸摸屏上，大大簡化了壓力機的操作難度和維修時間，提高了生產效率。本文通過現場測試驗證了該控制系統的可行性和有效性。

壓力機；PLC；控制系統；智能設計

當前，中小型壓力機的智能化程度普遍不高，關鍵電控元件的參數設定（如電子凸輪、模高控制器、變頻器等）比較復雜，對專業性有一定要求。當壓力機由于誤操作或工藝變化需要調整這些參數時，用戶常常深受困擾。另一方面，壓力機維護人員的流動也對故障的及時有效排除帶來較大影響，新的維護人員可能需要較長時間才能準確判斷故障原因。這些因素幾乎困擾著整個沖壓生產企業，大大降低了企業的生產效率。

鑒于此，本文依靠當前中小型PLC強大的通信能力[1]，優化現有的壓力機控制系統，提高中小型壓力機的智能化程度，降低其操作復雜度，縮短一線工人的培養時間，同時增加觸摸屏，通過PLC與觸摸屏之間的實時數據交換，提供一個友好的人機界面，增強壓力機與操作者之間的人機交互，大幅度提高沖壓生產企業的生產效率。本文通過現場運用驗證了該套控制系統的穩定性、有效性和靈活性。

1 系統整體控制方案

本文的研究重點在于PLC與各電控元件之間的通信。各電控元件的應用范圍較為廣泛，支持的通信協議很多，而絕大多數的PLC由于體系結構的原因，自帶的總線、通信網絡及協議都是專用的，因此選擇一種PLC支持的通信協議成為控制系統整體設計的關鍵所在。雖然隨著控制內容的復雜化和高難度化，當前的PLC可以擴展多種現場總線和標準通信協議模塊，但是這些模塊價格不菲[2][3][4]，不適用于中小型壓力機。考慮到成本和系統交換的數據量不大等因素，本文以基于RS－485總線的Modbus－RTU通信協議為主來構建整體通信網絡，具體控制方案如圖1所示。

圖1 智能控制系統總體設計方案

其中，歐姆龍CP1E型PLC是一款將簡單應用概念凝聚一身的微型可編程控制器，它擁有大容量的存儲器，具有靈活豐富的擴展功能，適用于不同行業的應用控制。同時，CP1E支持Modbus－RTU通信協議，只需要擴展一個CP1W－CIF12接口模塊就可以與支持該協議的其控制器進行數據交換了，硬件成本十分低廉[5][6][7]。本文以歐姆龍CP1E型PLC作為主站采集操作人員通過觸摸屏輸入的需求信息（如裝模高度值，系統參數更改等），然后與相關的電控元件（電子凸輪、電子模高和變頻器等）進行數據交換，根據要求將修改值存入對應的地址，退出設置后再讀取該地址的值，以確定參數修改成功。同時，將PLC所采集的數據（如故障信息及解決方案，PLC輸入輸出點信息等）顯示在觸摸屏上，以方便操作者與維修人員隨時監控機床當前狀態。

上述控制系統設計大大簡化了變頻器系統參數、電子凸輪裁剪角度等設置復雜度，可以實現裝模高度值自動調整，增加了壓力機的智能化程度，降低了操作難度，并且為以后的工廠智能化改造打下了堅實的基礎。

2 通信原理及硬件設置

Modbus通信協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，在中國Modbus通信協議已經成為國家標準GB/T19582－2008，通過它不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡。此協議定義了一個控制器能認識使用的信息結構，而不管它們是經由何種網絡進行通信的，它描述了一個控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，制定

了消息域格局和內容的公共格式。Modbus協議分為兩種傳輸模式：ASII模式和RTU模式[8]，歐姆龍CP1E型PLC自帶的是RTU傳輸模式的Modbus通信協議。

歐姆龍CP1E型PLC運用Modbus－RTU協議進行通信時，需要對PLC的參數按照Modbus－RTU通信協議的數據傳輸格式和實際要求進行設置，本文中針對控制系統對數據刷新頻率的需求，經過多次試驗，選擇通信參數如圖2所示。其波特率為19200bps，8位數據位，1位停止位，偶校驗。

圖2 歐姆龍PLC參數設定

需要注意的是，當歐姆龍PLC運 用CP1W －CIF12串口進行Modbus-RTU協議通信時，會占用其內部存儲器DM的一些固定區域，用作通信過程中的消息存儲，如從站地址、讀寫功能的設定、返回數據的存儲區域和通信狀態的存儲區域等，具體如表1所示。

表1 歐姆龍PLC固定分配字

整個通信程序的編寫需要注意相關輔助區的狀態，這些輔助區的狀態可以實時監控一個通信過程是否成功。RS－485串口的Modbus－RTU協議通信的輔助字定義如下，當Modbus－RTU主站執行位置ON時，將自動發送在Modbus－RTU主站的DM固定分配字中設定的命令。

綜上所述，以本項目中讀取電子凸輪控制器的凸輪角度數據為例，具體固定分配字的設定如表2、表3所示。

表2 歐姆龍PLC通信輔助位

表3 電子凸輪角度讀取固定分配字設定

圖3 PLC數據采集流程圖

3 數據采集程序設計

根據上文所述通信原理，歐姆龍PLC采集數據主要分為以下步驟：

①串口參數初始化，將操作數寫入控制字節，開中斷；②讀取控制器系統狀態值，判斷當前控制器是否處于空閑狀態；如控制器不處于空閑狀態，則繼續讀取系統狀態值，判斷當前控制器是否處于空閑狀態；③讀取PLC通信輔助位數據，判斷通信是否正常；如正常進行下一步；如不正常，則轉至步驟①；④控制器處于空閑狀態下，則發送寫寄存器指令請求進入用戶設置狀態；⑤發送另一組寫寄存器指令，確認進入用戶設置狀態，否則判斷通信是否正常，如正常則轉至步驟④，如不正常則轉至步驟①；⑥控制器用戶設置狀態下，發送控制指令請求進入系統設置狀態；⑦發送控制指令，確認進入系統設置狀態，否則轉至步驟③；⑧控制器系統設置狀態下，發送需要更改的系統參數值，按要求修改控制器參數設定；⑨發送控制指令，退出當前設置狀態；⑩讀取控制器各更改參數值，判斷控制器參數更改是否成功，如參數修改成功，則通信進程結束；如參數修改不成功，則轉至步驟②。

具體通信流程如圖4所示。

根據上述通信原理和流程，進行程序編寫，部分數據采集程序代碼如下所示：

4 實驗分析

為了驗證本文系統的有效性和實時性，進行了相關的實驗分析，實驗在本公司現場制造的JH系列壓力機上進行。通過較長時間的實驗，驗證了該系統可以大大簡化壓力機的操作難度。部分觸摸屏操作界面如圖4所示。幾乎所有的壓力機系統參數都可以通過觸摸屏設置，各類機床故障也在觸摸屏上有所體現，裝模高度調整等實現了智能化調整，大大增強了壓力機的智能化程度，使操作者能夠更加方便、舒適地使用壓力機。

圖4 電子凸輪設置界面

5 結論

本文針對當前中小型壓力機智能化程度較低、操作復雜度較高等問題，設計并實現了一種基于PLC的壓力機智能化控制系統。系統通過PLC日益強大的通信能力，與壓力機傳感器、編碼器、觸摸屏和變頻器等電控元件進行數據交流，將原本分布在各電控元件上設置的控制參數集成到觸摸屏上設置，同時將壓力機各類報警信息及解決方案顯示在觸摸屏上，大大簡化了壓力機的操作難度和維修時間，提高了生產效率，對今后的設備智能化升級有非常大的參考價值和指導意義。同時，該系統完成了現場數據的采集和整理，與當前流行的制造執行系統可以很好地銜接，為后續的工廠智能化打下堅實基礎。

[1]楊伯金，張躍明，牟宏明，等.基于PLC刀庫控制系統研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015，（2）：107-109.

[2]李秀芹，杜向陽.VB與PLC自由口通信模式在斷路器測試系統的應用[J].化工自動化及儀表，2015，（2）：195-219.

[3]劉瑞婷，張南平，陳 勇.S7-200系列PLC自由口模式下實時通信技術研究[J].計算機技術與發展，2006，（16）：156-158.

[4]蔣曉峰，施偉鋒，劉以建，等.基于觸摸屏和PLC的船舶電站監控系統設計[J].電力自動化設備，2011，（31）：122-125.

[5]彭天好，劉海斌，張曉轉，等.基于PLC和觸摸屏的井下噴漿料攪拌系統設計[J].液壓與氣動，2015，（2）：112-115.

[6]齊繼陽，吳 倩，何文燦.基于PLC和觸摸屏的氣動機械手控制系統的設計 [J].液壓與氣動，2013，（4）：19-22.

[7]廖常春.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2004：149-165.

[8]劉沛津，谷立臣，韓 行，等.基于Modbus/TCP的火電廠實時數據集成及網絡通信控制器研制[J].電力自動化設備，2009，29（8）：128-131.

Intelligent design of control system for medium and small press based on bustechnology

HU Peng,QIAN Jin,XU Kai,TANG Jian,CHEN Jing
（Jiangsu Yangli Jiancheng Metalforming Machinery Co.,Ltd.,Yangzhou 225000,Jiangsu China）

Aiming at problems including poor level of intelligent medium and small press and more complicated operation,anoptimized design method for control system based on PLC has been put forward,which can perform data exchange with each sensor,encoder,touch screen,and frequency inverter by means of medium and small PLC increasingly strong communication ability.Thecontrol parameters distributed in various electric control components have been integrated into the touch screen setting.The information of various alarm and solutions of the press have been displayed on the touch screen.Thus in this way,the operation difficulty has been greatly simplified and the maintenance time has been saved,while the production efficiency has been improved.The feasibility and effectiveness of this control system have been verified by site testing.

Press;PLC;Control system

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.022

1672－0121（2016）04－0071－04

2016－03－19；

2016－05－13

胡 鵬（1981－），男，工程師，從事機械壓力機電氣設計及管理。E－mail：760354218＠qq.com