通用感应加热装置控制及参数管理系统设计.docx
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通用感应加热装置控制及参数管理系统设计
通用感应加热装置控制及参数管理系统设计
摘要
本设计是以PLC为控制核心，以台达触摸屏为控制面板的通用感应加热装置控制系统。
首先在触摸屏面板上输入各工位的操作指令以通信功能传送给PLC，PLC接受操作指令后，将控制信息传递给工作现场来完成所需加工工件的传送，固定、旋转、加热、冷却淬火等多道工序，实现了人机界面与通用感应加热装置控制系统的有机连接。
使生产人员可以在触摸屏上方便安全的完成生产操作。
在人机界面可以实现生产的历史信息记录查询功能，故障报警功能，实时监控控制画面功能，以及参数管理配方选择的功能。
利用PLC的内存功能可以存储多种工件加工配方，在触摸屏界面，可以选择下载不同工件的加工配方，还可以现场输入新配方上传到配方数据库中，完成同一系统多种工件的淬火加工。
大大增加了加热装置的应用性，并且提高了生产效率。
关键词：
PLC，台达触摸屏，人机界面，配方
TheDesignofGeneralInductionHeatingDeviceControlandParameterManagementSystem
ABSTRACT
The designisbasedon PLC forthecontrolof thecore, Delta touchscreen controlpanelgeneric inductionheating controlsystem. Eachstation isfirstinput operatinginstructionsonthetouch screenpanel to transmit acommunicationfunction to PLC,PLC operationinstruction afterreceiving the controlinformationto send theworksite oftheworkpiecetoaccomplish thedesired,fixed, rotation, heating,cooling andquenchingmulti-channelprocesses,toachievetheorganicconnectionwiththecommonman-machineinterfacecontrolsystem ofinductionheating device. Sothatproduction can becompleted tofacilitate theproductionof safe operationon thetouchscreen. Inthe man-machineinterface canbeachieved record production of historicalinformation queryfunction,faultalarmfunction, real-timemonitoring controlscreenfunctions,and parametermanagement formula selectedfunction. UsingPLCmemoryfunction canstore avarietyof workpiece recipes, touchscreen interface,youcanchoosetodownload differentworkpieces recipes, recipes canalsobe uploadedtothe site toenteranew recipedatabase, completethe samesystem, avarietyof workpieces quenching process.Greatlyincreasingthe use of theheatingmeans, andimproves productivity.
KEYWORDS:
PLC,DeltaTouchScreen,HMI,Recipe
目 录
前 言
随着社会的不断进步，以及科技的不断发展，人们需要更多的精密仪器和智能设备来代替人们完成一些高难度，复杂环境的工作。
这样就对很多生产制造工艺的要求越来越高。
PLC作为在很多工业都要用到的一种控制方式，其控制设备的复杂程度也会越来越高，这样就不仅增加了操作人员的负担，使他们需要记住更多复杂的操作方式，而且也增加了误操作的概率，使设备在运行过程中出现故障，对于人员的安全也是一种威胁。
特别是在加工不同工件时，需要对PLC中的程序加以更改来适应不同工件的工艺要求，这样就使工作人员需要掌握更多的技能来完成他们的工作，比如编程，当工艺参数稍微有些差错就会造成工件的报废，甚至导致多个工件达不到生产要求而产生不必要的浪费，对于生产效率的提高就产生了一种阻碍。
目前国内外对于通用感应加热淬火的研究都在朝着柔性化发展，即一台加热设备可以完成多种工件的不同工艺参数的淬火加工，德国研制出一种曲轴淬火机床，对法兰件感应淬火柔性加工系统调整后，就能处理不同尺寸的相似工件;对于一些淬火要求相似的轴类零件，淬火机床能自动编制多种程序，识别进机零件，Robotron.Eiotherm还推出了双主轴立式淬火机，可以在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，不仅能处理轮轴、三槽套件还能处理其他万向节件，转换工件只需2～5min，用计算机编程，根据工件编号可以在2分钟内就调出有关的工艺数据;其数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。
我国研究的通用淬火机床方面，一汽技术中心开发出卧式数控淬火机床，其主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高;工件的旋转采用变频调速，能够适应多个方面的工艺要求;采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。
而为了增加生产效率，和产品的质量，更好的完成淬火流程，人们试着通过触摸屏来完成人机交互，控制PLC完成生产工作，使用触摸屏连接PLC控制现场可以减少PLC控制设备的面板按钮和其他部件的操作。
在触摸屏界面可以选择生产的工件型号，在PLC内存中读取本型号工件的生产工艺数据，下载到当前任务中，完成工件生产要求。
在需要更改新工件的生产数据时，可以直接在触摸屏的数据控制面版上更改，上传到PLC内存中以便下次调用。
在触摸屏面板上还可以集成一些非常便利有用的功能，比如：
登陆界面，可以设置一些权限，防止非专业操作人员的误操作而发生生产事故；报警功能，系统自动检测设备运行中产生的故障，并在运行不正常的时候通过报警通知操作人员排查故障，降低损失等。
另外还可以增加更多人机交互的功能，使工作更加方便简洁。
在设计中，我们需要完成的问题就是了解淬火机床的整个运行流程，和触摸屏模块的设计，以及触摸屏与PLC之间的通信连接。
通过查找大量的资料，以及实际设备的观察，还有和老师之间的交流，上述问题慢慢的得到解决，使本设计得以顺利的进行。
第1章设计方案
1.1设计的目的
感应淬火装置主要由中高频电源、淬火机床、控制系统、监控系统、冷却系统等组成。
立式通用淬火机床是众多感应淬火机床之一。
本设计详细论述了HMI通用淬火机床控制系统的设计方法和研制过程，主要解决了目前国内大量需求的立式通用淬火机床的自动化控制问题。
该机床在控制上可以实现控制方式选择，控制配方选择以及监控生产等功能。
可向电源发出加热、淬火、冷却等控制信号，通过配方的不同改变工位的不同控制，实现工件的自动移动，旋转等功能。
可以广泛应用于汽车、工程机械、农业机械、机床行业的感应热处理领域，对半轴、传动轴、凸轮轴等各种轴类零件表面淬火，齿轮类、环类及平面类零件的感应淬火的自动加工，节省了以往需要太多专用机床的高额费用。
由于采用经济型数控系统单台费用较其他数控系统降低。
该系统在操作上可以实现手动操作及全自动操作，并且操作简单，不需要再编程，适用于一般操作人员，便于调试。
并能用于单件及批量生产。
通过与触摸屏的连接，使得控制方法更加简便，减少了误操作，可以实现以下几种功能。
1.实时控制
通常的淬火机床控制更多的需要操作员工的经验，通过观察传感器的指示灯来控制各开关的开通关断，这样对于操作人员的要求很高，而且在更换加工工件时需要更改不同的程序和操作方式，往往容易出现误操作，生产效率提不高。
而在人机交互画面，通过触摸屏控制可以比较清晰的知道工件的加工状态，按钮开关集成到触摸屏上直观的减少了误操作频率，通过触摸屏输入操作指令也减少了加工现场对于员工的潜在危险。
2.监控功能
在人机交互画面可以实时观察通过现场感应器发出来的信号，比如现场温度，工作电压，工作电流等。
工作区的条件是否达到了生产要求，都可以通过监控画面使操作人员清晰的了解。
3.数据查询
生产过程中，历史数据记录功能会将运行中记录下的数据传送到指定的地方储存起来，方便人们了解生产记录，对于生产中出现的问题进行汇总，解决一些生产问题。
4.报警功能
在一些不利于生产的因素产生时，比如温度过高，电压不稳定，或者感应器工作不正常时，会产生报警。
及时通知工作人员检查工作设备，通知检修人员查询报警原因，减少因为一些因素出现时间过长而导致的生产目标完不成等事件发生、提高了效率。
5.配方功能
对于不同的生产工件会有不同的生产配方，在PLC内部可以存储一些平时生产需要的配方，通过触摸屏可以调用，当出现新的生产工件时，可以通过U盘将新的生产配方导入PLC内部，还可以通过触摸屏输入新的配方上传到PLC存储区。
更改配方更简单，降低了工作人员的工作强度和要求。
1.2设计的原理
本设计是采用以PLC为控制中心，台达触摸屏为人机界面的控制系统。
其系统原理图如图1-1所示：
图1-1系统原理图
在该系统中，PLC的作用是采集现场的实时生产信息，将采集到的各类生产数据传送至人机界面，比如：
各工位的开关信号，限位信号，以及感应器的工作状态，各类传感器信号灯。
在人机界面可以以图形的形式显示出现场的工作状态，并且对PLC发出控制信号，使PLC各I/O点做相应控制，达到控制现场的目的，这样使工作人员对工件状态一目了然，也可以方便的控制系统的运行。
1.2.1触摸屏
本设计的要点就在于触摸屏的使用，所以触摸屏的选择很关键。
台达触摸屏主要分为三种：
标准功能型DOP-A、简易轻巧型DOP-AS和进阶扩展型DOP-AE。
其外观如图1-2所示；
图1-2台达触摸屏
DOP触摸屏主要具有以下功能：
1.支持多家厂商PLC。
（台达、西门子、欧姆龙、三菱等）；
2.支持任意字体的画面编辑器；
3.便利的运算和通信宏指令；
4.USB功能；
5.便利的配方功能；
6.强大的联机功能；
7.模拟功能。
1.2.2PLC介绍与特点
PLC可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源:
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2.中央处理单元（CPU）：
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
3.存储器:
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4.输入输出接口电路：
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道;现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
5.功能模块：
如计数、定位等功能模块。
6.通信模块：
在PLC的CPU单元或者专用通信模块上，集成有RS-232或者RS-485口，可以和上位机、监视器等外部设备连接，实现设备间的数据交换。
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
1.可靠性高，抗干扰能力强。
2.灵活性强，控制系统具有良好的柔性。
3.使用方便，编程简单。
4.控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。
5.维修方便。
6.体积小，能耗低。
7.功能强，性价比高维修工作量小，维修方便。
1.2.3感应加热器原理
感应加热器的工作原理：
工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电（300-300000Hz或更高）的空心铜管。
产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000℃，而心部温度升高很小。
在感应加热的过程中，温度升高的只是被加热工件的金属部分，感应加热器本身也会有热量，大多感应器使用工作中需要通入冷却水降温，被加热工件的非金属部分并不发热。
淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。
机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。
为满足各种零件千差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。
如，按接受处理的部位，有整体、局部淬火和表面淬火；按加热时相变是否完全，有完全淬火和不完全淬火（对于亚共析钢，该法又称亚临界淬火）；按冷却时相变的内容，有分级淬火，等温淬火和欠速淬火等。
感应加热原理图如题1-3所示。
图1-3感应加热原理图
1.3设计方案分析
1.3.1方案介绍
根据本设计系统的实际需要，我们采用CNC（ComputerizedNumericalControl计算机数字化控制）控制系统方法来实现。
CNC数控机床是一种由程序控制的自动化机床。
其控制原理图如图1-4所示。
图1-4CNC控制原理图
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过感应器的加热将工件加工成半成品成品零件。
数控机床一般由下列几个部分组成：
1.主机，他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种工件进给退走的机械部件。
与PLC连接后可以通过输入输出程序与感应加热工艺过程的执行机构对接。
2.基于工控PC的数控装置，是数控机床的核心，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
3.驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
读取PLC控制信息后，可以通过电气或电液伺服系统完成工件的主轴和进给。
当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
4.辅助装置，它包括液压和气动装置、冷却装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括报警及监控检测装置等。
5.编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
与普通机床相比数控机床有以下几个特点：
1.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
2.机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
3.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
4.批量化生产，产品质量容易控制；
5.对操作人员的专业素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。
同样的，CNC也有一些不利的地方，当更换一种加工工件时，就要对此工件进行相应的工艺编程，需要经过培训的专业人员操作，比较麻烦费时。
而且数控机床存储空间有限，存贮够一定程序后就必须清除一些才能继续写入。
简单的PLC控制系统不宜采用上位监控计算机PC与PLC通信的方式进行参数设置，不仅使投资成本增加，而且上位机的工作环境复杂多变，不便于操作人员对生产过程的在线控制。
所以我们采用了触摸屏系统使得控制更加简洁紧凑，提高了控制程序和人机交互的灵活性，由于触摸屏作为显示终端，可以随时将设备当前状态及故障信息用文字直观显示，便于操作人员掌握设备状态，快速处理故障。
同时，省去了大量的现场按钮、指示灯等要经常更换的器件，使硬件连接简化，系统可靠性大为提高。
1.3.2方案结论
因为触摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入，使得人机交互仅需手指轻松触碰即可，而且它不限制用户类型，对不懂电脑操作和编程的人员也可以使用。
另外，触摸屏控制操作方便、使用灵活、输入速度快、接触分辨率高、可靠性高、能适应比较复杂的环境，不受尘埃、强光、潮湿等环境影响，特别适用于工业现场。
触摸屏组态软件功能丰富，操作简单，可以通过组态软件将整个系统的现场数据集中在触摸屏上显示，方便观察，自动记录，另外其体积相对较小，安装方便，便于维护，成本也较低。
因此将触摸屏与感应加热控制相结合是一个很好的方案。
第2章系统硬件设计
2.1系统结构图
本设计是在面板控制的通用感应淬火机床的基础上进行改进的控制系统，该系统由原来的按键式控制面板换成了现在的触摸屏控制，这样不仅减小了操作空间，而且使原来的操作变的简单易懂，直观的画面可以对员工的要求不再那么高，可以减少培训时间和经费，让他们在短时间掌握对系统的操作。
系统的结构图如图2-1所示。
图2-1系统结构图
HMI是台达触摸屏界面，集成了一下几个画面：
操作界面、实时动画、登录界面、实时曲线、历史记录等。
它通过RS485通信电缆与PLC相连，实时发布操作指令，并且通过I/O接口控制现场开关，电磁阀，电动机等完成控制，控制现场通过模拟量的输入完成对PLC的反馈。
电磁阀是由PLC发出指令来控制的开关，控制固定工件的装置，和工件的传送。
电动机的功能是传送工件，和在加热时控制工件的旋转。
现场感应控制开关：
是在现场工作步骤达到目标后进行开关控制，代替人力完成一些特殊环境下的控制。
感应器用来对工件进行感应加热，并通过A/D转换将模拟量变成数字量传到PLC中，再由PLC通过通信传给触摸屏;同时，PLC将触摸屏的操作指令通过数模转换，传递给感应器。
2.2主电路图
生产过程中，工件的传送，旋转需要通过伺服电机来完成，其中伺服电机的速度和转速通过PLC控制器来控制，其控制电路图如图2-2所示。
图2-2伺服电机电路图
PLC通过RS485通信控制伺服控制器，达到控制伺服电机正反转和转速的目的，EM253是S7-200PLC的扩展模块，其功能是给伺服控制器提供脉冲、方向、使能。
2.3硬件介绍及选型
2.3.1触摸屏选型
本设计选用的是台达DOP-A系列的DOP-A10THTD1触摸屏，其具有三个常用的串行通讯口:
COM1（RS-232）、COM2（RS-232/RS-485/RS-422）和COM3（RS-232/RS-422/RS-485），10.4寸电阻式触摸屏，完全可以满足本设计要完成的功能且有盈余。
触摸屏与西门子S7-200的链接方式：
台达DOP已经集成了西门子S7-200系列的PPI协议，通过一条通讯电缆和软件相关设置就可以完成通讯。
其通讯电缆图如图2-3所示：
图2-3触摸屏连接电缆图
2.3.2PLC的选型
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程；对控制柜以及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图。
根据本设计需要实现的功能来看，可选用西门子S7-200系列中的CPU224，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，通过扩展单元，可以满足本设计需要的15个输入点和14个输出点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可以很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
本设计用到的I/O输入输出表如表2-1所示。
表2-1I/O输入输出分配表
输入信号
输出信号
自动开始按钮SB1
I0.0
上行指示灯
Q0.0
红外感应开关
I0.1
下行指示灯
Q0.1
推送物料到工作台SB2
I0.2
加热指示灯
Q0.2
立轴上升按钮SB3
I0.3
冷却指示灯
Q0.3
立轴下降按钮SB4
I0.4
淬火
Q0.4
立轴上限开关SQ1
I0.5
感应加热
Q0.5
立轴下限开关SQ2
I0.6
冷却
Q0.6
立轴旋转按钮SB5
I0.7
立轴上升
Q0.7
轴向固定开关SB6
I1.0
立轴下降
Q1.0
加热开关SB7
I1.1
立轴旋转
Q1.1
淬火开关SB8
I1.2
固定电磁阀
Q1.2
冷却开关SB9
I1.3
推送物料液压阀
Q1.3
推出加工好的工件SB10
I1.4
推出物料液压阀
Q1.4
停止按钮SB11
I1.5
手动开始按钮SB12
I1.6
根据I/O输入输出表可以做出I/O接线图如图2-4所示。
图2-4I/O接线图
2.3.3RS485
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。
究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。
最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。
随后出现的RS485解决了这个问题。
触摸屏和PLC之间通需要通过RS485接口连接，485通讯接口一个对通讯接口的硬件描述，它只需要两根通讯线，既可以在两个或两个以上的设备之间进行数据传输。
这种数据传输的连接，是半双工的通讯方式。
在某一个时刻，一个设备只能进行发送数据或接收数据。
硬件通讯接口建立后，在进行数据传输的仪表之间需要约定一个数据协议，以使接收端能够解析收到的数据，这便是“协议”的概念。
通讯协议有统一标准的协议格式，如“ModBus”协议，标准的协议内容全面，包含的内容很多，但不易理解。
由此，可以定义一种协议，简单实用，这便是“自定义协议”。
RS485各引脚及其功能介绍如表2-2所示。
表2-2RS485引脚介绍
RS485接口面板
引脚号
信号
含义
1
屏蔽
屏蔽
2
M24
24V输出电压参考点
3
RXD/TXD-P*
接收-/发送数据-P
4
CNTR-P
中继器控制信号-P
5
DGND
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