基于三菱FX2N的高压水射流除锈机控制系统

1 引言
高压水射流技术在材料切割和金属除锈工业领域已被国内外的相关企业所采用，其主要工作原理是:用高压水泵将水加压到一定压力(一般为50~400MPa)，再通过喷嘴上的小孔将水高速喷出，形成一股超音速水射流，使水获得巨大动能，用来切割各种材料或者进行金属除锈。高压水射流用于金属除锈，由于它是湿法除锈，不产生粉尘，安全卫生，劳动条件好，对环境无污染，所以它在金属除锈工业领域的广泛应用是将来发展的趋势。

2 除锈机控制系统的要求及控制流程
捷特公司开发的全混合磨料水射流除锈机的处理对象为各种钢板和焊接成型的箱型梁，要求除锈机能对不同类型的处理对象表面进行自动除锈。这就意味着高压水喷头的运动控制应采用三坐标控制方式，即喷头要完成纵(x方向)、横(y方向)和升降(z方向)运动，除锈机的电控系统应能在操作者输入工件外形尺寸后，按事先编制好的程序自动完成除锈工作。由于高压水泵的拖动电机功率高达110kW，需采用启动限流措施，以减小对电网的冲击。x、y、z轴的定位精度1mm，x、y、z轴的运动控制要能实现单独无级调速。除锈机电控系统应设自动、手动两种控制方式，以适应复杂多变的工件参数。
高压水射流除锈机的辅机为高压水喷头和工件的三坐标运动控制系统。系统采用龙门架结构、台车移动形式，与数控龙门铣床的结构形式相似。高压水喷头固定在z轴传动丝杠的下端，z轴传动丝杠及减速机构又可通过y轴传动机构进行左右运动，工件放在x轴的台车上。工件除锈时，工件在x轴的走行台车上作往复运动，如果对平放的x-y平面的钢板进行除锈，高压水喷头在x轴每次变换运动方向时做+y方向进给，其进给量由操作者根据高压水喷头的打击宽度通过拨码开关进行设定;如果对立放的x-z平面的箱型梁进行除锈，高压水喷头在x轴每次变换运动方向时做+z方向进给，其进给量的设定方法同上。x轴的走行台车往复运动的距离即是工件的长度。高压水射流除锈机的控制流程如图1所示:

图1 高压水射流除锈机的控制流程图

3 除锈机自动控制系统的设计
高压水射流除锈机的主机为高压水泵和合金材料制成的高压水喷嘴，其额定工作压力为50MPa，为了减小高压水泵启动时对电网的冲击和其停止时对高压输水管道造成的水锤效应，高压水泵电动机采用软启动器传动，从而实现高压水泵的软启动和软停止，软启动器选用ABB公司的PSD250型。高压水泵电动机软启动完毕进入全速运行后，用旁路接触器进行切换，让软启动器退出运行，以减轻软启动器的负担，增加其使用可靠性。高压水泵正常停止时，再用旁路接触器进行切换，让软启动器进入运行，实现高压水泵软停止。
除锈机辅机x、y、z轴的电气传动采用异步电动机变频调速系统，变频器选用三菱FR-A540系列。根据除锈机工艺要求，y、z轴不能同时运动，因此y、z轴采用一台公用变频器，由PLC根据控制面板的输入数据对y、z轴驱动电动机进行切换。其中x轴的变频器为FR-A540-5.5K-CH，y、z轴公用变频器为FR-A540-3.7K-CH。
PLC除了完成除锈机整机的逻辑控制外，更重要的是进行实时位置控制，它要处理和运算大量的位置实时数据，这些数据包括x、y、z轴光电编码器反馈回来的位置数据、控制面板上的工件参数、4位LED数码管的各种整机状态参数显示数据等。根据以上控制功能的要求，PLC选用三菱FX2N-64MT(晶体管型)。控制面板上的拨码开关用于设定除锈机的工艺参数，其中一个4位拨码开关用于设定工件的长度，这也是x轴的自动往复运动的距离数据，另外的两个2位拨码开关用于设定自动控制方式下+y、+z轴的每次走步量。4位LED数码管选用锁存型，低电平有效，电源电压DC5V。

3.1 位置控制环节的设计
(1) 位置检测环节的设计
因为除锈工艺要求x、y、z轴进给定位精度达到1mm即可，所以除锈机辅机的机械传动采用如下方式:x、y轴因工作行程大，采用齿轮齿条传动;z轴采用螺旋丝杠副传动。x、y、z轴的电气传动采用异步电动机变频调速系统，x、y、z轴的驱动电动机均为4极电机，电动机同轴安装光电编码器，用以反馈x、y、z轴的位置信号。
考虑到PLC在进行高速计数、运算时的误差和机械传动系统失动量的存在，为了保证定位精度，从位置检测精度来考核时，应保证位置检测精度小于实际定位精度一个数量级，即x、y、z轴的检测精度应小于0.1mm。为了光电编码器的型号统一，均选用60ppr(ppr/每转脉冲数)、开关频率10kHz的光电编码器。x、y、z轴的脉冲当量如下:x轴为20p/mm，y轴为21p/mm，z轴为18p/mm。从位置检测精度来考核，x轴为0.050mm，y轴为0.048mm，z轴为0.056mm，它们均满足检测精度小于0.1mm的设计要求。
FX2N型PLC最多能为16轴提供定位控制，运算速度高达0.08μs/指令，其内置的高速计数器通常选择组合计数频率不大于20kHz。由于PLC定位程序中使用了FNC53、FNC54和FNC56高速处理指令，所以高速计数器允许的选择组合计数频率不应大于11kHz。核算如下:高速计数器C235(1相):1.5kHz输入;高速计数器C236(1相):1.5kHz输入;高速计数器C237(1相):1.5kHz输入;SPD(X003):1.5kHz输入;合计6kHz＜11kHz。因此FX2N型PLC完全满足本机定位控制高精度数据处理和运算的要求。
(2) 位置控制环节的软件设计
●定位控制
为了保证x、y、z轴精确的定位，各轴的电气传动采用变频器无级变速进给，电气制动选用制动电阻动力制动方式，以提供大的制动力矩，缩短减速时间，提高加工效率。如图2所示，当x、y、z轴进给到减速点后，变频器以3Hz的低速接近定位点并精确停止(减速点与定位点之间的距离由PLC软件设定)。

图2 位移与电机速度关系曲线图
由于PLC处理软件程序采用循环扫描方式，从信号输入PLC到PLC输出信号，至少要延迟一个循环扫描时间(一般为数ms，因软件程序的容量大小而不同)。当PLC用于要求高速响应的场合时，就必须慎重考虑循环扫描时间对高速信号处理的迟滞影响。本机x、y、z轴位置信号的检测与处理采用FX2N型PLC内置的32位高速计数器进行处理，它是通过中断处理进行高速动作，可对来自特定输入端的高速脉冲进行数kHz的高速计数，而与PLC的循环扫描时间无关。为了精确定位，除了选用晶体管输出型的PLC和其内置高速计数器功能外，还应在软件编程中注意，对x、y、z轴高速位置信号的检测与处理应采用高速计数器专用的比较置位/复位指令，以消除PLC循环扫描时间对位置控制输出信号的迟滞影响。下面就以+x走步子程序为例做以详细介绍，如图3所示:
图3中，D276是+x轴减速点的位置数据，D260是+x轴定位点到位停的位置数据。当M452变为ON状态后，x轴的高速位置编码信号送入C235高速计数器进行计数，当x轴进给到减速点后，C235高速计数器的当前值等于数据寄存器D276中的+x轴减速点的位置数据，输出继电器Y021变为ON状态，输出继电器Y020变为OFF状态，变频器从调速给定状态切换到减速给定状态，以3Hz的低速接近最终定位点。当C235高速计数器的当前值等于数据寄存器D260中的+x轴最终定位点的位置数据时，输出继电器Y021变为OFF状态，切断变频器的给定，+x轴停止在定位点。同时，M18变为ON状态，向控制x、y、z轴自动进给的步进阶梯指令程序发出+x轴走步转向+y/+z轴走步的转换标志。由于使用了FNC53、FNC54高速处理指令，PLC所做的数据比较、外部输出等能中断处理，所以高速计数器C235的当前值一旦等于数据寄存器D276、D260中的值，输出继电器Y020、Y021立即置位或复位，而不受PLC固有循环扫描时间的影响。

图3 +x轴走步PLC子程序
●数据处理与计算
LC内部采用二进制的整数值进行常规算术运算，在除锈机的控制中为了更精确地进行算术运算，因此采用FX2N提供的浮点运算指令。浮点运算在PLC内部全部以二进制浮点值为基础进行运算，由于二进制浮点值为不易直接判明的数值，所以如果要通过外部设备进行数值监测，就要将其转换成十进制浮点值。
除锈机位置数据的处理过程如下，控制面板上拨码开关设定的十进制位置数据通过FNC72(DSW)数字开关指令转换成二进制数据存入寄存器，然后将该二进制数据转换成二进制浮点值后，再进行算术运算，最后将二进制浮点值运算结果转换成外部设备监视用的十进制浮点值和位置控制用的32位二进制整数值。下面以+y走步浮点数运算子程序为例进行介绍，如图4所示。

图4 +y走步浮点数运算PLC子程序
数据寄存器(D191，D190)中存放的是+y走步量的二进制整数值，在运算前先通过FNC49(DFLT)指令将二进制整数转换为二进制浮点数。K2100÷K100的运算含义为:+y轴实际移动100mm时它的位移传感器发2100个脉冲，即+y轴的脉冲当量为21p/mm。拨码开关设定的+y轴实际移动距离位置数据乘以它的脉冲当量就是PLC位置控制要用的脉冲量数据，其运算结果减去+y轴减速区距离位置数据就是它的减速点位置数据。上述运算都采用高精度浮点数算术运算，FNC123(DEDIV)是32位二进制浮点数除法指令，FNC122(DEMUL)是32位二进制浮点数乘法指令，FNC121(DESUB)是32位二进制浮点数减法指令，FNC118(DEBCD)是32位二进制浮点数转换十进制浮点数指令(用于PLC外围设备数据监视)，FNC129(DINT)是32位二进制浮点数转换二进制整数指令(舍去小数点以后的值)。最后，+y轴实际移动距离和减速点位置的二进制浮点数数据还要转换为PLC位置控制要用的32位二进制整数数据，并存入相应的数据寄存器(D291，D290)和(D307，D306)。

3.2 位置控制数据的输入
控制面板上的拨码开关用于设定除锈机的工艺参数，其中一个4位拨码开关用于设定工件的长度，这也是x轴的自动往复运动的距离数据，它是4位十进制数据;另外两个2位拨码开关用于设定自动控制方式下+y、+z轴的每次走步量，它是两个2位十进制数据。为了减少拨码开关占用的I/O端口，采用动态扫描输入方式，即利用FX2N提供的FNC72(DSW)数字开关指令。拨码开关与PLC的I/O端口接线，如图5所示:

图5 x、y、z轴数据设定及LED显示器的PLC硬件接口
下面就FNC72(DSW)数字开关指令的工作原理做以介绍。当M80变为ON状态时，连接X10-X13的BCD4位数字开关由Y10-Y13顺序读入，作为BIN值存入数据寄存器D100;连接X14-X17的BCD4位数字开关，也由Y10-Y13顺序读入，作为BIN值存入数据寄存器D101，其工作时序图，如图6所示:

图6 数字开关指令的工作时序图
由于y、z轴设定数据作为一个4位十进制数据转换成BIN值读入，因此需用软件分离程序，将存入数据寄存器D101的BIN值中分离出y、z轴各自的设定值。根据除锈机工艺要求，y、z轴的设定值不能同时有效，即高压水喷头在自动控制方式下，不是做x-y平面的运动，就是做x-z平面的运动。由此可知，数据寄存器D101中的数据，若是z轴数据，则(D101)＜K100;若是y轴数据，则(D101)≥K100，同时其数值能被K100整除。如果数据寄存器D101中的数据大于或等于K100，而除以K100后，余数不为零，说明y、z轴数据同时有设定，PLC将通过M100产生y/z轴数据设定错误报警，停止除锈机的自动进给操作。y、z轴数据的分离程序详见图7所示:

图7 y、z轴进给设定数据分离PLC子程序
3.3 x轴进给速度检测和控制系统数据显示
除锈机对工件除锈效果的控制是通过调节x轴台车运行速度来实现的，因此本机要求对往复进给运行的x轴台车运行速度进行数字显示。同时，要对控制系统的各种故障以故障报警号的形式进行显示，这样就可以大为缩短除锈机发生故障后的修复时间。
x轴的速度检测通过将x轴位置编码器的高速位置信号输入X003端口，利用FX2N提供的FNC56(SPD)脉冲密度高速处理指令来实现。LED数码管显示器选用带锁存功能的4位七段码显示器，其驱动利用FX2N提供的FNC74(SEGL)带锁存七段码显示指令来实现，其硬件接口如图5所示。LED数码管PLC软件驱动和故障报警显示程序如图8所示:

图8 LED数码管PLC软件驱动及故障报警显示程序
图8中，M8000处于ON状态时，PLC将从X003输入的x轴高速位置信号脉冲在指定的1000ms内计数，将其结果存入数据寄存器D150中。通过反复操作，数据寄存器D150就能得到脉冲密度(即与速度成比例的值)。数据寄存器D151将X003的OFF-ON操作进行计数，1000ms后存入数据寄存器D150，随之数据寄存器D151复位，再计数X003的OFF-ON操作。
3.4 自动进给的PLC软件设计
高压水射流除锈机的自动进给控制程序流程图，如图9所示。实现上述自动进给控制流程，可采用FX2N提供的步进阶梯指令，它适用于完成工序步进式自动流程的控制任务。用步进阶梯指令实现的高压水射流除锈机自动进给PLC软件程序，因篇幅所限，此不赘述。

图9 高压水射流除锈机的自动进给控制程序流程图

4 结束语
本文介绍了巧妙利用FX2N型PLC强大、丰富的数据处理、高速处理、方便指令、算术及逻辑运算、外部设备I/O等指令，实现低定位精度要求的位置控制系统。该项技术成果已成功应用于捷特公司制造的50MPa高压水射流除锈机，经过一年多时间的运行观察，整机电控系统达到设计要求，运行稳定，操作灵活。高压水射流除锈机电控系统还涉及到软启动器和变频器的自动控制，限于篇幅，均未讨论。