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三菱PLC的深度开发及在电镀自动线上的应用
摘要：三菱PLC的深度开发及在电镀自动线上的应用
本文以旧版本的三菱FX2N PLC为基础，介绍了PLC的深度开发及运用于电镀自动线的实例。该自动线具有行车动作可灵活设定、动态修改，自动寻位、断电恢复等实用功能。此外还介绍了PLC和上位微机的通讯，以及触摸显示屏作为人机界面的实现。
一、引言
可编程控制器(PLC)以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点，在工业控制中得到广泛应用。然而较多的应用只是根据工艺编制相应的梯形图，用以代替传统的继电器电器控制线路，功能非常有限。近年来各种型号的PLC 在功能上已经有了极大的提高，允许用户做许多底层操作，几乎可以象单片机一样灵活，加上有众多的外围设备可以选用，这就给软件、硬件设计带来了很大的灵活性和先进性。本文通过三菱FX2N-PLC 在一条电镀自动线上的应用，说明如何充分开发PLC 的先进功能，达到行车动作的灵活设定、动态修改的功能，以及断电恢复、通讯、新型人机界面的应用。
二、系统简介
系统采用集散控制，参见图1，上位机使用工控微机，负责工艺调度、质量管理等宏观控制；下位机使用三菱FX2N-PLC，控制行车的动作。行车吊勾（提升电镀工件用）的垂直定位采用接近开关，水平定位采用旋转编码器，垂直和水平的运动都使用变频控制普通交流异步电机来驱动，控制面板使用三菱的触摸屏人机界面。
三、三菱PLC应用
1、动作表
行车动作无非就是上下左右受控移动，按照指定的顺序(即动作表)完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可以在运行时由上位机动态修改。这种要求若是仅用简单的梯形图是无法实现的，因为动作都是由梯形图中的触点指令实现，而梯形图指令在运行时是不能修改的。现在的FX2N-PLC 增加了许多应用指令(底层操作，相当于微机的汇编指令)，以及提供了许多可供用户使用的数据存储单元，并且有间接寻址功能，这就使表结构操作成为可能。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作由一个字(16 位)组成，每个动作表由若干个动作字组成，放在PLC 的数据寄存器里，动作表由PLC 程序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC 程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。
2、动作的解释和执行
动作字有3 种：行车动作字、延时动作字、结束标志。
1)、行车动作字
动作字的高字节表示“上升所到的工位号”， 低字节表示“下降所到的工位号”，例如：“0205”表示让行车开到02 号工位，上升，再开到05 号工位，下降。
由于一个行车动作字表示的是宏动作，由：“前进或后退，水平到位，上升，上到位，再前进或后退，水平到位，下降，下到位，完成”几个微动作组成，通过FX2N-PLC 的步进阶梯指令STL 实现非常合适。我们可以把行车的宏动作分解为几个状态，在到位时进行状态转移。垂直到位比较简单，用上下到位接近开关直接控制即可。
水平到位稍微复杂一些。在程序初始化时将每个工位的准确位置送到数据寄存器里，称做工位位置表，每个工位的实际位置数据通过实测得到。动作表、工位位置表、行车水平运动的关系请参见图3。运行时通过旋转编码器得到行车的当前位置，每毫米大约发3 个脉冲。在做水平动作时，先取出动作字，分离高低字节，得到目标工位号，将此工位号作为工位位置表的偏移量，用间接寻址方法得到目标工位位置，若当前位置大于目标位置则令行车后退，反之则前进，直到行车到目标位置前一个提前量时，令行车转为慢速；当行车到目标位置前另一个提前量时，令行车制动。这二个提前量都根据实际情况加以调整，慢速提前量通常为半个工位间隔，制动提前量根据实际的行车速度、惯性而定。经过调整，最终定位精度可以达到±1mm 左右。
2)、延时动作字：
延时动作字的高字节用7EH 作为标识，低字节为延时值，如“7E30”。延时动作比较简单，取出动作字，分析一下若是延时动作，将延时值送延时定时器就可以了。以前的PLC 定时器常数在梯形图中设定，运行时不能改变，FX2N-PLC 定时器允许将数据存储器的内容作为定时值，才使在运行时改变定时常数成为可能。
3)、结束标志：
每个动作表用7FFFH作为结束标志，执行到结束标志表示一圈做完。若是单圈模式的话就
进入停止状态，若是连续模式的话就让动作表指针重新指向表首，继续运行。
3、自动校正
由于旋转编码器指示的是行车的相对位置，因此在运行前应该校正一下行车的绝对位置。我们采取在水平方向上安装一个校正用接近开关的方法，让行车在开始运行前先朝某方向去找校正接近开关，若在3 秒钟内未碰到校正接近开关，或碰到了极限开关，就让行车朝另一方向去找。只要碰到校正接近开关，就把旋转编码器计数器置为某一个确切值，行车的位置就校正了。在以后的运行中，行车每次经过该校正接近开关，行车位置都会被再次校正，这样可以消除积累误差。
4、断电恢复
以前一般的电镀自动线控制系统往往没有断电恢复功能，在电镀生产线工作中如果遇到突然断电，往往结果很尴尬。即使很快又来电了，但由于看不出是在哪一步停下来的，只能从头来过，造成已经在镀的工件报废。利用PLC的失电保存功能，我们这个系统具有断电记忆，来电恢复的功能。为实现该功能，应该整理一下所用到的寄存单元，分为要记忆和不要记忆的二部分。象STL 状态、运行模式、运行状态等都是要记忆的，而用作动作表指针的变址寄存器V、Z 无失电保存，需要用其他有失电保存的寄存器作为映象后备。一般的临时单元都不需要失电保存，每次RUN 的时候都初始化这些单元。此外还应注意的是，尽管来电后可以继续刚才的工作，但来电后自动运行起来也是有危险的。本系统是这样处理的：当RUN的时候检查一下，若原先是在运行状态下断电，则令系统处于暂停状态，等待操作者通过操作面板按下“运行”键后才继续工作。如果断电时正在做水平运动，则因PLC 已经失电，而行车的由于惯性仍有运动，造成PLC 记忆的行车位置和实际位置不符，在重新运行时应该自动校正。
5、通讯
FX2N-PLC提供了比较良好的通讯机制，只要在主机上扩展一块RS232通讯模块(FX2N-232BD)即可。FX2N-PLC的应用指令中有完善的串行通讯指令，可以方便地使用。在本系统中，上位机主动发送通讯串，PLC接收到通讯串，根据通讯串中的命令号，作出相应的动作，参见图5。上位机可以让PLC 返回或修改当前的工作状态、返回或修改动作表中的动作字等，只要编制相应的软件，上位机就可以监视、控制自动线的运行。
四、控制面板
常规的控制面板由按钮、拨盘、开关、指示灯、数码管组成，使用了三菱公司的人机界面，它是一个带触摸屏的彩色液晶显示器，可以自由布置各种显示、控制器件，如按钮、键盘、开关、指示灯、文字、数码管、图片、进度条等，取代了所有的常规面板元件。这不仅大大节省了PLC可贵的输入输出点，而且具有外观新颖、信息量大、使用方便、修改灵活等特点。在应用中还可以使用多屏画面，把各种显示、控制要求按功能分成多个画面，相当于多个小控制面板，再用一个封面画面负责切换。
五、结束语
一、引言
可编程控制器(PLC)以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点，在工业控制中得到广泛应用。然而较多的应用只是根据工艺编制相应的梯形图，用以代替传统的继电器电器控制线路，功能非常有限。近年来各种型号的PLC 在功能上已经有了极大的提高，允许用户做许多底层操作，几乎可以象单片机一样灵活，加上有众多的外围设备可以选用，这就给软件、硬件设计带来了很大的灵活性和先进性。本文通过三菱FX2N-PLC 在一条电镀自动线上的应用，说明如何充分开发PLC 的先进功能，达到行车动作的灵活设定、动态修改的功能，以及断电恢复、通讯、新型人机界面的应用。
二、系统简介
系统采用集散控制，参见图1，上位机使用工控微机，负责工艺调度、质量管理等宏观控制；下位机使用三菱FX2N-PLC，控制行车的动作。行车吊勾（提升电镀工件用）的垂直定位采用接近开关，水平定位采用旋转编码器，垂直和水平的运动都使用变频控制普通交流异步电机来驱动，控制面板使用三菱的触摸屏人机界面。
三、三菱PLC应用
1、动作表
行车动作无非就是上下左右受控移动，按照指定的顺序(即动作表)完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可以在运行时由上位机动态修改。这种要求若是仅用简单的梯形图是无法实现的，因为动作都是由梯形图中的触点指令实现，而梯形图指令在运行时是不能修改的。现在的FX2N-PLC 增加了许多应用指令(底层操作，相当于微机的汇编指令)，以及提供了许多可供用户使用的数据存储单元，并且有间接寻址功能，这就使表结构操作成为可能。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作由一个字(16 位)组成，每个动作表由若干个动作字组成，放在PLC 的数据寄存器里，动作表由PLC 程序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC 程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。
2、动作的解释和执行
动作字有3 种：行车动作字、延时动作字、结束标志。
1)、行车动作字
动作字的高字节表示“上升所到的工位号”， 低字节表示“下降所到的工位号”，例如：“0205”表示让行车开到02 号工位，上升，再开到05 号工位，下降。
由于一个行车动作字表示的是宏动作，由：“前进或后退，水平到位，上升，上到位，再前进或后退，水平到位，下降，下到位，完成”几个微动作组成，通过FX2N-PLC 的步进阶梯指令STL 实现非常合适。我们可以把行车的宏动作分解为几个状态，在到位时进行状态转移。垂直到位比较简单，用上下到位接近开关直接控制即可。
水平到位稍微复杂一些。在程序初始化时将每个工位的准确位置送到数据寄存器里，称做工位位置表，每个工位的实际位置数据通过实测得到。动作表、工位位置表、行车水平运动的关系请参见图3。运行时通过旋转编码器得到行车的当前位置，每毫米大约发3 个脉冲。在做水平动作时，先取出动作字，分离高低字节，得到目标工位号，将此工位号作为工位位置表的偏移量，用间接寻址方法得到目标工位位置，若当前位置大于目标位置则令行车后退，反之则前进，直到行车到目标位置前一个提前量时，令行车转为慢速；当行车到目标位置前另一个提前量时，令行车制动。这二个提前量都根据实际情况加以调整，慢速提前量通常为半个工位间隔，制动提前量根据实际的行车速度、惯性而定。经过调整，最终定位精度可以达到±1mm 左右。
2)、延时动作字：
延时动作字的高字节用7EH 作为标识，低字节为延时值，如“7E30”。延时动作比较简单，取出动作字，分析一下若是延时动作，将延时值送延时定时器就可以了。以前的PLC 定时器常数在梯形图中设定，运行时不能改变，FX2N-PLC 定时器允许将数据存储器的内容作为定时值，才使在运行时改变定时常数成为可能。
3)、结束标志：
每个动作表用7FFFH作为结束标志，执行到结束标志表示一圈做完。若是单圈模式的话就
进入停止状态，若是连续模式的话就让动作表指针重新指向表首，继续运行。
3、自动校正
由于旋转编码器指示的是行车的相对位置，因此在运行前应该校正一下行车的绝对位置。我们采取在水平方向上安装一个校正用接近开关的方法，让行车在开始运行前先朝某方向去找校正接近开关，若在3 秒钟内未碰到校正接近开关，或碰到了极限开关，就让行车朝另一方向去找。只要碰到校正接近开关，就把旋转编码器计数器置为某一个确切值，行车的位置就校正了。在以后的运行中，行车每次经过该校正接近开关，行车位置都会被再次校正，这样可以消除积累误差。
4、断电恢复
以前一般的电镀自动线控制系统往往没有断电恢复功能，在电镀生产线工作中如果遇到突然断电，往往结果很尴尬。即使很快又来电了，但由于看不出是在哪一步停下来的，只能从头来过，造成已经在镀的工件报废。利用PLC的失电保存功能，我们这个系统具有断电记忆，来电恢复的功能。为实现该功能，应该整理一下所用到的寄存单元，分为要记忆和不要记忆的二部分。象STL 状态、运行模式、运行状态等都是要记忆的，而用作动作表指针的变址寄存器V、Z 无失电保存，需要用其他有失电保存的寄存器作为映象后备。一般的临时单元都不需要失电保存，每次RUN 的时候都初始化这些单元。此外还应注意的是，尽管来电后可以继续刚才的工作，但来电后自动运行起来也是有危险的。本系统是这样处理的：当RUN的时候检查一下，若原先是在运行状态下断电，则令系统处于暂停状态，等待操作者通过操作面板按下“运行”键后才继续工作。如果断电时正在做水平运动，则因PLC 已经失电，而行车的由于惯性仍有运动，造成PLC 记忆的行车位置和实际位置不符，在重新运行时应该自动校正。
5、通讯
FX2N-PLC提供了比较良好的通讯机制，只要在主机上扩展一块RS232通讯模块(FX2N-232BD)即可。FX2N-PLC的应用指令中有完善的串行通讯指令，可以方便地使用。在本系统中，上位机主动发送通讯串，PLC接收到通讯串，根据通讯串中的命令号，作出相应的动作，参见图5。上位机可以让PLC 返回或修改当前的工作状态、返回或修改动作表中的动作字等，只要编制相应的软件，上位机就可以监视、控制自动线的运行。
四、控制面板
常规的控制面板由按钮、拨盘、开关、指示灯、数码管组成，使用了三菱公司的人机界面，它是一个带触摸屏的彩色液晶显示器，可以自由布置各种显示、控制器件，如按钮、键盘、开关、指示灯、文字、数码管、图片、进度条等，取代了所有的常规面板元件。这不仅大大节省了PLC可贵的输入输出点，而且具有外观新颖、信息量大、使用方便、修改灵活等特点。在应用中还可以使用多屏画面，把各种显示、控制要求按功能分成多个画面，相当于多个小控制面板，再用一个封面画面负责切换。
五、结束语
由于该电镀自动线充分开发了FX2N PLC的多种先进功能，并采用了较多的先进控制手段及新型的控制器件，使整个系统具有较优良的性能。经过一年多的实际运行，证明该系统是成功的。由此我们看到，由于PLC具有许多优异的性能，并且功能也日益强大，只要深入理解这些PLC的原理，加强二次开发，就可以在更多的领域发挥PLC的作用。