机的飞锯机控制系统的智能接口设计

１控制系统和工作过程
１．１系统结构
考虑到设备的可靠性和成本等性能指标控制， 采用ＰＬＣ为控制器，小车由电机和齿轮齿条驱动的 方案，图ｌ为飞锯机控制系统框图。系统设置了两 个光电编码器。ｌ号编码器安装测量辊上，运动的管 材带动测量辊和１号编码器同步旋转转。通过１号 测量辊编码器，系统可以测量管材的运行速度和实 际位移。２号编码器安装在飞锯小车电机后端，通过 小车和电机的速比，可计算出飞锯小车的运行速度 和移动距离。
目前，由于传统的气动飞锯有定尺误差大、耗 能大、机械寿命短等缺点，正逐渐被淘汰，而广泛 采用数控飞锯控制系统。目前、采用可编程控制器 （ＰＬＣ）由对系统进行控制，具有可靠性高、抗干扰 能力强、模块化结构设计、编程调试扩充功能方便等 特点。因此，基于ＰＬＣ的飞锯机数控系统较之单片 机、微机系统，应用最为广泛Ｂ３Ｊ。本文设计了一种基 于单片机人机交互接口（Ｉ－ＩＭＩ）的飞锯机ＰＬＣ控制系 统。利用ＰＬＣ实现检测、数据计算、控制、动作顺 序等功能，单片机构成ＨＭ］和ＰＬＣ进行通讯，实现 对控制系统的参数设定、数据显示等人机交互功能。
参考文献
【ｌ】翟羽健，倪江生．重型载体多点位自动调平技术【Ｊ】．中国机 械工程，１９９４（５）：６２－６３．
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图５仿真结果
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如图５所示。图中虚线表示常规ＰＩＤ控制曲线，实 线表示模糊ＰＩＤ控制曲线，可以看出，采用模糊ＰＩＤ 控制策略的系统与传统ＰＩＤ控制系统相比，系统的 稳定性得到很大的提高，具有较高精度与较快的响 应时间。
２基于单片机的ＨＭＩ设计
２．１ ＨＭＩ电路
在飞锯机控制系统中，ＨＭＩ主要完成控制信息 的输入、显示功能。系统运行时需要对长度、管速 及状态进行显示，还需要设定管材长度、加工数量 等参数设定。单片机的ＨＭＩ具有成本低廉，使用灵 活，功能多样等特点。因此，通过比较分析，在系 统中设计了基于８９Ｓ５２的ＨＭＩ接口电路。图２给出 了基于８９Ｓ５２的ＨＭＩ结构原理图。
图１飞锯机控制系统框图 控制系统的核心控制单元采用西门子Ｓ７—２００的 ＣＰＵ２２４ ＤＣ型ＰＬＣ，输出类型为ＭＯＳＦＥＴ。１、２号 光电编码器的输出接ＰＬＣ的高速计数器端口，计数 器设置为Ａ／Ｂ相正交计数模式，可以对光电编码器 的输出信号进行４倍频，通过定时读取高速计数器
收稿日舶：２００９．０６．１５ 基金项目：先进数控技术江苏省高校重点实验室开放基金项目（ＫＸＪ０６１ １９） 作者简介：赵涛（１９６５～），男，江苏南京人，副教授，工学博士，研究方向为电力电子与电力传动。
【上接第７０页】
令Ｄ＝７（ＣＥ—１）＋Ｅ并存入地址ＶＷｌ０２，然后利用 查表指令（ＦＮＤ）搜索模糊规则查询表中与Ｖｗｌ０２ 中的内容相等的数据，则ＩＮＤＸ会给出相等的数据 编号，将该编号存入Ｖｗｌｌ０。
４）输出控制量 取出数据编号ＶＷｌｌ０中的数值，并乘以比例因 子后，作为控制量输出。
５仿真实验
利用ＭＡＴＬＡＢ对调平控制系统进行仿真，结果
Ｓ７－２００的输出ＰＷＭ周期变化范围ｌＯ～６５５３５ｕｓ 或者２～６５５３５ｍｓ。从公式（４）、（５）可知，ＰＷＭ周期 越大则精度越高，但是转换时间越长，需要截止频 率很低的低通滤波器，ＰＷＭＤＡ输出的滞后也将增 加。考虑到转换时间和转换精度及调速系统对给定 信号精度的要求。系统选择ＰＷＭ周期为１０２４ｕｓ，转 换时间小于５０ｍｓ。
在人机交互的整个软件设计中，采用模块化设 计的方法，系统软件由初始化、主程序、键盘显示器 管理模块、中断、功能模块和表格模块构成，其中 初始化模块完成ＬＣＤ、串口及缺省参数设定等工 作。主程序将各软件模块有机的组合在一起，协调 各部分软件有条不紊地工作。具体来说就是识别指 令、解释指令，并给出执行功能指令的相应模块的 入口，保证系统进入正常工作状态。
参考文献：
【ｌ】李平，杨晓明，牛骁．飞锯机控制方案简析【Ｊ】．重型机械科技， ２００６．（６）：３６—３９．
【２】崔增柱，刘开元，项占琴．基于ＰＬＣ的钢管测长定尺飞锯控 制系统的设计…．机电工程，２００４，（２１）３：３ｌ一３４．
［３】杨盛，徐键．在焊管飞锯定尺控制中的运用【Ｊ】．电器传动自 动化，２００３，２５（２）：４８－４９．
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万方数据
的数据，计算出管材和锯车的速度和移动距离。ＰＬＣ 输出ＰＷＭ信号经过ＰＷＭＤＡ接口板转换为双极性 模拟量提供给变频器或直流电机调速器控制电机的 运动。Ｓ７－２００的ＰＰＩ通行口与基于单片机的ＨＭｌ人 机接口进行通信，在ＨＭＩ上显示操作状态并设定运 行参数。电气的ＤＩ／ＤＯ部分接受按钮、接近开关信 号等，输出对接触器、电磁阀、指示灯的控制信号。
１．２系统工作过程
控制系统的工作过程为，ＰＬＣ通过高速计数器
对ｌ号编码器的高频脉冲计数，计算出管材的行程
Ｌ。与运行速度Ｕ，当ｋ值满足下式时材的残长，Ｌ为所要求的管材的定 尺长度，而Ｌ。为锯车启动提前量。
考虑到锯车在启动期间内管材行进路程大于管
材行进路程，因此锯车需要提前启动，ｋ和系统参 数有关：如最大启动电流、锯车质量、阻力等。由 于每个系统的锯车惯性、摩擦阻力、调速器参量不
万方数据
入ＰＬＣ的数据或把数据写入ＰＬＣ相应的地址中。 在自由端口模式下，用户可以根据需要定义协
议，包括传输率、数据格式（数据位数、停止位、校 验。单片机在主程序中初始化，采用定时器Ｔ２，串 行口工作方式３，波特率为９６００ｂｐｓ，采用单片机作 为主机，向ＰＬＣ进行呼叫，定期读取数据或者写入 数据，其程序流程图参见图４。
４双极性ＰＷＭＤＡ
在系统中，需要将ＰＬＣ输出的ＰＷＭ信号转换 成０～１０Ｖ的模拟信号，考虑到电机需要正、反转， 调速系统（如欧陆５９０）需要一１０Ｖ １０Ｖ的信号，图 ５为双极性ＰＷＭＤＡ电路原理图。Ｓ７．２００输出的经 过由电阻和稳压管构成的电压整形电路，得到高电 平ＵＨ为ＩＯＶ，低电平ＵＬ为ＯＶ的较理想的ＰＷＭ 波。一个周期ＰＷＭ的波形可以用分段函数表示为 式（３）
【４】庄家森，焦小澄．基于ＰＰＩ通讯协议的监控模块的设与实 现【Ｊ】现代电子技术，２１３０７．１６：３４—３５，４０．
【５】姚晓伟，陈在平．基于ＲＳ一４８５总线式电磁阀的网络控制 【Ｊ１．制造业自动化，２００６，（８）．
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６结束语
机电式调平控制系统近年来在中小型载荷的机 械设备中得到大量应用，但一般采用常规的控制方 法，限制了其性能的提高。将永磁同步电机应用于 调平控制系统，并在控制策略上采用模糊ＰＩＤ控制 的方法，可显著提高系统的调平精度与调平的稳定 性。同时，模糊ＰＩＤ控制在ＰＬＣ上很容易实现，从 而提高了系统的经济性。
系统采用了点阵型ＬＣＤｌ２２３２液晶显示模块， ＬＣＤ模块采用间接访问方式，并采用４×４的矩阵 键盘。在运行过程中，为了保存由外部键盘输入数 据参数，实现以后的调用，外接了一片ＡＴ２４Ｃ５１２ 型号的ＥＥＰＲＯＭ。
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图４单片机通讯程序流程图 ＰＬＣ端作为从机，通过设置特殊寄存器的参数 改变４８５口的数据传输率、数据格式，按照协议把 采集到的数据进行处理，再发送给单片机。
式中Ｄ为占空比，是脉宽值和周期值之比。对 （３）式进行傅里叶分解，可得（４）式
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基于单片机的飞锯机控制系统的智能接口设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｆｌｙｉｎｇ－ｓａｗ ｂａｓｅｄ ＭＣＵ
赵涛位，汪木兰Ｌ２。曹锦江１’２。邵祥兵１
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３ ＰＬＣ通讯
西门子Ｓ７—２００ ＰＬＣ本机带有ＲＳ－４８５接口，支 持ＰＰＩ（单点接口）、ＭＰＩ（多点接口）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ 和自由通信多种通信协议【４ｌ。ＡＴ８９Ｓ５２的串行口与 ＭＡＸ４８５芯片相接，然后与Ｓ７—２００ ＰＬＣ的ＲＳ一４８５ 口进行通讯１５１，其硬件连接如图３所示。
图３单片机与Ｓ７．２００ ＰＬＣ的连接图 ＨＭＩ和Ｓ７—２００ＰＬＣ构成了一个单主站的架构， 系统采用主从通信方式，单片机处于主机状态，可 主动向ＰＬＣ发出报文，也可以接收ＰＬＣ回送的报文。 通过自定义ＰＬＣ自由口的信协议，ＨＭＩ根据要求读
性的模拟量输出，ＰＣＬ还需要提供极性信号Ｆ／Ｒ。当
Ｆ／Ｒ为高电平时，ＭＡＸ５６９５的３脚和１脚接通，得
万方数据
图５双极性ＰＷＭＤＡ电路原理图
第３１卷第１２期２００９－１２ 【７３】
到Ｏ～ｌＯＶ的直流量。当Ｆ／Ｒ为高低平时，ＭＡＸ５６９５ 的２脚和１脚接通，得到一ＩＯＶ～０的直流量。后级接 有运放，实现限制幅保护、高频噪声滤波、放大比 率调整、减少电路的输出阻抗等功能。
５结束语
系统采用了单片机和ＰＬＣ相结合，即保留了 ＰＬＣ控制简单、操作方便、性能优良、工作可靠等 特点，又具有单片即的成本低廉、灵活方便的优点。
具有很好的人机交互界面，使用方便简单可靠、稳 定、低成本的特点，同时用ＰＷＭ方式实现双极性 的Ｄ／Ａ转换，硬件开销小，实时性好。该系统中所 进行的研究工作对其他ＰＬＣ控制系统也具有很强的 借鉴意义。