基于单片机和PLC的母线折弯机控制系统设计分析

苏方华

摘要：目前，我国的母线折弯加工设备大多以手动控制为主，难以使母线折弯精度得到有效地控制，从而使得母线折弯控制精度及加工效率较低。因此，设计一种价格低廉、精度高的母线折弯机控制系统有着极其重要的作用。本文对此设计

了一种基于单片机和PLC 的母线折弯机控制系统，对该系统的总体设计结构及设计方案进行了分析，以提高母线折弯成形精度，提高加工效率。

关键词：单片机，PLC，母线折弯机，控制系统，设计

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

基于单片机和PLC 的母线折弯控制系统能够对母线折弯加工时的角度值进行实时监测，通过PC机将采集到的实时角度数据进行有效的处理，并能够按照各种回弹补偿控制方案将回弹补偿量计算出来，向PLC发布强制指令，确保一次精确的折弯动作的顺利完成。

基于单片机和PLC的母线折弯控制系统总体设计结构

该系统主要由实时采集母线折弯角度数据的数据采集模块、分析处理数据的计算判断模块及控制机床动作执行的执行模块三大功能模块组成。其中，实时采集母线折弯角度数据的数据采集模块主要以旋转编码器及单片机为主。角度编码器以Atomics公司生产出来的E40S6-3600-3-N-24 型号的增量式编码器为主，主要用来实现角度脉冲信号的产生。单片机以ATMEL 公司生产的AT89S52型号的单片机为主，其功能具体体现以下两方面：一方面，实现旋转编码器输出的角度脉冲信号的采集；另一方面，用来接收PC机的指令，并直接将采集的角度数据送至PC机上。分析处理数据的计算判断模块是该控制系统的主要模式，也是核心模块，该模块主要由一台PC 机组成，以VB6.0 为编程软件，其功能是对单片机采集的角度数据进行分析处理，并通过控制方案向PLC发出控制信号，以达到有效控制机床动作执行的目的。此外，PC机作为一种人机交互界面，还具有输入各种折弯参数的功能。控制机床动作执行的执行模块则直接由一台PLC负责，以三菱公司生产的FX1S-30MT-001型号的PLC为主，将PC机的指令加以接收，并对机床动作的执行进行有效的控制。

二、基于单片机和PLC 的母线折弯控制系统的设计方案

（一）控制系统的软件设计

（1）上位机的应用程序

上位机作为实时监控及用户操作的主要界面，系统中主要通过VB6.0编程软件来设计控系统中的应用程序。由于考虑到单片机与PLC使用的通信协议不尽相同，因而在系统中主要通过双串行口进行通信。PC机与PLC间的通信采用串行口1，PC 机与AT89S52单片机间的通信则采用串行口1。为了能够及时获得母线折弯角度的实时数据，在系统运行后，PC机以50ms的周期循环将角度数据的读取指令发送到两片单片机上。当PC机接收到实时角度数据后便可检测到当前的折弯角度。由于母线在折弯过程中会发生弹性变形，因而在主油缸后退的过程中母线将产生一定量的回弹，这时PC机会通过单片机传送回的角度数据得到初次折弯时产生的回弹量，再按照制定的折弯控制方案将回弹补偿量计算出来，接着向PLC发布强制指令用来补偿进给动作。

（2）单片机的控制程序

单片机控制程序能够促进角度数据的采集、存储、校验和通信等功能的实现。在本控制系统中，作为下位机的单片机始终处在待命状态中，直到PC机的控制指令发出。当单片机接收到PC机对角度脉冲数据的读取指令时，将开始对定时器2的计数值进行读取。由于定时器2是一种16位的计数器，而本设计中的AT89S52 单片机一次只能读取或处理8位数据，因此需要将定时器2的16位计数值分成两步读取，第一步先将16位计数器值中的低8位数值存入存储器Data中再进行读取；第二步，将16位计数值的高8位数值存入到存储器Data中再进行读取，从而实成一次计数器值的采样。此外，在对计数器值进行采样的过程中，定时器2完全处于一种动态计数状态，因此为了保证采样数据的准确性与可靠性，需要再对定时器2中的6位计数值进行第二次采样。在采样完成后再将这两次的采样值进行比较，以确保采样值的可靠性。倘若前后两次采样值不尽相同，则应根据上述采样步骤重新进行采样，倘若前后两次采样值基本相同，则应通过串行口将这些采集过来的数据发送到PC机上。

（3）PLC的控制程序

本控制系统的PLC控制程序主要由国产的三菱PLC编程软件FXGPWIN-C编制。母线折弯加工工艺有着自身的一套动作流程，因而在设计该系统的PLC控制程序时只使用了SFC步进梯形图指令，并结合母线折弯加工工艺流程来编制SFC中的每一个程序。上位机对PLC的控制则按照SFC中两个相邻程序间的转移条件，并通过控制继电器来加以实现的。

（二）控制系统的硬件设计

（1）角度数据采集电路

角度数据采集模块包括了两片单片机及左右两个旋转编码器两部分。该系统中的编码器为增量型旋转编码器，以韩国Atomics 公司生产的E40S6-3600-3-N-

24型号的编码器为主，该编码器的角度分辨率可达0. 1°，集电极开路输出特性， 以A、B、Z 三相脉冲信号为输出信号。角度计数主要以编码器输出脉冲的数量来计算旋转的角度，以A、B两相脉冲信号的相位关系来确定旋转的方向，以ATMEL公司生产的AT89S52型单片机作为角度计数脉冲的信号采集芯片。AT89S52型号的单片机具有3个16位定时器与全双工串行口，在该系统中选用芯片的定时器2对旋转编码器的角度脉冲进行计数。定时器2的计数原理：通过芯片的T2EX引脚对计数的方向进行控制。利用T2EX上的一个逻辑1引导定时器2向上计数，T2EX上的一个逻辑0引导定时器2向下计数。

（2）PLC连接电路

PLC连接电路主要用来对母线折弯机械动作的执行情况进行控制，该系统中的PLC主要选用三菱公司生产FX1S-30MT-001型号的PLC，该PLC具有30个I /O 点，其中输出点14个，输入点16个，不仅性价比高，而且功能丰富、结构紧凑，能够使所有控制功能得到实现。由于母线折弯机在控制上有着独特性，母线折弯动作完全通过电磁换向阀控制液压油缸的方式来带动折弯模具，因此，该系统中的PLC的控制点主要是两个三位四通电磁换向阀的电磁铁线圈及控制旋转编码器复位的电磁铁线圈。作为PC机下位机的PLC能够直接接收由PC机发出的控制指令，并借助PLC自身带有的RS422串行口来进行PLC与PC机的通信。

参考文献

【1】宋昊.单片机机理及应用【M】．北京: 清华大学出版社，2005

【2】张冬娟．平面应变板料拉弯成形回弹理论分析【J】.工程力学，2007