基于CoDeSys的可重構的焊接自動化控制器

陳樹君，張二永，盧振洋，白立來

(北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

0 前言

隨著工業自動化的快速發展，自動化控制結構的多變性和多應用性對運動控制器的靈活性、響應時間、控制精度等方面提出了更高的要求，控制器對可重構性、實時性、高精度的要求越來越高?？芍貥嬛圃煜到y概念的提出，對控制體系結構提出了新的發展方向，開放式可重構控制系統體系結構已成為當今自動化控制技術的研究方向[1]。

可重構技術是指利用可重用的軟硬件資源，根據不同的應用需求，靈活地改變自身體系結構的設計方法?？芍貥嬁刂破髯鳛榭芍貥嬛圃煜到y的執行系統，對其自身快速重構的能力、智能性以及良好的通信能力都有較高的要求?；赑C機的開放式可重構控制結構，能夠滿足并實現工業自動化領域控制系統開放性和柔性的要求，完成比較復雜的控制任務，其主要特征包括模塊化、可操作性、可重構性、可移植性、可擴展性和可交換性。其硬件以總線和網絡為基礎的模塊化拓撲結構，使其在重構時僅需要改變部分模塊的配置，即可完成重構任務，有利于系統的集成、維護、擴展和向新技術遷移[2-4]。

本研究結合CoDeSys軟件和EtherCAT技術構建可重構控制器，實現對焊接運動平臺的控制和對焊接電源的智能控制。重構了基于焊接操作機和變位機的五軸運動平臺，變極性等離子焊接電源的工藝參數智能控制平臺，使得研究設計的開放式可重構控制器的軟硬件構建方法得到了初步的實現，它是可重構控制器的一種實際應用體現。

1 可重構控制器系統結構

可重構控制器的實現以CoDeSys開發系統和EtherCAT實時以太網技術為基礎，搭建智能控制器的硬軟件開發平臺。充分利用軟硬件的可重構性，實現模塊配置和任務執行。

1.1 開發系統和實時以太網技術

系統采用德國3S(SmartSoftware SolutionsGmbH)公司的CoDeSys嵌入式軟PLC系統作為上層用戶應用程序的開發系統。CoDeSys是基于IEC61131-3標準，適用于工業控制器和PLC組件的編程工具[5]。它支持IEC61131-3標準中的五種編程語言，即指令表語言（IL）、功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結構化文本（ST）、順序功能圖（SFC）。CoDeSys的最大優點在于它把邏輯控制、運動控制和可視化集成于一體，不需要其他的組態軟件就可以輕松實現可視化。其中CoDeSys Soft Motion軟件包可將PLC邏輯控制和運動控制（Motion Contro1）合二為一，完美地實現從單軸運動到復雜的多軸軌跡插補的編程和控制。

實時工業以太網EtherCAT是德國Beckhoff公司新開發的一種實時總線技術。其性能優越，不但能解決智能設備間的實時數據交換及高效傳輸采樣數據，甚至能滿足基于PC機實時控制的技術要求[6]。將CoDeSys軟PLC安裝到PC，就構成了基于

IEC61131-3標準的實時運行內核，通過以太網和倍福總線模塊通訊，將開發系統和實時運行系統構建成可重構控制系統，能夠完成程序的編寫編譯、下載、調試、運行等。

1.2 可重構系統總體框架

可重構系統的體系結構決定它可以柔性的集成軟硬件的組元結構，使系統在控制程序核心處理層和硬件執行控制層都得到最大限度的模塊重用?？芍貥嬻w系的基本構成是：通信接口模塊、程序處理模塊和執行接口模塊，這三大模塊決定了控制器的通信能力、信息處理能力和根據任務要求的底層執行能力。

本系統采用主從式的分布式總線網絡結構，基于CoDeSys的嵌入式PC作為主站，實現程序處理、人機界面設置、變量配置、硬件組態等。從站網絡的構建是利用倍福EtherCAT總線模塊，模塊化從站節點之間可以通過總線形式任意耦合，并由總線耦合器連接到控制系統的主站，形成分布式結構。系統總體結構如圖1所示，主要包括：嵌入式計算機、總線耦合器、以太網總線、伺服控制從站、設備I/O從站、智能通信從站等部分。主站計算機通過實時以太網對從站節點上的設備進行分布式控制、集中式管理和模塊化重構，以便根據需求增添或減少節點設備，這種硬件基于網絡的模塊化結構，能夠適應系統的快速、柔性化集成和擴展，大大提高了控制系統的開放性和柔性。

2 可重構自動化焊接控制器硬件平臺

智能控制器的重構主要分為運動控制平臺和焊接電源智能控制平臺，自動化控制器硬件組成如圖2所示。運動控制平臺的基本結構是三維龍門式焊接操作機和二維翻轉旋轉變位機，控制器輸出對步進電機的控制信號；焊接電源的智能控制平臺是針對變極性等離子焊接電源的控制核心MSP430F449單片機，通過RS485通訊接口對單片機的工藝參數控制。此外添加了一些輔助I/O功能，用于以實現運動平臺軸控制的回原點操作、限位功能、焊接電源智能控制的焊接信號、故障報警等。

圖1 可重構控制系統結構

2.1 運動控制的硬件組成

（1）EK1100總線耦合控制器。它將總線上的100 BASE-TX以太網信號傳輸給處理器，并將執行信號分布到執行器的執行端。

（2）EL2521-0024高速脈沖模塊。它產生步進電機驅動脈沖和方向控制信號，控制執行電機的運動。

（3）EL1004數字量輸入模塊。主要用于電機執行機構的零位信號、限位信號以及附加的I/O控制。

（4）執行電機及驅動器，采用MOTEC步進系統，三相混合式步進電機SM397（3個）和SM3910（2個），配套驅動器STD3-60-58，其具有精度高、噪聲低、運行平穩、性能可靠、啟動頻率高、高速扭矩大等特點。

2.2 焊接電源控制的硬件組成

（1）EL6021串行端子接口模塊。可以控制帶有RS485/RS422接口的設備。

圖2 焊接自動控制器硬件組成

（2）EL2004數字量輸出模塊。主要用于電源啟停信號、保護氣開關等的控制。

（3）MSP430F449單片機。它是變極性等離子焊接電源的控制核心，控制電路部分主要由A/D和D/A模塊、RS232和RS485通信模塊、開關量的輸入/輸出模塊、PWM驅動模塊等組成，控制器中主要是通過RS485串行通訊接口實現通訊。

3 可重構自動化焊接控制器軟件設計

根據控制器的運動控制平臺和焊接電源智能控制平臺，軟件開發也是基于這兩方面進行設計規劃，設計思想要基于焊接裝備的功能需求，如：焊縫形狀和焊接速度，焊接軌跡的示教功能，焊接工程實時調整功能，焊接工藝參數的分段設定，參數調整功能等。并且要設計出易設置、易操作、易觀察監控的人機界面，以方便地結合運動控制和焊接工藝實現自動化焊接的目的。

3.1 運動平臺的軟件設計

控制器的運動功能：運動功能采用模塊化設計思想，先設計各個功能模塊，最后再將所有功能模塊整合規劃，形成控制系統。按照控制模式可分為點動控制模式、自動控制模式和示教模式；按照運動方式分為相對運動和絕對運動控制。此外也包括一些速度和狀態監測等功能，設計中應用了大量的可重用功能塊，如SMC_HOMING、MC_Power、MC_RESET、MC_STOP、MC_SetPosition、MC_MoveVelocity等。軟件設計的功能開發如圖3所示。

在五軸運動控制程序中，核心部分是CNC程序，是完成插補運動控制的關鍵。軟件設計用到CNC插補程序模塊：SMC_Interpolator、SMC_TRAFOF、SMC_ControlAxisByPos、SMC_NCDecod er、SMC_Check Velocity等。插補執行流程如圖4所示。

圖4 插補執行流程

控制器的焊接過程實時調整：焊接過程中，根據焊接工藝需要和焊縫位置的偏離，要對焊接軌跡和焊接速度實時調整，在插補路徑已經規劃好的模式下，可以對焊接速度進行實時微調。在聯動控制模式下，對焊接軌跡和焊接速度進行實時微調。

3.2 焊接電源控制平臺的軟件設計

焊接電源控制的軟件設計是應用總線模塊EL6021對單片機的RS485接口實現串行通訊，因此在控制器的軟件平臺和單片機控制程序中做相應的設計和編程?？刂破魍ㄟ^總線端子EL6021的RS485接口，按照數據傳輸協議，將有效數據發送到焊接電源MSP430單片機的RS485接口，接收到的數據經過單片機的數據提取并處理，實現對變極性等離子電源的控制[7]。

焊接電源參數傳輸的數據共有22個字節，第一字節為起始字節，第二字節開始為有效數據，最后兩字節為CRC校驗字節。傳輸格式如表1所示。

表1 數據傳輸格式

焊接程序的分段設計。焊接過程中，針對等離子焊接工藝，要對焊接程序參數進行分段設置，包含準備段、初始段、上升段、工作段1、工作段n、下降段、收弧段、延時段，將程序段分為N個狀態機：case1，case2…case n，每個狀態機當中的參數都可以進行設定，焊接程序段的順序執行通過執行時間設定或者段執行開關進行控制，使得焊接電源對焊接工藝的應用加靈活。

4 性能試驗

針對重構成的焊接自動化控制器，性能試驗主要是測試搭建的系統的運動控制性能和焊接電源控制功能。檢驗軟件設計的功能是否能夠準確的實現、系統運行的實時性、執行精度、運動可靠性、參數傳輸的準確性、適宜操作性等。

4.1 系統實時性分析

Wireshark是一個網絡封包分析軟件，可以用來監聽在網絡上被傳送的報文，擷取網絡封包，并盡可能顯示出最為詳細的網絡封包資料，網絡封包分析軟件的功能可想像成“電工技師使用電表來量測電流、電壓、電阻”的工作，只是將場景移植到網絡上，并將電線替換成網絡線[8]。實時報文截圖如圖5所示，由時間分析項可以看出，循環周期2.97 ms，報文延時86 μs，表明主從站具有很好的實時性。

4.2 運動功能試驗

結合焊接自動化控制器，將主從站和運動執行裝置連接起來。在可視化界面可以試驗點動運動、自動模式和示教模式、絕對運動和相對運動的控制功能。并按照平面和空間，直線和圓弧的分類，做了平面內直線和圓弧軌跡、空間直線和圓弧的運動軌跡實驗，以驗證運動軌跡的準確性和精度。

圖5 Wireshark抓取的報文信息

Text-1是平面軌跡的G代碼指令，在控制程序中自動生成的運動軌跡如圖6a所示，采集各軸運動軌跡位置數據，并利用MATLAB合成各軸的運動軌跡，如圖6b所示。

圖6 平面運動軌跡實驗對比

Text-2是空間軌跡的G代碼指令，由于三維空間軌跡不便觀察，因此將其運動軌跡投影到二維坐標平面內。圖7a、圖8a和圖9a分別對應空間運動軌跡在X-Y坐標平面、X-Z坐標平面和Y-Z坐標平面的軌跡投影。而利用MATLAB合成各軸的運動軌跡如圖7b、圖8b和圖9b所示。由平面軌跡和空間軌跡兩組實驗對比可以看出，控制系統的軌跡控制較準確。

圖7 空間運動軌跡在X-Y平面投影對比

圖8 空間運動軌跡在X-Z平面投影對比

圖9 空間運動軌跡在Z-Y平面投影對比

圖10 焊接參數設定界面

圖11 串口調試工具顯示參數傳輸情況

4.3 焊接電源控制試驗

焊接參數控制試驗主要檢測控制器對焊接參數數據傳輸的準確性和焊接程序分段執行的控制功能。焊接電源設定參數包括：DCEN電流、DCEP電流、DCEN時間、DCEP時間、預先送氣時間、延時送氣時間、初始電流、填充電流、上升時間、下降時間、離子氣流量等。試驗中設置界面和參數值如圖10所示。使用串口工具可以看出（見圖11），顯示窗口將十進制數值轉化為十六進制，第一次接收數據與圖10所示一致，第二次接收的數據也與設定值一致（只將第一次傳輸數據的DCEN電流、DCEP電流、DCEN時間、DCEP時間四個參數進行修改，從十進制數值 120、150、21、4 改為 150、180、20、5，對應的十六進制數值從 78、96、15、4 改為 96、B4、14、5），符合數據傳輸協議格式，觀察等離子焊接電源的液晶屏，也與實際設定數據一致，并在更改參數值后刷屏顯示。

5 結論

（1）搭建了基于CoDeSys的可重構的焊接自動化控制器，設計開發了控制器的軟硬件平臺，應用Wireshark對控制網路進行了分析和研究，表明基于EtherCAT實時以太網的重構控制器有著良好的響應速度和實時性。

（2）試驗表明控制器人機界面合理，可以實現運動平臺單軸運動、多軸插補運動等功能，基本滿足對運動軌跡的控制，結合執行機構可達±0.5 mm的控制精度。

（3）通過倍福端子模塊EL6021，能夠對變極性等離子焊接電源進行智能控制。完成程序段的設定和參數修改功能。

[1]周祖德，魏仁選，陳幼平.開放式控制系統的現狀、趨勢與對策[J].中國機械工程，1999，10（10）：1090-1093.

[2]文立偉，王永章.基于開放結構控制器的可重構數控系統[J].計算機集成制造系統，2003，9（11）：1018-1022.

[3]吳 君，殷躍紅.可重構控制器的硬件架構[J].機械與電子，2011（3）：57-61.

[4]蔡宗琰，嚴新民.可重構制造系統的可重構控制器[J].計算機工程與應用，2003（5）：148-150.

[5]王麗麗，康存鋒，馬春敏，等.基于CoDeSys的嵌入式軟PLC 系統的設計與實現[J].現代制造工程，2007（3）：54-56.

[6]Beckhoff G.EtherCAT：The Ethernet Fieldbus[Z].EtherCAT Technology Group，2006.

[7]陳樹君，潘冰心.基于現場總線技術的焊接電源網絡控制[D].北京：北京工業大學，2009.

[8]康存鋒，林志磊，馬春敏，等.基于TwinCAT主站的Ether-CAT實時以太網分析與研究[J].現代制造工程，2010（11）：16-18.