基于Beckhoff的PC兼容控制系統設計與實現

譚立杰，程秀全

(中國電子科技集團第四十五研究所 北京100176)

基于Beckhoff的PC兼容控制系統設計與實現

譚立杰，程秀全

(中國電子科技集團第四十五研究所 北京100176)

針對激光劃切機快速高效的工藝特點，設計基于倍福Beckhoff的PC兼容控制系統。通過高速EtherCAT現場總線技術，確保工作臺的高動態性能，滿足激光與工作臺協同控制技術要求，研究可編程邏輯控制器PLC底層程序與VC頂層程序實現，與激光劃切機整機軟件相兼容，保證設備的可靠性和穩定性，提高設備的生產效率。

激光劃切機；倍福；EtherCAT現場總線；可編程邏輯控制器

與傳統的砂輪劃片機相比，激光劃切速度快、切縫窄、熱影響區小、切縫垂直度好、切邊光滑，其加工質量是無可替代的。軍工領域主要用于生瓷基板、LTCC熟瓷基板和第三代半導體材料（SiC、 GaN）的劃切，民用領域主要用于軟/硬性PCB基板、FPD、LCD基板、白藍光LED、太陽能電池板和陶瓷等材料的結構化成型、鉆孔、劃片和切割等微加工應用。加工靈活性高，同時加工材料的種類和形狀幾乎不受限制，因此激光劃切成為世界公認的不可缺少的基礎加工工藝，可以獲得極高的尺寸精確度和最小的材料熱變形，具有一流的劃切效果，能獲得前所未有的高效率、低成本和高精度。

Beckhoff基于PC的控制技術，通過Twin-CAT CNC運動控制軟件及相關運動控制硬件，高速EtherCAT現場總線技術，確保高動態性能，能夠把激光發生器的潛在能量最大程度地轉換成速度和效率，適合用作激光劃切設備的控制器。作為TwinCAT軟件家族最頂層的TwinCAT CNC，向下兼容了TwinCAT PLC和TwinCAT NC PTP軟件，同時為激光劃切周邊設備一并提供PLC和通用運動控制功能，比如上下料物流設備、步進電機脈沖發生模塊等。因為Beckhoff基于PC控制特點和開放式架構，所以簡化了主控設備的硬件配置，只需少量硬件，節省了成本和空間。

1 PC兼容的開放式控制系統

傳統的控制系統硬件一般由可視化PC，PLC，NC/CNC模塊，微處理系統組成，軟件往往能兼容多個操作系統和多種編程語言，在硬件之間、軟件之間配有接口，使用集中式配電柜供電。而PC兼容的開放式控制系統以PC為核心，應用現場總線技術，兼容所有標準化接口，以WindowsNT為操作系統，使用NC PTP、NCI、CNC、TwinCAT等軟件，應用Windows標準軟件包及VC、VC++、VB、Delphi等常用編程語言，配有分布式配電柜供電，如圖1所示。PC控制僅需要四大組建：工業PC、現場總線IO、標準操作系統、實時控制軟件，如圖1所示。

圖1 PC兼容的開放式控制系統

TwinCAT NC PTP是Beckhoff公司的運動控制軟件的名稱，TwinCAT是“The Windows Control and Automation Technology”的縮寫，即基于Windows操作系統的自動化控制技術，而NC PTP是“Numerical Control Point To Point”的縮寫，NC （Numerical Control）意思是“運動控制”，NC PTP就是點對點的運動控制。NC周期是指NC Task SAF的周期，典型值為2 ms，最小可到50μs。當連接硬件運動軸時，以Beckhoff的伺服驅動器AX5000為例，位置環周期為125μs。在該任務中，TwinCAT NC完成位置、速度、加速度設定值生成和計算，并確定方向。

一個運動軸的控制，分為位置環，速度環和電流環。位置環，接受TwinCAT NC發出的“設定位置”，與實際位置比較，經過PID運算，輸出“設定速度”給速度環。速度，接受位置環發出的“設定速度”，與實際速度比較，經過PID運算，輸出“設定電流”給電流環。電流環，接受速度環發出的“設定電流”，與實際電流比較，經過PID運算，直接控制電機的電流，從而調節電機扭矩。如果位置環和TwinCAT NC采用外部編碼器值作為實際位置，就稱為全閉環控制。采用電機軸延伸端的編碼器值作為反饋，即為半閉環控制。驅動器如果工作在位置模式，TwinCAT NC就只做位置曲線的規劃，每個NC周期發目標位置到驅動器。NC周期必須是驅動器位置環周期的整數倍，驅動器接收到設定位置后，與當前位置比較，并依據NC周期與位置環周期的倍數進行線性或者非線性插值，將插值作為每個位置環周期的“設定位置”，圖2為位置環、速度環、電流環的參數設置。

TwinCAT PLC的邏輯程序可以直接控制現場IO模塊，但控制伺服驅動器時，需經過Twin-CAT NC中轉。TwinCAT NC的作用在于執行PLC發出的運動控制指令，并翻譯給不同類型的伺服軸。TwinCAT NC執行PLC的運動控制指令，就是做路徑規劃。PLC要求伺服軸以某個速度運動到某個絕對位置，NC接到這個指令后，計算出每個NC周期伺服軸應該到達的位置。Twin-CAT PLC、TwinCAT NC及電機外設的控制關系如圖3所示。

圖2 位置環、速度環、電流環

圖3 TwinCAT PLC、TwinCAT NC及電機外設的控制關系

2 激光劃切機PC控制系統設計

激光劃切機的xyz工作臺選用基于EtherCAT總線的伺服驅動器AX5000系列，xy選用直線電機，可以直接總線驅動，z向選用步進電機，需要脈沖發生模塊和總線耦合器與EtherCAT總線連接。數字量輸入輸出模塊與總線耦合模塊組合從而對工作臺限位傳感器、塔燈、電磁閥、吸塵器、氣壓傳感器等IO組件進行管理。

PC控制系統的硬件實現如圖4所示。

3 軟件實現

激光劃切機設備控制系統采用TwinCAT NC PTP軟件，PLC庫為MC2，各運動語句的功能關系如圖5所示。

圖4 激光劃切機PC控制系統硬件實現

圖5 PLC各運動語句功能關系

3.1 編寫PLC程序

利用Beckhoff TwinCAT自動化軟件的PLC Control，編寫邏輯控制程序，控制設備的初始化、運動、位置顯示等。TwinCAT PLC支持IEC61131-3標準中的 5種編程語言：IL、LD、FBD、SFC和ST，參照Beckhoff公司的《TwinCAT PLC編程手冊》或者 PLC OPEN組織的《IEC61131-3編程》中各種語言規范的說明，簡單易學，易于程序的編寫和調試。

另外PLC程序可以直接調用MC庫函數，將各部分的功能寫成獨立的程序段，相同功能寫成功能塊，便于多次調用，同時也便于程序的移植。其變量可根據所對應的類型指定地址，也可由程序自動分配地址空間，如圖6所示。

圖6 程序功能塊示例

3.2 在System Manager中導入PLC程序

如圖7所示，左邊的樹形定位到PLC Configuration，單擊Append PLC Project，打開選擇文件對話框，選擇編譯生成的TPY文件，即可導入PLC文件。導入文件后就可以看到PLC程序中所有的Input和Output變量，然后定義PLC變量和硬件I/O點的映射關系，進行硬件的組態連接。

圖7 TwinCAT System Manager軟件

工控機利用TwinCAT軟件實現系統的PLC控制，作為整個系統的控制核心。負責接收各個軸的狀態信號及I/O信號，進行綜合處理。

EtherCAT（Ethernet for Control and Automation Technology）總線是整個系統的橋梁，負責各種控制信號和反饋信號的傳送。EtherCAT是與PC控制技術相匹配的通訊系統，Beckhoff開發的實時工業以太網解決方案，其特點是性能優越，操作簡便。

3.3 上層程序VC++實現

軟件編程的實現，在Windows平臺下，使用VC++6.0作為開發工具。上位機程序應用于工控機上，通過硬實時的超高速以太網EtherCAT與TwinCAT的PLC程序進行通訊，利用變量與PLC程序中的參數相鏈接。完成菜單管理、文件管理、工藝編輯等功能。

Beckhoff公司提供了開發庫，此庫提供很多函數，用于VC++程序與ADS設備通訊，即與PLC程序通訊，來控制硬件系統完成各種功能。

寫PLC變量函數：

從功能上劃分，封裝的函數可以分為運動控制類函數和I/O輸入輸出類函數。運動控制類函數首先要初始化運動系統，回零，然后程序運行，進行相對運動或絕對運動，完成各種工藝功能。而I/O輸入輸出類函數初始化IO端口后，一直工作在查詢模式，監測I/O報警。程序運行流程圖如圖8所示。由于函數過多，具體實現程序在此不做詳細介紹，只是選取幾個重要的函數作一介紹。

圖8 程序運行流程圖

運動系統初始化函數：

4 結束語

通過工藝實驗考核，激光劃切機的運動控制系統采用EtherCAT總線這種軟PLC總線解決方案是可行而有效的，針對這種總線解決方案選擇使用Beckhoff公司的運動控制卡和電機驅動器以及IO卡，然后利用其提供的底層類庫封裝適合自己的運動類庫，不斷優化軟件設計思想、邏輯流程，以保證設備的可靠性和穩定性，提高設備的生產效率。

[1] 李銀華，張萬偉.基于倍福軟PLC的多工位自動氬弧焊機[J].電焊機，2013，43(9)：91-94.

[2] 鄭士富，彭 銘.VC++與TwinCAT的混合編程研究[J].儀器儀表用戶，2008，15(3)：109-110.

[3] Beckhoff公司.TwinCAT PLC編程手冊[Z].

PC Compatible Control System Design and Implementation Based on Beckhoff

TAN Lijie，CHENG Xiuquan

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

According to the technical characteristics of laser cutting system for fast and efficient，we have design PC Compatible Control System based on Beckhoff.Through the EtherCAT field bus technology，it has insured the workbench of high dynamic performance，and meet the laser and workbench cooperative control technology requirements，study of PLC bottom program and VC top program，it is compatible with the laser cutting system software，ensure equipment reliability and stability，improve the equipment production efficiency.

Laser cutting system；Beckhoff；EtherCAT field bus；Programmable logic controller

TN305.1

B

1004-4507(2015)02-0015-06

2015-01-20