基于PC和軟PLC的數控型材拉彎機控制系統研究

吳偉

近年來，開放式數控系統越來越普遍，相關技術也日趨成熟，越來越多的工業自動化產品選擇采用基于PC的數控系統，這也帶動了航空裝備和制造技術的快速發展。隨著計算機技術的飛速發展，國際編程標準IEC61131-3的制定以及其在工業自動化領域的推廣，在PC機上實現以軟件技術形式的PLC功能，即軟PLC技術，已經成為目前研究和應用的焦點。這種方式簡化了工業控制的結構，降低了研發數控系統的難度。本拉彎機控制系統即采用PC與軟PLC結合的方式，搭建出更簡潔、功能更強大的數控系統。

一、轉臂拉彎機的介紹

（一）拉彎機的組成。本文以自主研發設計的張臂式拉彎機為研究對象。數控型材拉彎機系統由以下幾個部分組成：

1.機床本體。張臂式拉彎機床主要部件由機床床身、轉臂、托架、夾鉗四大部分組成。工作臺固定，轉臂通過銷軸與工作臺連接，轉臂由裝在床身上的轉臂油缸驅動而做旋轉運動；轉臂上有托架，可以沿轉臂導軌前后移動適應不同長度型材；托架上裝有獨立的主拉伸缸，用來拉伸型材；拉伸缸端部為夾鉗，用來夾持型材。

2.驅動執行系統。由伺服電機驅動托架運動，但液壓系統為拉彎機運動的主要動力，主要包括液壓泵站、液壓執行元件、冷卻系統等。液壓油缸包括主拉伸缸、轉臂拉伸缸和夾鉗油缸各一對，由比例閥控制；夾鉗油缸僅開合兩種狀態，無伺服控制要求，由電磁換向閥控制。伺服電機和各個比例閥接收控制系統的指令，并驅動電機和液壓缸實現拉彎軌跡要求。

3.數控系統。數控系統是決定拉彎機能否自動加工的決定性因素，需要能夠接收上位機軟件和操作面板輸入的控制指令，運行伺服閉環算法，控制機床各部件運動按照既定拉彎軌跡進行生產加工。數控系統主要由工控機、操作面板以及TwinCAT工控軟件和上位機軟件組成。

4.傳感檢測系統。傳感檢測系統主要包括檢測托架、夾鉗以及轉臂油缸位置的拉繩位移傳感器和檢測主拉伸缸拉伸力的力傳感器。傳感器的檢測信號作為閉環反饋，實現了力和位移的精確控制。

（二）拉彎機技術參數及控制需求。根據拉彎機的結構以及拉彎工藝的具體要求，得出如下技術參數及控制需求：

1.托架在轉臂上行程1500mm；2.主拉伸缸行程750mm，速度最快為1m/min；有力控制和位移控制兩種工作模式；3.轉臂油缸行程1925mm，速度最快為4m/min，僅有位移控制模式；4.上位機可以實時顯示反饋信息，并進行零件程序編寫、存儲、讀取；5.示教功能：人工操作機床，進行工件成形，系統記錄加工軌跡。

二、數控系統選型及設計

（一）國內外研究現狀。國外Cyril Bath公司的V-50拉彎機的控制系統采用了3臺通過以太網連接的計算機，其中一個計算機運行Windows系統，用于顯示操作界面，其它2臺計算機控制設備的運動，使用QNX操作系統，有良好的實時性。

西工大團隊針對轉臺式數控系統進行了以下研究：采用高頻比例閥對液壓缸進行壓力和流量控制，實現了拉彎軌跡的精確控制；設計了一套由工控機和兩臺PLC組成的分布式計算機控制系統，并設計了轉臺式數控拉彎機仿真系統和數控NC程序代碼以指令功能。

上述方案對于硬件的依賴較高，開發不夠靈活。而目前基于PC的開放式數控系統采用軟件控制的方案減少了對于硬件的依賴，對于用戶的開發和使用有很強的靈活性和方便性，因此選擇基于TwinCAT軟件的控制方案。

（二）控制系統設計。采用基于IPC平臺并結合EtherCAT（以太網控制自動化技術）的軟件式控制方案，利用德國 BECKHOFF公司的TwinCAT 工控軟件提供運動控制解決方案，來對數控型材拉彎機的數控系統進行開發。本系統主要由倍福公司的TwinCAT 軟件及在其設計的程序作為下位機來實現系統的實時性任務控制模塊；由在IPC中設計的上位機程序來實現系統的非實時性功能模塊。

控制系統的硬件主要由IPC、EtherCAT總線、I/O端子從站和伺服從站組成。利用基于IPC的自動化軟件TwinCAT系統作為主站連接EtherCAT下的I/O端子從站和伺服從站。伺服系統和I/O系統作為EtherCAT上的節點能夠與主機進行通信，再通過EtherCAT的高速傳輸接受上位機的各種操作、參數設定和控制命令，實現對夾鉗、主拉伸缸、轉臂拉伸缸、滑動托架四部分的運動控制，構成閉環控制系統，實現對拉彎機各運動單元的準確控制。

工控機采用BECKHOFF提供的C6525-0020，EtherCAT總線耦合器選用EK1110。根據拉彎機床實際結構布置，需要3個從站：一個是伺服系統從站，負責驅動伺服電機，進而控制托架運動；一個是操作員控制臺處的I/O從站，主要接受控制臺處的開關信號；一個是工作臺電器柜處的I/O從站，主要接受操作面板信號、液壓信號、傳感器信號，并控制比例閥。

控制系統軟件部分是實現控制系統功能的核心部分，主要包括人機界面(HMI)程序、TwinCAT平臺、上位機程序和操作系統。在TwinCAT中，編寫軟PLC程序和進行系統組態管理設置，然后基于TwinCAT編寫上位機程序。

三、基于TwinCAT的軟PLC技術

（一）軟PLC系統結構。軟PLC基于PC機，建立在一定操作系統平臺之上，通過軟件方法實現傳統PLC的計算、控制、存儲以及編程等功能，通過I/O模塊以及現場總線等物理設備完成現場數據的采集以及信號的輸出。由于把復雜的硬件集成到軟件上，極大地降低了開發成本和開發難度，并且可以根據需要修改程序，而不用大量更換硬件，完成不同的需要，避免了資源浪費。軟PLC系統通常由開發系統和運行系統兩部分組成。

（二）TwinCAT平臺。TwinCAT系統由系統管理器（System Manager）、實時服務器（Real Time Server）、PLC 系統、NC系統、I/O口系統、系統DLL /OXC接口、自動化設備規范接口（ADS-Interface）以及自動化信息路由器（AMS Router)等組成，TwinCAT可以在任何一臺兼容的PC機上運行 PLC處理系統、NC運動控制系統和I/O數據采集系統，還可以通過編程環境和操作站，無需添加專門的硬件控制設備，而將PC用做一臺完整的實時的控制器。

（三）軟PLC程序編寫。TwinCAT編程符合IEC 61131－3標準，編程過程中可以使用一種或者多種語言，TwinCAT PLC支持 IL（指令表）、 LD（梯形圖）、FBD/CFC（功能塊圖）、SFC（順序功能圖）、ST（結構化文本）這6種語言。

打開PLC control后，可以選擇合適的語言編寫程序。界面主要由對象列表、變量聲明和程序表示三個部分組成。一個PLC程序包含一個主函數（Main）以及多個函數（FUN）、功能塊（FB）和程序（PRG）組成。然后在主函數中調用相關的函數和功能塊實現設備的控制。

轉臂拉彎機的主要工作流程：調整托架位置→調整拉伸油缸位置→裝夾型材→預拉→轉臂油缸轉動至指定位置→松開夾鉗→拉伸油缸后退→取出型材→轉臂油缸復位→調整初始位置→新的循環。

（四）系統管理器。在PLC程序中定義了很多變量，需要通過系統管理器（system manager）將程序中的變量與物理端子一一對應，這樣就實現了物理I/O地址與邏輯過程變量的映射，PLC變量的改變就代表實際動作的改變，實現了具體的控制。

可以在系統管理器中添加虛擬軸進行虛擬調試運行程序；設置實時系統、機床NC任務；將PLC程序導入；掃描添加I/O設備，并分配地址，將PLC中的變量與I/O通道中的端子建立邏輯——物理連接。

四、HMI人機界面設計

HMI是人(操作員)與過程(機器/設備)之間的可靠接口。編程語言采用C#，在Visual Studio.NET 2008上編寫繪制HMI。

在編寫上位機軟件前需要進行軟件需求分析，根據拉彎機的實際生產需要，需要上位機具有實時監測界面、零件加工程序編寫界面、屈服點探測界面、診斷界面、校準界面、配置界面等。

C#與TwinCAT需要實現通信，所以在C#中定義的程序變量要與TwinCAT中定義的變量一致。通過信號和數據交換，上位機和下位機之間主要是要完成控制命令的寫入和運動狀態的讀取。

五、結論

本文對數控型材拉彎機的開放式數控系統進行研究，提出了基于PC、軟PLC和TwinCAT平臺的控制系統，實現了基于PC和軟PLC的結合的控制方式。根據拉彎機的硬件和工藝要求，對控制系統進行了詳細設計，包括硬件組成、軟PLC程序的編寫、上位機的設計等。將控制、通信、人機界面以及其他可擴展的應用集成到一個硬件平臺上，簡化了工業自動化的控制結構，開放性、靈活性都有顯著的提高，非常符合航空工業的發展趨勢。可以預見，這種控制方案在未來有很大的發展潛力。