基于PC和軟PLC的數(shù)控型材拉彎機控制系統(tǒng)研究

吳偉

近年來，開放式數(shù)控系統(tǒng)越來越普遍，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟，越來越多的工業(yè)自動化產(chǎn)品選擇采用基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，這也帶動了航空裝備和制造技術(shù)的快速發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國際編程標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的制定以及其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的推廣，在PC機上實現(xiàn)以軟件技術(shù)形式的PLC功能，即軟PLC技術(shù)，已經(jīng)成為目前研究和應(yīng)用的焦點。這種方式簡化了工業(yè)控制的結(jié)構(gòu)，降低了研發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的難度。本拉彎機控制系統(tǒng)即采用PC與軟PLC結(jié)合的方式，搭建出更簡潔、功能更強大的數(shù)控系統(tǒng)。

一、轉(zhuǎn)臂拉彎機的介紹

（一）拉彎機的組成。本文以自主研發(fā)設(shè)計的張臂式拉彎機為研究對象。數(shù)控型材拉彎機系統(tǒng)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(zhuǎn)臂、托架、夾鉗四大部分組成。工作臺固定，轉(zhuǎn)臂通過銷軸與工作臺連接，轉(zhuǎn)臂由裝在床身上的轉(zhuǎn)臂油缸驅(qū)動而做旋轉(zhuǎn)運動；轉(zhuǎn)臂上有托架，可以沿轉(zhuǎn)臂導(dǎo)軌前后移動適應(yīng)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(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)。由伺服電機驅(qū)動托架運動，但液壓系統(tǒng)為拉彎機運動的主要動力，主要包括液壓泵站、液壓執(zhí)行元件、冷卻系統(tǒng)等。液壓油缸包括主拉伸缸、轉(zhuǎn)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(tài)，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(tǒng)的指令，并驅(qū)動電機和液壓缸實現(xiàn)拉彎軌跡要求。

3.數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)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(huán)算法，控制機床各部件運動按照既定拉彎軌跡進行生產(chǎn)加工。數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)。傳感檢測系統(tǒng)主要包括檢測托架、夾鉗以及轉(zhuǎn)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(huán)反饋，實現(xiàn)了力和位移的精確控制。

（二）拉彎機技術(shù)參數(shù)及控制需求。根據(jù)拉彎機的結(jié)構(gòu)以及拉彎工藝的具體要求，得出如下技術(shù)參數(shù)及控制需求：

1.托架在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)記錄加工軌跡。

二、數(shù)控系統(tǒng)選型及設(shè)計

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

西工大團隊針對轉(zhuǎn)臺式數(shù)控系統(tǒng)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(xiàn)了拉彎軌跡的精確控制；設(shè)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(tǒng)，并設(shè)計了轉(zhuǎn)臺式數(shù)控拉彎機仿真系統(tǒng)和數(shù)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(fā)不夠靈活。而目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)設(shè)計。采用基于IPC平臺并結(jié)合EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）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(shù)控型材拉彎機的數(shù)控系統(tǒng)進行開發(fā)。本系統(tǒng)主要由倍福公司的TwinCAT 軟件及在其設(shè)計的程序作為下位機來實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性任務(wù)控制模塊；由在IPC中設(shè)計的上位機程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的非實時性功能模塊。

控制系統(tǒng)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(tǒng)作為主站連接EtherCAT下的I/O端子從站和伺服從站。伺服系統(tǒng)和I/O系統(tǒng)作為EtherCAT上的節(jié)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(shù)設(shè)定和控制命令，實現(xiàn)對夾鉗、主拉伸缸、轉(zhuǎn)臂拉伸缸、滑動托架四部分的運動控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對拉彎機各運動單元的準(zhǔn)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(jù)拉彎機床實際結(jié)構(gòu)布置，需要3個從站：一個是伺服系統(tǒng)從站，負(fù)責(zé)驅(qū)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(guān)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(tǒng)軟件部分是實現(xiàn)控制系統(tǒng)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(tǒng)。在TwinCAT中，編寫軟PLC程序和進行系統(tǒng)組態(tài)管理設(shè)置，然后基于TwinCAT編寫上位機程序。

三、基于TwinCAT的軟PLC技術(shù)

（一）軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟PLC基于PC機，建立在一定操作系統(tǒng)平臺之上，通過軟件方法實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計算、控制、存儲以及編程等功能，通過I/O模塊以及現(xiàn)場總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及信號的輸出。由于把復(fù)雜的硬件集成到軟件上，極大地降低了開發(fā)成本和開發(fā)難度，并且可以根據(jù)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(tǒng)通常由開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分組成。

（二）TwinCAT平臺。TwinCAT系統(tǒng)由系統(tǒng)管理器（System Manager）、實時服務(wù)器（Real Time Server）、PLC 系統(tǒng)、NC系統(tǒng)、I/O口系統(tǒng)、系統(tǒng)DLL /OXC接口、自動化設(shè)備規(guī)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(tǒng)、NC運動控制系統(tǒng)和I/O數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還可以通過編程環(huán)境和操作站，無需添加專門的硬件控制設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)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(shù)（Main）以及多個函數(shù)（FUN）、功能塊（FB）和程序（PRG）組成。然后在主函數(shù)中調(diào)用相關(guān)的函數(shù)和功能塊實現(xiàn)設(shè)備的控制。

轉(zhuǎn)臂拉彎機的主要工作流程：調(diào)整托架位置→調(diào)整拉伸油缸位置→裝夾型材→預(yù)拉→轉(zhuǎn)臂油缸轉(zhuǎn)動至指定位置→松開夾鉗→拉伸油缸后退→取出型材→轉(zhuǎn)臂油缸復(fù)位→調(diào)整初始位置→新的循環(huán)。

（四）系統(tǒng)管理器。在PLC程序中定義了很多變量，需要通過系統(tǒng)管理器（system manager）將程序中的變量與物理端子一一對應(yīng)，這樣就實現(xiàn)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(xiàn)了具體的控制。

可以在系統(tǒng)管理器中添加虛擬軸進行虛擬調(diào)試運行程序；設(shè)置實時系統(tǒng)、機床NC任務(wù)；將PLC程序?qū)耄粧呙杼砑覫/O設(shè)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(shè)計

HMI是人(操作員)與過程(機器/設(shè)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(jù)拉彎機的實際生產(chǎn)需要，需要上位機具有實時監(jiān)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(zhǔn)界面、配置界面等。

C#與TwinCAT需要實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tài)的讀取。

五、結(jié)論

本文對數(shù)控型材拉彎機的開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，提出了基于PC、軟PLC和TwinCAT平臺的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于PC和軟PLC的結(jié)合的控制方式。根據(jù)拉彎機的硬件和工藝要求，對控制系統(tǒng)進行了詳細(xì)設(shè)計，包括硬件組成、軟PLC程序的編寫、上位機的設(shè)計等。將控制、通信、人機界面以及其他可擴展的應(yīng)用集成到一個硬件平臺上，簡化了工業(yè)自動化的控制結(jié)構(gòu)，開放性、靈活性都有顯著的提高，非常符合航空工業(yè)的發(fā)展趨勢。可以預(yù)見，這種控制方案在未來有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>