基于MODBUS TCP的全自動彎管生產線控制系統設計

周舟

（中國船舶重工集團有限公司 第八研究院，江蘇 揚州 225000）

0 引言

早期的彎管機主要通過繼電器和機械傳動的功能組合實現控制和運動，需要操作經驗對彎管設備進行操作完成彎管工藝流程，因此，人為造成的誤差也就不可避免。同時，不僅增加了生產成本，而且在彎管過程中的人工操作嚴重影響了彎管機的工作效率。隨著工業發展需求，各行業對管材的質量和彎曲精度的要求也有所提高。液壓彎管機具備運行平穩、基本結構簡單、運行噪聲小等特點，在生產中逐漸取代機械傳動結構的彎管機[1]。半自動彎管機中的彎管軸可以實現對彎角的自動控制，極大改善了效率，同時保證了管件彎曲部分的受力均勻性，提高了管材使用壽命。自動彎管機增加了輔助性的自動送料，同時相比于半自動彎管機可以實現空間自動轉角功能，可以更好地適應大型工廠中大批量、多規格的生產，推動了管材加工行業的發展和相關產業的進步[2-3]。自動彎管機的傳動結構依然使用液壓的形式[4-5]。雖然相比于人工其傳動相對穩定，但也無法滿足現代生產的多樣化、定制化等需求。尤其在航空業、管道運輸業等要求管件精度高、使用壽命長的領域其缺陷更加突出。全自動數控彎管機[6-7]的出現無疑填補了這一市場空白。全自動數控彎管機可以自主選擇工藝流程，用戶輸入管材、模具、機械本體等的相關參數后可以實現自動送料、彎管等一系列動作，適用于當下生產活動中小批量、多樣化、個性化的需求[8]。

本設計結合彎管機的使用需求和彎管過程的工藝流程，采用Cotex-M4 CPU為內核的微型控制芯片為控制系統的核心，結合MCGS觸控一體機及伺服控制系統開發一款滿足現有市場要求和用戶需求的全自動四軸彎管機控制系統[9-10]。

1 基于MODBUS TCP的全自動彎管生產線控制系統總體設計

1.1 方案的確定

本設計開發了一套可以替代PLC作為全自動彎管機的控制系統。以Cotex-M4系列作為核心處理器，結合北京昆侖通泰公司開發的MCGS觸摸屏系統[11]，使用KEIL5軟件開發主控制系統程序，使用昆侖通態公司的開發軟件MCGS TCP系列嵌入式產品開發出控制屏的操作界面[12-14]。同時，重新設計了一套適合于該系統的電氣控制板塊。通過與彎管機工藝及用戶需求相結合實現彎管機的自動彎管、自動上料、自動取料功能。

1.2 彎管機基本工作原理

全自動四軸彎管機主要由送料小車和機頭組成，如圖1所示。送料小車部分又由抓料模和轉角電動機組成，液壓缸的推動致使抓料模的夾具夾緊，使管件在彎管過程中不至于因隨意移動而影響彎管質量。轉角電動機在抓料模夾緊狀態下可以以管件橫截面中心為圓心作垂直于Y方向空間內的任意角度旋轉。當送料小車以設定速度移動到指定位置并且以設定速度旋轉設定角度后，機頭部分的導向夾將管件夾緊，隨后主夾（即圖1中的夾塊）夾緊管件，此時管件嵌入彎曲模的凹槽內。夾塊以一定速度向C方向彎曲設定角度，在彎管過程中管件勢必會受到Y方向的拉力，可能會引起彎管處的受力不均，導致產品不合格，因此彎管時導向夾沿Y方向移動減小管件在Y方向所受的阻力，即實現輔推功能。彎曲模直徑的大小決定了管件所彎的彎角弧長。至此，彎管機的基本彎管流程已經完成。

圖1 全自動彎管機工作原理示意圖

在實際彎管時必須結合復雜的相關工藝才能加工出符合要求的合格產品。滿足上述彎管機基本動作規范和原理的同時，通過控制彎管機每個部件的動作順序來實現相關工藝要求。全自動四軸彎管機的伺服系統驅動控制送料、轉角、彎管和模座移動4個動作，保證這幾個主要動作的精度，提高管件質量。其余各部分動作，如模層上下移動、抓料模、夾塊、導向夾的夾緊和松開等動作均由液壓系統控制。圖2為彎管機局部工作原理圖。

圖2 全自動彎管機工作局部原理示意圖

1.3 總體設計思想

運用MCGS組態軟件開發出生產線的總控界面，使用MODBUS TCP作為系統的設備間通信協議，進行協議分析，通過各設備間的IP 地址完成設備間的通信連接，實現整個生產線設備間的數據傳輸與 交 換。 以Cotex-M4 系列作為核心處理器，使用KEIL5軟件開發主控制程序。在進行上位機MCGS組態軟件與下位機運動控制器進行聯合調試，最后進行生產線調試。整條生產線實現的加工流程大致為：上料機與機器人配合實現自動上料→通信按鈕提示上料完成→彎管機自動進行彎管→彎管完成提示按鈕接通→機器人取料至傳送帶或放至AGV送料小車上→分析路況計算最佳行駛路徑→送料→小車反饋送料完成信息并回程→循環以上操作。

2 全自動彎管生產線控制軟件設計

2.1 MCGS 控制界面開發設計

由MCGS生成的用戶應用系統，其結構主要由主控、設備、用戶、實時數據庫和運行策略5個部分組成，如圖3所示。MCGS的軟件界面開發其實就是對每個窗口的構建，對窗口內添加的構件的屬性進行設置，對父設備與子設備的通信地址進行設置及腳本程序的開發。圖4所示為用戶界面總控窗口。

低調，是一種品格，一種姿態，一種風度，一種修養，一種胸襟，一種智慧……是做人的最佳姿態。山峰不顯擺自己的高度，并不影響它聳立云端；大海不顯擺自己的深度，并不影響它容納百川；大地不顯擺自己的厚度，并不影響她承載萬物……

圖3 MCGS用戶系統

圖4 用戶界面總控窗口

圖5所示為在設備窗口添加的上料機、機器人、彎管機3個子設備，單擊各子設備可對IP通信屬性進行設置。

圖5 設備窗口

圖6所示為實時數據庫窗口，實時數據庫為MCGS系統的核心，同時也承擔著整個系統的數據處理中心的重要角色，系統的各個部分將實時數據庫作為公用區用來進行交換數據，實現各個動作的協調與信息的互換。

圖6 實時數據庫窗口

圖7所示為運行策略窗口，通過在窗口內添加“策略組態”定義循環策略塊，將一個順序進行的監控系統變為一個運行流程自動控制的系統。

圖7 運行策略窗口

2.2 通信腳本程序開發

腳本程序是MCGS組態軟件的內置編程語言引擎，更加靈活地解決常規組態方法難以解決的一些控制與計算問題。列舉一小段程序：

程序主要使用if then的循環語句，易懂。其中!BitTest表示字節檢測，用來檢測字節是否為1，! BitSet是字節不為1的情況下將字節至1的命令。將整個系統程序保存到運行策略窗口的腳本程序中即可運行。

3 運動控制器的程序設計

本次設計采用STM32F407VGT6芯片作為整個控制系統的核心控制器。STM32F407VGT6是一款基于Cortex-M4處理器的控制芯片。Cortex-M4是一款ARM公司的一款芯片，全自動彎管機控制器程序設計采用的是計算機C語言，使用Keil uVision5軟件開發設計程序。

3.1 主要程序函數

本設計的運動控制器中主要的程序函數為控件響應函數與自動控制運行程序函數。

每一類控件都有一個控件響應函數，這些響應函數都在其相應的控件類型下調用，為程序運行節約時間和資源。本次全自動彎管機程序主要應用了觸摸屏控件類型中的按鈕控件、文本控件和圖標控件。每個界面窗口都有一個screen_id，每一個控件都有一個control_id，當一個界面的控件按下時，響應它的窗口畫面id和控件id就會響應，調用需要的動作命令完成動作。

自動控制運行程序函數，本次設計中自動控制程序部分的主要特點是邏輯性強。它與彎管機的彎管工藝、用戶需求及機械實際運動情況息息相關。本次設計自動執行程序主要由autoprocess（）、piece_process（）和auto_start（）三個函數組成。

3.2 運動控制器與MCGS通信與響應原理

本設計使用的Cotex-M4為核心的運動控制器包含MBAP報文接受函數與MBAP發送函數，先后接收觸摸屏發送的數據報文進行處理與回應報文數據給觸摸屏。

運動控制器編寫MODBUS SERVER程序，完成以下功能達到上位機觸摸屏與下位機運動控制器的連接調試：1）運動控制器接受觸摸屏基于MODBUS TCP協議發送的數據幀MBAP報文；2）分析數據幀識別觸摸屏提出的不同功能；3）調用子函數處理功能；4）發送報文數據反饋給MCGS觸摸屏。

4 MODBUS TCP通信協議

4.1 MODBUS TCP協議分析

MODBUS 通信協議采用的是主從通信模式。具有傳輸速率更快、處理MODBUS 能力更強的優點。MODBUS通信的實現是采用客戶機與服務機之間基于MODBUS請求、證實、指示、響應4個類型報文進行通信[12-14]。

本設計中MCGS組態軟件啟動相應的任務類型產生請求，運動控制器接受來自MCGS的指示完成指示的任務并且作出響應。MCGS組態軟件再將反饋的運動控制器的響應映射到相應的任務請求上，完成證實。

MBAP報文頭是MODBUS TCP協議的特色與關鍵。MBAP共7個字節的長度，各自包含特殊意義，如表1所示。

表1 MBAP 報文頭格式

4.2 MODBUS TCP 設備間通信參數屬性設置

本設計使用的是莫迪康MODBUS TCP通信, 用于MCGS軟件通過MODBUS TCP協議讀寫各種寄存器的數據；MODBUS TCP通信原理的流程圖如圖8所示。

圖8 MODBUS TCP通信的原理流程圖

完成數據的輸入輸出。驅動類型是以以太網連接的子設備掛在“通用TCP IP 父設備”下來工作的。通信協議為MODBUS TCP IP協議。本設計采用一主多從的通信方式，MCGS組態軟件為主，機器人、上料機、彎管機為從。圖9所示為父設備上位機的TCP/IP地址屬性設置。

圖9 父設備TCP/IP屬性設置

4.3 AGV小車與MCGS的TCP/IP通信模塊設計

AGV小車與MCGS組態軟件的通信采用的是無線通信模塊，整個無線通信模塊是由主機（彎管 器 上 的MCGS）、無線轉換器、AGV構成一個小型局域網。按照MODBUS TCP/IP協議，通過各自IP地址實現以太網通信達成數據的交換。

5 生產線系統調試

5.1 調試思路

本系統主要調試設計MCGS 用戶界面的菜單控制界面是否有錯誤，設備響應是否按照程序設置順序。在系統整體通信運行之前，首先對上料機、彎管機、機器人這些子設備的自身屬性進行測試，首先要確保子設備的自身工作正常，子設備的動力系統、通信系統、硬件設備的正常運行。檢測設備窗口的子設備與父設備的屬性設置是否正確。

5.2 調試與優化

調試過程中有出現子設備響應遲鈍的情況，分析原因可能是動作響應程序的不完善，也可能是運動控制器對MODBUS TCP協議報文數據幀的讀取分析程序的遲鈍。

6 結語

本次研究的全自動彎管機生產線系統采用以STM32F407芯片為核心的運動控制器的伺服系統、北京昆侖通泰公司MCGS觸摸屏軟元件控制、上下位機人機交互系統、AGV運輸系統、MODBUS TCP通信協議，組成了一個完整的基于MODBUS TCP的全自動彎管生產線控制系統。進行了嚴格的測試實驗，來驗證系統運行的可行性、穩定性，考察觸摸屏軟元件控制是否及時響應，機器手上下料環節的動作行程是否準確，AGV運輸小車運動是否準確且穩定，采用MODBUS TCP協議構建生產線各設備間的通信是否實現生產線設備間數據的高速、穩定傳輸。得出結果與預期設想相符合，達到預期設計的基本要求。可實現生產線各個設備間的可靠通信。最后進行了全自動彎管生產線上位機與下位機的聯合調試。試驗顯示，所設計的控制系統能夠實現彎管機的自動彎管控制。后續的運輸小車系統的路徑規劃算法與自動避障功能的算法選擇與優化仍需要進一步深入研究。