車輪壓軋線全液壓重載機械手自動控制系統(tǒng)

張世友

（馬鋼股份有限公司自動化工程公司，安徽馬鞍山 243011）

1 前言

在馬鋼熱軋車輪系統(tǒng)中，從加熱爐到除鱗機、壓機、軋機、冷床等的傳遞是由機械手來完成的。馬鋼車輪公司2＃線的機械手全部由德國GLAMA 公司生產(chǎn)制造，其電氣控制系統(tǒng)采用西門子工控機作為PC 機，附加特殊功能板進行控制，程序編寫完成后打包成可執(zhí)行文件。在生產(chǎn)維護過程中，一旦出現(xiàn)技術(shù)問題將很難得到技術(shù)支持，這樣將直接影響生產(chǎn)和效益。全液壓重載機械手在電氣控制方面國內(nèi)沒有成功范例，國外在技術(shù)方面不公開，技術(shù)支撐成為現(xiàn)有機械手系統(tǒng)維護的瓶頸，定位精度高成為國外廠商漫天要價的法碼。馬鋼公司為了擺脫國外廠商的制約，決定整個機械手由馬鋼公司自己設(shè)計制造，機械部分由馬鋼第二機制公司設(shè)計制造，電氣自動控制由馬鋼自動化工程公司負責(zé)。

本著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能靈活、成本低廉、維護簡單等原則，這個自動控制系統(tǒng)主要采用西門子S7-300 PLC、UMAC 控制器和HMI（人接口計算機）配合工作完成該項目，實現(xiàn)機械手控制要求的所有控制功能。

2 機械手功能介紹

該機械手的機械結(jié)構(gòu)為四聯(lián)桿機構(gòu),由液壓比例伺服閥驅(qū)動,實現(xiàn)手臂的伸縮、手臂的升降、機座的旋轉(zhuǎn)、夾鉗開閉、鉗頭旋轉(zhuǎn)等一系列動作，完成將重達700 kg 的坯料在生產(chǎn)設(shè)備之間傳遞；為了提高產(chǎn)品的合格率和品質(zhì)，要求個別機械手的重復(fù)綜合精度±1mm,這對工件重量達700 kg，運動距離長達5 m 的機械手來說，要求極其苛刻。

機械手主要有如下三種操作模式：緊急手動摸式、手動摸式和自動模式，操作模式可以通過操作臺按鈕或HMI 畫面隨時切換。

2.1 緊急手動模式

在緊急手動方式下，機械化手的動作不受任何限制，各個運動軸可以在機械允許運動范圍了自由運動，這時機械手的安全保護功能全部解除，設(shè)備的安全由操作人員負責(zé)，動作速度可以通過HMI 設(shè)定允許輸出最大電壓來人為控制。這時控制信號由S7-300 PLC 通過模擬量模板給出。

2.2 手動模式

在手動方式下，機械化的動作要受到位置參考表中各位置的設(shè)定值的限制，為了保證設(shè)備的安全，機械手只有C 軸（機座旋轉(zhuǎn)軸）處于位置參考表中C軸的設(shè)定范圍內(nèi)才允許伸出、升降和夾鉗開閉動作；在C 軸不處與位置參考表的任何位置時，機械手只能旋轉(zhuǎn)，不允許有其它動作；在機械手臂伸出時機座不允許旋轉(zhuǎn)。這時控制信號也是由S7-300 PLC 通過模擬量模板給出。

2.3 自動模式

在自動模式下，將HMI 換面上編制的機械手動作順序程序編譯成相應(yīng)的UMAC 運動程序，下載到UMAC 控制器中，UMAC 控制器根據(jù)相應(yīng)的運動程序，輸出相應(yīng)的控制信號，控制機械手各個軸運動的加速度、速度和距離，完成機械手整個動作的控制。同時機械手的安全連鎖仍然有效，UMAC 控制根據(jù)機械手當(dāng)前位置和位置參考表中的位置進行比較，決定機械手下一動作的條件是否滿足，如不滿足，機械化將停在當(dāng)前位置，等待人工處理。

3 系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由以下部分組成：一套西門子S7-300 PLC 、兩套美國DELTA TAU 公司的UMAC 運動控制器、一臺西門子Rack 547B 工業(yè)計算機組成,控制兩臺機械手,其中兩臺機械手的公共液壓站、操作臺操作的邏輯控制和機械手的手動功能全部由一套S7-300 PLC 完成；兩臺機械手的自動運動控制由兩套UMAC 控制器分別完成，HMI 操作畫面在一臺工業(yè)計算機上運行兩套《機械手控制系統(tǒng)V1.0》軟件，通過操作臺上的按鈕進行切換分別顯示不同機械手的操作畫面實現(xiàn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 西門子S7-300PLC部分

S7-300PLC 主要有PS 電源模板、CPU 模板、CP模板等組成主站和ET200 從站通過Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)組成，完成機械手手動控制和液壓站的啟動停止控制。

3.2 UMAC 運動控制器部分

UMAC 運動控制器是美國DELTA TAU 公司生產(chǎn)的多軸運動控制器，是世界上功能最強大、計算速度最快、質(zhì)量最可靠的運動控制產(chǎn)品之一。它的處理器采用Motorola DSP56303 系列數(shù)字信號處理器（160 MHz）?？刂破魍庑统?U 框架結(jié)構(gòu)，CPU 卡可以通過TCP／IP 協(xié)議或UDP 協(xié)議與上位機通訊，也可以連接到網(wǎng)絡(luò)上通過網(wǎng)絡(luò)進行控制，另外還支持USB、串口以及光纖等傳輸方式。UMAC 具有靈活的編程語言，最多可控制32 軸同時運動，最多可設(shè)置16 個坐標(biāo)系，具有優(yōu)秀的直線、圓弧插補、S 曲線加減速、伺服PID 控制、PLC 控制能力并提供各種控制命令、函數(shù)?；赨MAC 的強大功能，它被廣泛用于機器人、食品加工、機床、印刷、物流輸送等各類自動化設(shè)備中。

該UMAC 控制器主要由下幾個模塊組成：電源、CPU 卡、ACC-24E2A 軸卡、ACC-72E（Profibus）、ACC-53E（SSI 絕對值編碼器）卡等。該系統(tǒng)中軸卡采用的ACC-24E2A 軸卡是一種輸出信號為-10V～+10V 的模擬量輸出卡，最多可控制4 軸，用于驅(qū)動機械手上的比例伺服閥；ACC-72E 用于通過Profibus 和西門子S7-300PLC 的Profibus-DP 口完成UMAC 控制和S7-300PLC CPU 的通訊，完成手自動信號、機械手位置、連鎖等信號的交換；ACC-53E 用于完成機械手各個軸的SSI 編碼器位置信號采集，和UMAC 控制算法形成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)機械手的精確定位。

3.3 工業(yè)計算機部分

工業(yè)計算機是這個機械手控制系統(tǒng)的中心，其主要運行Windows XP 操作系統(tǒng)軟件和自主開發(fā)的《機械手控制系統(tǒng)V1.0》軟件，實現(xiàn)對控制參數(shù)的設(shè)置和下載及運動程序的編制和編譯下載。

4 軟件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

機械手這個系統(tǒng)的軟件主要有三部分組成：S7-300 PLC 邏輯控制軟件、UMAC 運動控制器的PLC 程序和運動程序、工業(yè)計算機上的《機械手控制系統(tǒng)V1.0》軟件。

4.1 S7-300PLC軟件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

本控制采用一套PLC 控制兩臺機械手,為了使軟件結(jié)構(gòu)化,同時減少調(diào)試時間,將機械手所有功能都按不同功能分成不同F(xiàn)C 和FB 實現(xiàn),主要有液壓站控制FC、機械手操作模式轉(zhuǎn)換FC、機械手手動控制FC、S7-300 PLC 和各機械手通訊數(shù)據(jù)發(fā)送和接受FC、機械手和相鄰設(shè)備接口通訊FC、機械手報警FC、機械手和HMI 通訊FC、機械手手動限幅及位置判斷FB、帶S 型曲線斜坡函數(shù)發(fā)生器FB、判斷和相鄰設(shè)備Profibus FDL 通訊狀態(tài)FB 等組成。

由于機械手和相鄰設(shè)備位置較近,為了避免機械手誤動作造成相鄰設(shè)備和機械手的損壞,在S7300 PLC 中設(shè)置的64 個參考位置,機械手只能在這64個參考位置中的某些位置(可以根據(jù)需要在HMI 上設(shè)置)具有伸縮、升降和夾鉗開閉動作做，在其他位置，機械手只能在手臂縮回的情況下作旋轉(zhuǎn)動作，所有這些功能都是由機械手手動限幅和位置判斷FB配合機械手手動控制FC 實現(xiàn)。

為了使機械手的動作比較柔和，減小機械沖擊，在加減速過程中，設(shè)計了S 形加速曲線，速度給定有S 形曲線斜坡發(fā)生器FB 根據(jù)給定速度、加減速時間和S 形加速時間生成，通過比例閥控制機械手油缸的給油流量，從而控制機械手的運動速度。

4.2 UMAC軟件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

UMAC 運動控制器重主要有三種類型的程序：PLCC 程序、PLC 程序和Program 運動程序，其中PLCC 程序是將編程軟件PEWinPro32 軟件中編制的程序經(jīng)過編譯生成機器碼然后下裝到UMAC 運動控制器中執(zhí)行，因執(zhí)行的是機器碼，PLCC 程序占用內(nèi)存小，有較高的執(zhí)行效率和較快的執(zhí)行速度，但不能上裝到PEWINPRo32 中，PLCC0～PLCC31 共32個程序；PLC 程序是將PEWinPro32 軟件中編制的程序直接以文本的形式下裝到UMAC 運動控制器中，由UMAC 控制器解釋執(zhí)行，其能上裝到PEWINPRo32 中；PLCC 程序和PLC 程序是循環(huán)掃描執(zhí)行，主要完成邏輯運算和數(shù)學(xué)計算。

Program 運動控制程序主要完成機械運動的控制，其中每一個機械手運動和UMAC 運動控制器中的一個軸對應(yīng)，幾個相關(guān)的軸可以組成一個坐標(biāo)系，通過設(shè)置相應(yīng)的I 參數(shù)，可對每個坐標(biāo)系的特性進行控制；每個軸和UMAC 運動控制器中的電機對應(yīng)，通過設(shè)置相關(guān)的I 參數(shù)可對每個動作的特性進行控制。Program 運動程序由相關(guān)人員在PEWINPRo32 軟件中編制或由其它軟件根據(jù)一定規(guī)則自動生成，下裝到UMAC 控制器中，由UMAC 解釋執(zhí)行的。

在機械手控制中，為減小CPU 的負荷，提高控制精度，所有的邏輯運算和數(shù)學(xué)計算全部采用PLCC程序，主要有三個PLCC 程序，PLCC0 主要完成HMI數(shù)據(jù)的更新和UMAC 和S7300PLC 通訊數(shù)據(jù)的刷新；PLCC1 主要根據(jù)S7-300 PLC 發(fā)送給UMAC 的各個軸的前后位置限定值判斷下一動作是否允許執(zhí)行；PLCC2 實現(xiàn)運動模式的切換、暫停功能的實現(xiàn)、緊急縮回功能的實現(xiàn)、Program 運動程序的啟動和停止等。

為了消除各個軸之間的相互影響，將機械手的6 個軸分配在6 個坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，每個坐標(biāo)系只有一個軸，這樣各個軸就可以任意運動不受其它軸的影響，可以實現(xiàn)幾個軸在同時獨立運動或某一軸運動到一定位置其它軸開始運動等功能。

因機械手的動作較多、動作順序變化較大，通常的固定式程序已不能滿足工藝要求，為了能夠適應(yīng)工藝要求，采用了由HMI 根據(jù)不同工藝由工藝操作人員在HMI 操作畫面中根據(jù)生產(chǎn)工藝和自行開發(fā)的動作指令編制生產(chǎn)動作程序，由HMI 將動作程序編譯生成和UMAC 6 個不同坐標(biāo)系對應(yīng)的6 個Program 運動程序，根據(jù)UMAC 的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，下載到UMAC 的程序緩沖區(qū)內(nèi)，由UMAC 解釋執(zhí)行，控制機械手產(chǎn)生相應(yīng)動作。

4.3 HMI計算機軟件及結(jié)構(gòu)

HMI 計算機運行的是自主開發(fā)的軟件《機械手控制系統(tǒng)V1.0》,該軟件通過TCP/IP 協(xié)議直接與西門子S7-300 PLC 和UMAC 控制器實現(xiàn)高效通訊；該軟件主要完成系統(tǒng)配置的修改、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視、系統(tǒng)報警事件的產(chǎn)生和記錄、運動曲線的實時監(jiān)視、用戶權(quán)限的系統(tǒng)管理、運動程序的編制和下裝、運動參數(shù)的修改和保存等。

為了使機械手能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求靈活改變機械手的動作，設(shè)計了大約80 條左右的機械手動作指令，這些指令都是生產(chǎn)工藝人員可讀的；工藝人員可以根據(jù)生產(chǎn)工藝對應(yīng)的機械手的動作要求和相應(yīng)的語法規(guī)則編制機械手動作程序，程序編制好后可以保存到磁盤上。

由于在HMI 上編制的機械手動作程序UMAC運動控制器是不能夠執(zhí)行，UMAC 控制器只能執(zhí)行按照UMAC 運動程序語法規(guī)則編制的程序；為了使HMI 所編制的機械手動作程序能夠被UMAC 控制器執(zhí)行，在HMI 軟件中實現(xiàn)了將機械手動作程序按照UMAC 運動程序語法要求編譯成UMAC 的運動控制程序的編譯功能，然后根據(jù)UMAC 的通訊協(xié)議，將語法檢查無誤的程序下載到UMAC 程序緩沖區(qū)中，并進行保存。因機械手動作指令較少，且意義明確，一般電氣維護或生產(chǎn)工藝人員都可以編制機械手動作程序，然后由HMI 中編譯模塊和下載模塊將UMAC 能夠運行的程序下載到UMAC 中；這樣機械手的動作順序就可以根據(jù)生產(chǎn)要求做非常靈活的調(diào)整，節(jié)省了大量的人力和物力，同時使整個機械手的通用型大大增強了，運動程序生成流程如圖2。

圖2 運動程序生成流程

在編程機械手控制系統(tǒng)中，考慮到機械手正常運行過程中通常只會在幾個位置之間作往復(fù)運動，同時隨著機械摩損，目標(biāo)位置會發(fā)生偏移，運行一段時間后需要對目標(biāo)位置的編碼器值進行重新校正；本方案設(shè)計了參考位置功能，在UMAC 運動控制器中設(shè)計了一張參考位置數(shù)據(jù)表，該表和HMI 上相應(yīng)的表對應(yīng)，同時配合相應(yīng)的機械手動作指令完成參考運動的功能。在機械手位置發(fā)生偏移時，只需要在HMI 的位置參考表中改變相應(yīng)的參考位置，就可以使機械手的目標(biāo)位置發(fā)生變化，不需要修改機械手動作程序，使系統(tǒng)的維護更為簡單，操作非常靈活。

5 結(jié)束語

自2008 年11 月投產(chǎn)以來，根據(jù)生產(chǎn)的要求對機械手控制系統(tǒng)作了部分調(diào)整，目前各項功能全部滿足生產(chǎn)需要，部分性能指標(biāo)已經(jīng)超越了德國GLAMA 公司產(chǎn)品，完全可以替代進口，為馬鋼公司節(jié)約了大量外匯，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益；同時為類似項目的實施積累了寶貴經(jīng)驗和鍛煉了人才隊伍。

[1]Delta tau Data System，Inc.Turbo PMAC USER MANUAL April 1998

[2]Delta tau Data System,Inc.Turbo PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL April 1998