基于CoDeSys的可重構(gòu)的焊接自動化控制器

陳樹君，張二永，盧振洋，白立來

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 前言

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，自動化控制結(jié)構(gòu)的多變性和多應(yīng)用性對運動控制器的靈活性、響應(yīng)時間、控制精度等方面提出了更高的要求，控制器對可重構(gòu)性、實時性、高精度的要求越來越高?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)概念的提出，對控制體系結(jié)構(gòu)提出了新的發(fā)展方向，開放式可重構(gòu)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今自動化控制技術(shù)的研究方向[1]。

可重構(gòu)技術(shù)是指利用可重用的軟硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法?？芍貥?gòu)控制器作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，對其自身快速重構(gòu)的能力、智能性以及良好的通信能力都有較高的要求?；赑C機的開放式可重構(gòu)控制結(jié)構(gòu)，能夠滿足并實現(xiàn)工業(yè)自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求，完成比較復(fù)雜的控制任務(wù)，其主要特征包括模塊化、可操作性、可重構(gòu)性、可移植性、可擴展性和可交換性。其硬件以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓撲結(jié)構(gòu)，使其在重構(gòu)時僅需要改變部分模塊的配置，即可完成重構(gòu)任務(wù)，有利于系統(tǒng)的集成、維護、擴展和向新技術(shù)遷移[2-4]。

本研究結(jié)合CoDeSys軟件和EtherCAT技術(shù)構(gòu)建可重構(gòu)控制器，實現(xiàn)對焊接運動平臺的控制和對焊接電源的智能控制。重構(gòu)了基于焊接操作機和變位機的五軸運動平臺，變極性等離子焊接電源的工藝參數(shù)智能控制平臺，使得研究設(shè)計的開放式可重構(gòu)控制器的軟硬件構(gòu)建方法得到了初步的實現(xiàn)，它是可重構(gòu)控制器的一種實際應(yīng)用體現(xiàn)。

1 可重構(gòu)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)控制器的實現(xiàn)以CoDeSys開發(fā)系統(tǒng)和EtherCAT實時以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建智能控制器的硬軟件開發(fā)平臺。充分利用軟硬件的可重構(gòu)性，實現(xiàn)模塊配置和任務(wù)執(zhí)行。

1.1 開發(fā)系統(tǒng)和實時以太網(wǎng)技術(shù)

系統(tǒng)采用德國3S(SmartSoftware SolutionsGmbH)公司的CoDeSys嵌入式軟PLC系統(tǒng)作為上層用戶應(yīng)用程序的開發(fā)系統(tǒng)。CoDeSys是基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)控制器和PLC組件的編程工具[5]。它支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中的五種編程語言，即指令表語言（IL）、功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、順序功能圖（SFC）。CoDeSys的最大優(yōu)點在于它把邏輯控制、運動控制和可視化集成于一體，不需要其他的組態(tài)軟件就可以輕松實現(xiàn)可視化。其中CoDeSys Soft Motion軟件包可將PLC邏輯控制和運動控制（Motion Contro1）合二為一，完美地實現(xiàn)從單軸運動到復(fù)雜的多軸軌跡插補的編程和控制。

實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT是德國Beckhoff公司新開發(fā)的一種實時總線技術(shù)。其性能優(yōu)越，不但能解決智能設(shè)備間的實時數(shù)據(jù)交換及高效傳輸采樣數(shù)據(jù)，甚至能滿足基于PC機實時控制的技術(shù)要求[6]。將CoDeSys軟PLC安裝到PC，就構(gòu)成了基于

IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的實時運行內(nèi)核，通過以太網(wǎng)和倍福總線模塊通訊，將開發(fā)系統(tǒng)和實時運行系統(tǒng)構(gòu)建成可重構(gòu)控制系統(tǒng)，能夠完成程序的編寫編譯、下載、調(diào)試、運行等。

1.2 可重構(gòu)系統(tǒng)總體框架

可重構(gòu)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)決定它可以柔性的集成軟硬件的組元結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在控制程序核心處理層和硬件執(zhí)行控制層都得到最大限度的模塊重用?？芍貥?gòu)體系的基本構(gòu)成是：通信接口模塊、程序處理模塊和執(zhí)行接口模塊，這三大模塊決定了控制器的通信能力、信息處理能力和根據(jù)任務(wù)要求的底層執(zhí)行能力。

本系統(tǒng)采用主從式的分布式總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于CoDeSys的嵌入式PC作為主站，實現(xiàn)程序處理、人機界面設(shè)置、變量配置、硬件組態(tài)等。從站網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是利用倍福EtherCAT總線模塊，模塊化從站節(jié)點之間可以通過總線形式任意耦合，并由總線耦合器連接到控制系統(tǒng)的主站，形成分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：嵌入式計算機、總線耦合器、以太網(wǎng)總線、伺服控制從站、設(shè)備I/O從站、智能通信從站等部分。主站計算機通過實時以太網(wǎng)對從站節(jié)點上的設(shè)備進行分布式控制、集中式管理和模塊化重構(gòu)，以便根據(jù)需求增添或減少節(jié)點設(shè)備，這種硬件基于網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)系統(tǒng)的快速、柔性化集成和擴展，大大提高了控制系統(tǒng)的開放性和柔性。

2 可重構(gòu)自動化焊接控制器硬件平臺

智能控制器的重構(gòu)主要分為運動控制平臺和焊接電源智能控制平臺，自動化控制器硬件組成如圖2所示。運動控制平臺的基本結(jié)構(gòu)是三維龍門式焊接操作機和二維翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變位機，控制器輸出對步進電機的控制信號；焊接電源的智能控制平臺是針對變極性等離子焊接電源的控制核心MSP430F449單片機，通過RS485通訊接口對單片機的工藝參數(shù)控制。此外添加了一些輔助I/O功能，用于以實現(xiàn)運動平臺軸控制的回原點操作、限位功能、焊接電源智能控制的焊接信號、故障報警等。

圖1 可重構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 運動控制的硬件組成

（1）EK1100總線耦合控制器。它將總線上的100 BASE-TX以太網(wǎng)信號傳輸給處理器，并將執(zhí)行信號分布到執(zhí)行器的執(zhí)行端。

（2）EL2521-0024高速脈沖模塊。它產(chǎn)生步進電機驅(qū)動脈沖和方向控制信號，控制執(zhí)行電機的運動。

（3）EL1004數(shù)字量輸入模塊。主要用于電機執(zhí)行機構(gòu)的零位信號、限位信號以及附加的I/O控制。

（4）執(zhí)行電機及驅(qū)動器，采用MOTEC步進系統(tǒng)，三相混合式步進電機SM397（3個）和SM3910（2個），配套驅(qū)動器STD3-60-58，其具有精度高、噪聲低、運行平穩(wěn)、性能可靠、啟動頻率高、高速扭矩大等特點。

2.2 焊接電源控制的硬件組成

（1）EL6021串行端子接口模塊?？梢钥刂茙в蠷S485/RS422接口的設(shè)備。

圖2 焊接自動控制器硬件組成

（2）EL2004數(shù)字量輸出模塊。主要用于電源啟停信號、保護氣開關(guān)等的控制。

（3）MSP430F449單片機。它是變極性等離子焊接電源的控制核心，控制電路部分主要由A/D和D/A模塊、RS232和RS485通信模塊、開關(guān)量的輸入/輸出模塊、PWM驅(qū)動模塊等組成，控制器中主要是通過RS485串行通訊接口實現(xiàn)通訊。

3 可重構(gòu)自動化焊接控制器軟件設(shè)計

根據(jù)控制器的運動控制平臺和焊接電源智能控制平臺，軟件開發(fā)也是基于這兩方面進行設(shè)計規(guī)劃，設(shè)計思想要基于焊接裝備的功能需求，如：焊縫形狀和焊接速度，焊接軌跡的示教功能，焊接工程實時調(diào)整功能，焊接工藝參數(shù)的分段設(shè)定，參數(shù)調(diào)整功能等。并且要設(shè)計出易設(shè)置、易操作、易觀察監(jiān)控的人機界面，以方便地結(jié)合運動控制和焊接工藝實現(xiàn)自動化焊接的目的。

3.1 運動平臺的軟件設(shè)計

控制器的運動功能：運動功能采用模塊化設(shè)計思想，先設(shè)計各個功能模塊，最后再將所有功能模塊整合規(guī)劃，形成控制系統(tǒng)。按照控制模式可分為點動控制模式、自動控制模式和示教模式；按照運動方式分為相對運動和絕對運動控制。此外也包括一些速度和狀態(tài)監(jiān)測等功能，設(shè)計中應(yīng)用了大量的可重用功能塊，如SMC_HOMING、MC_Power、MC_RESET、MC_STOP、MC_SetPosition、MC_MoveVelocity等。軟件設(shè)計的功能開發(fā)如圖3所示。

在五軸運動控制程序中，核心部分是CNC程序，是完成插補運動控制的關(guān)鍵。軟件設(shè)計用到CNC插補程序模塊：SMC_Interpolator、SMC_TRAFOF、SMC_ControlAxisByPos、SMC_NCDecod er、SMC_Check Velocity等。插補執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 插補執(zhí)行流程

控制器的焊接過程實時調(diào)整：焊接過程中，根據(jù)焊接工藝需要和焊縫位置的偏離，要對焊接軌跡和焊接速度實時調(diào)整，在插補路徑已經(jīng)規(guī)劃好的模式下，可以對焊接速度進行實時微調(diào)。在聯(lián)動控制模式下，對焊接軌跡和焊接速度進行實時微調(diào)。

3.2 焊接電源控制平臺的軟件設(shè)計

焊接電源控制的軟件設(shè)計是應(yīng)用總線模塊EL6021對單片機的RS485接口實現(xiàn)串行通訊，因此在控制器的軟件平臺和單片機控制程序中做相應(yīng)的設(shè)計和編程。控制器通過總線端子EL6021的RS485接口，按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將有效數(shù)據(jù)發(fā)送到焊接電源MSP430單片機的RS485接口，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)提取并處理，實現(xiàn)對變極性等離子電源的控制[7]。

焊接電源參數(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)共有22個字節(jié)，第一字節(jié)為起始字節(jié)，第二字節(jié)開始為有效數(shù)據(jù)，最后兩字節(jié)為CRC校驗字節(jié)。傳輸格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸格式

焊接程序的分段設(shè)計。焊接過程中，針對等離子焊接工藝，要對焊接程序參數(shù)進行分段設(shè)置，包含準(zhǔn)備段、初始段、上升段、工作段1、工作段n、下降段、收弧段、延時段，將程序段分為N個狀態(tài)機：case1，case2…case n，每個狀態(tài)機當(dāng)中的參數(shù)都可以進行設(shè)定，焊接程序段的順序執(zhí)行通過執(zhí)行時間設(shè)定或者段執(zhí)行開關(guān)進行控制，使得焊接電源對焊接工藝的應(yīng)用加靈活。

4 性能試驗

針對重構(gòu)成的焊接自動化控制器，性能試驗主要是測試搭建的系統(tǒng)的運動控制性能和焊接電源控制功能。檢驗軟件設(shè)計的功能是否能夠準(zhǔn)確的實現(xiàn)、系統(tǒng)運行的實時性、執(zhí)行精度、運動可靠性、參數(shù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、適宜操作性等。

4.1 系統(tǒng)實時性分析

Wireshark是一個網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件，可以用來監(jiān)聽在網(wǎng)絡(luò)上被傳送的報文，擷取網(wǎng)絡(luò)封包，并盡可能顯示出最為詳細的網(wǎng)絡(luò)封包資料，網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件的功能可想像成“電工技師使用電表來量測電流、電壓、電阻”的工作，只是將場景移植到網(wǎng)絡(luò)上，并將電線替換成網(wǎng)絡(luò)線[8]。實時報文截圖如圖5所示，由時間分析項可以看出，循環(huán)周期2.97 ms，報文延時86 μs，表明主從站具有很好的實時性。

4.2 運動功能試驗

結(jié)合焊接自動化控制器，將主從站和運動執(zhí)行裝置連接起來。在可視化界面可以試驗點動運動、自動模式和示教模式、絕對運動和相對運動的控制功能。并按照平面和空間，直線和圓弧的分類，做了平面內(nèi)直線和圓弧軌跡、空間直線和圓弧的運動軌跡實驗，以驗證運動軌跡的準(zhǔn)確性和精度。

圖5 Wireshark抓取的報文信息

Text-1是平面軌跡的G代碼指令，在控制程序中自動生成的運動軌跡如圖6a所示，采集各軸運動軌跡位置數(shù)據(jù)，并利用MATLAB合成各軸的運動軌跡，如圖6b所示。

圖6 平面運動軌跡實驗對比

Text-2是空間軌跡的G代碼指令，由于三維空間軌跡不便觀察，因此將其運動軌跡投影到二維坐標(biāo)平面內(nèi)。圖7a、圖8a和圖9a分別對應(yīng)空間運動軌跡在X-Y坐標(biāo)平面、X-Z坐標(biāo)平面和Y-Z坐標(biāo)平面的軌跡投影。而利用MATLAB合成各軸的運動軌跡如圖7b、圖8b和圖9b所示。由平面軌跡和空間軌跡兩組實驗對比可以看出，控制系統(tǒng)的軌跡控制較準(zhǔn)確。

圖7 空間運動軌跡在X-Y平面投影對比

圖8 空間運動軌跡在X-Z平面投影對比

圖9 空間運動軌跡在Z-Y平面投影對比

圖10 焊接參數(shù)設(shè)定界面

圖11 串口調(diào)試工具顯示參數(shù)傳輸情況

4.3 焊接電源控制試驗

焊接參數(shù)控制試驗主要檢測控制器對焊接參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和焊接程序分段執(zhí)行的控制功能。焊接電源設(shè)定參數(shù)包括：DCEN電流、DCEP電流、DCEN時間、DCEP時間、預(yù)先送氣時間、延時送氣時間、初始電流、填充電流、上升時間、下降時間、離子氣流量等。試驗中設(shè)置界面和參數(shù)值如圖10所示。使用串口工具可以看出（見圖11），顯示窗口將十進制數(shù)值轉(zhuǎn)化為十六進制，第一次接收數(shù)據(jù)與圖10所示一致，第二次接收的數(shù)據(jù)也與設(shè)定值一致（只將第一次傳輸數(shù)據(jù)的DCEN電流、DCEP電流、DCEN時間、DCEP時間四個參數(shù)進行修改，從十進制數(shù)值 120、150、21、4 改為 150、180、20、5，對應(yīng)的十六進制數(shù)值從 78、96、15、4 改為 96、B4、14、5），符合數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式，觀察等離子焊接電源的液晶屏，也與實際設(shè)定數(shù)據(jù)一致，并在更改參數(shù)值后刷屏顯示。

5 結(jié)論

（1）搭建了基于CoDeSys的可重構(gòu)的焊接自動化控制器，設(shè)計開發(fā)了控制器的軟硬件平臺，應(yīng)用Wireshark對控制網(wǎng)路進行了分析和研究，表明基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的重構(gòu)控制器有著良好的響應(yīng)速度和實時性。

（2）試驗表明控制器人機界面合理，可以實現(xiàn)運動平臺單軸運動、多軸插補運動等功能，基本滿足對運動軌跡的控制，結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)可達±0.5 mm的控制精度。

（3）通過倍福端子模塊EL6021，能夠?qū)ψ儤O性等離子焊接電源進行智能控制。完成程序段的設(shè)定和參數(shù)修改功能。

[1]周祖德，魏仁選，陳幼平.開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢與對策[J].中國機械工程，1999，10（10）：1090-1093.

[2]文立偉，王永章.基于開放結(jié)構(gòu)控制器的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2003，9（11）：1018-1022.

[3]吳 君，殷躍紅.可重構(gòu)控制器的硬件架構(gòu)[J].機械與電子，2011（3）：57-61.

[4]蔡宗琰，嚴新民.可重構(gòu)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)控制器[J].計算機工程與應(yīng)用，2003（5）：148-150.

[5]王麗麗，康存鋒，馬春敏，等.基于CoDeSys的嵌入式軟PLC 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2007（3）：54-56.

[6]Beckhoff G.EtherCAT：The Ethernet Fieldbus[Z].EtherCAT Technology Group，2006.

[7]陳樹君，潘冰心.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的焊接電源網(wǎng)絡(luò)控制[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[8]康存鋒，林志磊，馬春敏，等.基于TwinCAT主站的Ether-CAT實時以太網(wǎng)分析與研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（11）：16-18.