基于EtherCAT總線的高速沖壓過程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

翟 雁，郭曉波

（1.安陽工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安陽 455000；2.安陽工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，安陽 455000）

0 引言

沖壓成形是整車制造的重要環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，沖壓零件約占汽車金屬配件的60%～70%，而其成形質(zhì)量也成為影響整車外觀與性能的關(guān)鍵。近年來，伴隨沖壓裝備與先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)車

身等大型覆蓋件的高速沖壓制造與自動切換生產(chǎn)，大大提高了沖壓效率[1,2]。然而，由于單機(jī)聯(lián)線沖壓控制過程復(fù)雜，單靠人力維護(hù)難以確保生產(chǎn)的可靠性，并且也尚未積累完備的沖壓過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)[3]，缺乏有效的評價管理機(jī)制。因此，對高速沖壓線及其制造過程進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控是非常必要的。

EtherCAT是BECKHOFF推出的實(shí)時高效高速的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該總線的應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，非常適合單機(jī)聯(lián)線高速沖壓制造過程中相對分布的壓力機(jī)與機(jī)械手的在線監(jiān)控[4]。故以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套滿足高速沖壓制造過程的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時采集并監(jiān)測沖壓狀態(tài)，為積累完備的監(jiān)測數(shù)據(jù)、提高故障診斷及維護(hù)管理提供便利。

1 聯(lián)線沖壓工藝流程

單機(jī)聯(lián)線高速沖壓制造具有高度的自動化和柔性化，通過節(jié)拍設(shè)定，工件在沖壓機(jī)構(gòu)間快速上、下料，并拉延成形。某車身覆蓋件沖壓制造流程如圖1所示，其構(gòu)成包括1臺四點(diǎn)雙動壓機(jī)、4臺四點(diǎn)單動壓機(jī)、若干機(jī)械手、穿梭小車及涂油、對中、翻轉(zhuǎn)等輔助機(jī)構(gòu)。

圖1 單機(jī)聯(lián)線沖壓制造工藝流程

在高速沖壓階段，拆垛機(jī)械手拾取板料，經(jīng)清洗、涂油、對中、輸送到上料位，由機(jī)械手取料并送至雙動壓機(jī)進(jìn)行表面拉延，壓機(jī)動作后，半成品板料再由取料機(jī)械手、穿梭（翻轉(zhuǎn)）小車運(yùn)至下一壓機(jī)取料位，進(jìn)行后續(xù)工位的沖壓成形，直到獲得最終覆蓋件。

2 監(jiān)控方案

高速沖壓線各機(jī)構(gòu)的控制與節(jié)拍配合是確保覆蓋件沖壓質(zhì)量的前提。為協(xié)調(diào)沖壓工藝中各機(jī)構(gòu)的動作，建立了基于EtherCAT實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的上-下位機(jī)檢測與控制方案（圖2）。

圖2 監(jiān)控方案

上位機(jī)為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，利用Internet或Intranet與現(xiàn)場IPC交互，對沖壓線進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。下位機(jī)為現(xiàn)場的IPC，包括檢測和控制兩部分。檢測部分通過組建EtherCAT主-從站系統(tǒng)，按信號收發(fā)的優(yōu)先級和周期性，檢測分布的沖壓過程信號。同時，主站監(jiān)控EtherCAT從站狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)沖壓線過程信號采集網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理與控制。控制部分是利用已有的基于Profibus-DP和S7-300的實(shí)際沖壓過控系統(tǒng)，結(jié)合EtherCAT監(jiān)測數(shù)據(jù)，辨識沖壓過程。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式主站設(shè)計(jì)

由沖壓線監(jiān)控對象的需求，配置EtherCAT監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)，包括一個EtherCAT主站和若干從站，其中從站面向沖壓工藝過程，監(jiān)控拆垛、清洗、涂油、上下料及沖壓等工藝及節(jié)拍，采集機(jī)械手、壓機(jī)、小車等機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵閥組（馬達(dá)）、行程開關(guān)、泵站等狀態(tài)參數(shù)。

EtherCAT嵌入式主站發(fā)出報文命令，初始化從站（監(jiān)控節(jié)點(diǎn)），辨識EtherCAT從站節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，校驗(yàn)并存儲檢測數(shù)據(jù)。還通過以太網(wǎng)與IPC通信，按需傳輸采集到的沖壓線狀態(tài)信號。由此，EtherCAT主站可采用高性能的嵌入式控制器，配置以太網(wǎng)模塊與IPC通信，并利用EtherCAT接口實(shí)現(xiàn)主-從站總線拓?fù)溥B接，如圖3所示。

圖3 EtherCAT主站硬件示意圖

1）主站控制器采用基于ARM9內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410，主頻203MHz。其片上資源豐富，包含1個I2C和2個SPI總線接口，支持觸摸屏連接、16～128M Nand Flash和2M Nor Flash外部存儲（適合沖壓線狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲），并且具有兩個協(xié)處理器CP14/CP15和一個復(fù)位按鍵，非常適合沖壓線分散監(jiān)控對象的調(diào)試控制與測試。同時，還采用獨(dú)立的電源供給，便于對功耗監(jiān)控和管理。

2）以太網(wǎng)接口采用CS8900A，其片內(nèi)集成4K RAM，能接收、寄存和發(fā)送接口電路的控制狀態(tài)和命令。EtherCAT接口采用ET 1200，以實(shí)現(xiàn)與從站控制芯片ET 1100的高效、高速、實(shí)時通信。

3）主站操作寄存器SDRAM采用32M 16位K4S561632C，完全滿足主站指令的寄存需求。沖壓線過程監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲采用2M SST39VF160 Nor Flash。

3.2 監(jiān)控終端從站設(shè)計(jì)

EtherCAT從站面向沖壓線過程，監(jiān)控節(jié)拍和裝備狀態(tài)。同時，考慮從站設(shè)備布局、安裝等實(shí)際問題，宜對壓機(jī)、機(jī)械手及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)組網(wǎng)[5]，圖4給出了沖壓線從站組成。

圖4 EtherCAT從站硬件示意圖

EtherCAT通信模塊為ET 1100 ESC，片上集成2個MII，物理層接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RJ 15，并通過網(wǎng)絡(luò)變壓器與MII連接。從站控制模塊選擇性價比優(yōu)越、抗干擾能力強(qiáng)的STM32，通過SPI（MISO/MOSI/SCK/NSS）接口與ESC通信。壓機(jī)從站：檢測液壓泵站、主缸回路閥組以及壓邊回路液壓、溫度、振動等模擬信號；沖壓、換模等工位動作行程。機(jī)械手從站：控制指令發(fā)出，機(jī)械手的動作行程檢測。輔助機(jī)構(gòu)從站：拆垛監(jiān)控、繼電器和電機(jī)回路電量檢測、（翻轉(zhuǎn)）小車行程檢測等。

4 軟件開發(fā)與測試

圖5 沖壓線EtherCAT的主-從監(jiān)控

沖壓線監(jiān)控軟件由PC-IPC主站程序和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制程序兩部分組成。PC-IPC主站采用TwinCAT，其功能強(qiáng)大，可方便實(shí)現(xiàn)從站狀態(tài)監(jiān)控和管理。因此，本部分重點(diǎn)分析EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制程序部分。

1）EtherCAT主-從信息交互

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制程序面向沖壓線主-從硬件監(jiān)控，原理如圖5所示。

嵌入式主站發(fā)出指令，從站1的RX接收，由ET 1100 ESC的MII硬件處理，將處理信息或從站檢測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到報文序列，然后將處理后的報文傳給從站2，所有上行信號處理完畢后，由從站4將上行信號轉(zhuǎn)為下行，最終由從站1經(jīng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)返回嵌入式主站。經(jīng)上行數(shù)據(jù)處理和下行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)沖壓線裝備狀態(tài)的在線監(jiān)測。經(jīng)測試，整個主-從站的報文收發(fā)時間≤1ms.

2）EtherCAT網(wǎng)絡(luò)故障診斷

在開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型背景下，沖壓線EtherCAT網(wǎng)絡(luò)故障診斷表現(xiàn)在物理層（CRC校驗(yàn)）、數(shù)據(jù)鏈路層（工作計(jì)數(shù)器）和應(yīng)用層（主-從通信反饋）[6]。

EtherCAT從站采用標(biāo)準(zhǔn)的RJ 15接口，且報文的處理和傳輸按“主站→從站1→…→從站4→…→從站1→主站”進(jìn)行，主站和從站、從站和從站的數(shù)據(jù)交互都進(jìn)行著CRC校驗(yàn)，若物理層接口故障，對應(yīng)的報文序列在后續(xù)處理中被忽略，由此可判斷故障位置。另外，通過處理上行數(shù)據(jù)，從站數(shù)據(jù)鏈路層的工作計(jì)數(shù)器能累計(jì)所處理的信息，當(dāng)從站ESC故障，該站計(jì)數(shù)器累計(jì)次數(shù)少于其他從站，或從應(yīng)用層主-從通信反饋定位故障從站。經(jīng)測試，高速沖壓過程中，故障識別能力約在80%以上，而在固定節(jié)拍下，沖壓過程裝備的故障監(jiān)測能力大幅提高。

3）沖壓過程狀態(tài)監(jiān)控

如圖6所示，按用戶層監(jiān)控沖壓裝備需求，主站指令發(fā)出，經(jīng)故障校驗(yàn)，采集從站數(shù)據(jù)，在PC-IPC的TwinCAT端獲得EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上傳的該站裝備狀態(tài)。

圖6 沖壓過程監(jiān)控流程

5 結(jié)束語

沖壓線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)車身等覆蓋件的高速沖壓制造，但缺乏沖壓過程中壓機(jī)與機(jī)械手等裝備的動作監(jiān)控。利用性價比優(yōu)越的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對沖壓裝備過程的狀態(tài)監(jiān)控，使實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)能與沖壓動作相聯(lián)系。并且由網(wǎng)絡(luò)測試表明，該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時性好，尤其是在固定節(jié)拍下，其對狀態(tài)的監(jiān)控大幅提高了沖壓裝備的故障診斷能力。

[1] 羅龍飛,張?zhí)鹛?馬國禮,崔禮春.高速沖壓自動化線生產(chǎn)切換研究[J].鍛壓技術(shù),2014,39(2):102-108.

[2] 王德倫,鄒俞.基于某車型的車身沖壓工藝并行工程的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報,2013,34(2):57-60.

[3] 張新洲,孫宇,彭斌彬,王栓虎.高速沖壓機(jī)床可靠性試驗(yàn)平臺開發(fā)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2013,19(5):1064-1070.

[4] 劉艷強(qiáng),黃帥,馬秋霞.基于工業(yè)以太網(wǎng)Ethercat的DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2010,32(11):21-23.

[5] 付豪.沖壓自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].重慶大學(xué),2012.

[6] EtherCAT技術(shù)協(xié)會.EtherCAT的診斷和錯誤定位[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2014,(4):27-28.