基于Beckhoff的PC兼容控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚立杰，程秀全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所 北京100176)

基于Beckhoff的PC兼容控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚立杰，程秀全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所 北京100176)

針對(duì)激光劃切機(jī)快速高效的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于倍福Beckhoff的PC兼容控制系統(tǒng)。通過(guò)高速EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，確保工作臺(tái)的高動(dòng)態(tài)性能，滿足激光與工作臺(tái)協(xié)同控制技術(shù)要求，研究可編程邏輯控制器PLC底層程序與VC頂層程序?qū)崿F(xiàn)，與激光劃切機(jī)整機(jī)軟件相兼容，保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。

激光劃切機(jī)；倍福；EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線；可編程邏輯控制器

與傳統(tǒng)的砂輪劃片機(jī)相比，激光劃切速度快、切縫窄、熱影響區(qū)小、切縫垂直度好、切邊光滑，其加工質(zhì)量是無(wú)可替代的。軍工領(lǐng)域主要用于生瓷基板、LTCC熟瓷基板和第三代半導(dǎo)體材料（SiC、 GaN）的劃切，民用領(lǐng)域主要用于軟/硬性PCB基板、FPD、LCD基板、白藍(lán)光LED、太陽(yáng)能電池板和陶瓷等材料的結(jié)構(gòu)化成型、鉆孔、劃片和切割等微加工應(yīng)用。加工靈活性高，同時(shí)加工材料的種類和形狀幾乎不受限制，因此激光劃切成為世界公認(rèn)的不可缺少的基礎(chǔ)加工工藝，可以獲得極高的尺寸精確度和最小的材料熱變形，具有一流的劃切效果，能獲得前所未有的高效率、低成本和高精度。

Beckhoff基于PC的控制技術(shù)，通過(guò)Twin-CAT CNC運(yùn)動(dòng)控制軟件及相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制硬件，高速EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，確保高動(dòng)態(tài)性能，能夠把激光發(fā)生器的潛在能量最大程度地轉(zhuǎn)換成速度和效率，適合用作激光劃切設(shè)備的控制器。作為TwinCAT軟件家族最頂層的TwinCAT CNC，向下兼容了TwinCAT PLC和TwinCAT NC PTP軟件，同時(shí)為激光劃切周邊設(shè)備一并提供PLC和通用運(yùn)動(dòng)控制功能，比如上下料物流設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生模塊等。因?yàn)锽eckhoff基于PC控制特點(diǎn)和開放式架構(gòu)，所以簡(jiǎn)化了主控設(shè)備的硬件配置，只需少量硬件，節(jié)省了成本和空間。

1 PC兼容的開放式控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件一般由可視化PC，PLC，NC/CNC模塊，微處理系統(tǒng)組成，軟件往往能兼容多個(gè)操作系統(tǒng)和多種編程語(yǔ)言，在硬件之間、軟件之間配有接口，使用集中式配電柜供電。而PC兼容的開放式控制系統(tǒng)以PC為核心，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，兼容所有標(biāo)準(zhǔn)化接口，以WindowsNT為操作系統(tǒng)，使用NC PTP、NCI、CNC、TwinCAT等軟件，應(yīng)用Windows標(biāo)準(zhǔn)軟件包及VC、VC++、VB、Delphi等常用編程語(yǔ)言，配有分布式配電柜供電，如圖1所示。PC控制僅需要四大組建：工業(yè)PC、現(xiàn)場(chǎng)總線IO、標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制軟件，如圖1所示。

圖1 PC兼容的開放式控制系統(tǒng)

TwinCAT NC PTP是Beckhoff公司的運(yùn)動(dòng)控制軟件的名稱，TwinCAT是“The Windows Control and Automation Technology”的縮寫，即基于Windows操作系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)，而NC PTP是“Numerical Control Point To Point”的縮寫，NC （Numerical Control）意思是“運(yùn)動(dòng)控制”，NC PTP就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制。NC周期是指NC Task SAF的周期，典型值為2 ms，最小可到50μs。當(dāng)連接硬件運(yùn)動(dòng)軸時(shí)，以Beckhoff的伺服驅(qū)動(dòng)器AX5000為例，位置環(huán)周期為125μs。在該任務(wù)中，TwinCAT NC完成位置、速度、加速度設(shè)定值生成和計(jì)算，并確定方向。

一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的控制，分為位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)。位置環(huán)，接受TwinCAT NC發(fā)出的“設(shè)定位置”，與實(shí)際位置比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，輸出“設(shè)定速度”給速度環(huán)。速度，接受位置環(huán)發(fā)出的“設(shè)定速度”，與實(shí)際速度比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，輸出“設(shè)定電流”給電流環(huán)。電流環(huán)，接受速度環(huán)發(fā)出的“設(shè)定電流”，與實(shí)際電流比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，直接控制電機(jī)的電流，從而調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩。如果位置環(huán)和TwinCAT NC采用外部編碼器值作為實(shí)際位置，就稱為全閉環(huán)控制。采用電機(jī)軸延伸端的編碼器值作為反饋，即為半閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器如果工作在位置模式，TwinCAT NC就只做位置曲線的規(guī)劃，每個(gè)NC周期發(fā)目標(biāo)位置到驅(qū)動(dòng)器。NC周期必須是驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)周期的整數(shù)倍，驅(qū)動(dòng)器接收到設(shè)定位置后，與當(dāng)前位置比較，并依據(jù)NC周期與位置環(huán)周期的倍數(shù)進(jìn)行線性或者非線性插值，將插值作為每個(gè)位置環(huán)周期的“設(shè)定位置”，圖2為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的參數(shù)設(shè)置。

TwinCAT PLC的邏輯程序可以直接控制現(xiàn)場(chǎng)IO模塊，但控制伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需經(jīng)過(guò)Twin-CAT NC中轉(zhuǎn)。TwinCAT NC的作用在于執(zhí)行PLC發(fā)出的運(yùn)動(dòng)控制指令，并翻譯給不同類型的伺服軸。TwinCAT NC執(zhí)行PLC的運(yùn)動(dòng)控制指令，就是做路徑規(guī)劃。PLC要求伺服軸以某個(gè)速度運(yùn)動(dòng)到某個(gè)絕對(duì)位置，NC接到這個(gè)指令后，計(jì)算出每個(gè)NC周期伺服軸應(yīng)該到達(dá)的位置。Twin-CAT PLC、TwinCAT NC及電機(jī)外設(shè)的控制關(guān)系如圖3所示。

圖2 位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)

圖3 TwinCAT PLC、TwinCAT NC及電機(jī)外設(shè)的控制關(guān)系

2 激光劃切機(jī)PC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光劃切機(jī)的xyz工作臺(tái)選用基于EtherCAT總線的伺服驅(qū)動(dòng)器AX5000系列，xy選用直線電機(jī)，可以直接總線驅(qū)動(dòng)，z向選用步進(jìn)電機(jī)，需要脈沖發(fā)生模塊和總線耦合器與EtherCAT總線連接。數(shù)字量輸入輸出模塊與總線耦合模塊組合從而對(duì)工作臺(tái)限位傳感器、塔燈、電磁閥、吸塵器、氣壓傳感器等IO組件進(jìn)行管理。

PC控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

激光劃切機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)采用TwinCAT NC PTP軟件，PLC庫(kù)為MC2，各運(yùn)動(dòng)語(yǔ)句的功能關(guān)系如圖5所示。

圖4 激光劃切機(jī)PC控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

圖5 PLC各運(yùn)動(dòng)語(yǔ)句功能關(guān)系

3.1 編寫PLC程序

利用Beckhoff TwinCAT自動(dòng)化軟件的PLC Control，編寫邏輯控制程序，控制設(shè)備的初始化、運(yùn)動(dòng)、位置顯示等。TwinCAT PLC支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中的 5種編程語(yǔ)言：IL、LD、FBD、SFC和ST，參照Beckhoff公司的《TwinCAT PLC編程手冊(cè)》或者 PLC OPEN組織的《IEC61131-3編程》中各種語(yǔ)言規(guī)范的說(shuō)明，簡(jiǎn)單易學(xué)，易于程序的編寫和調(diào)試。

另外PLC程序可以直接調(diào)用MC庫(kù)函數(shù)，將各部分的功能寫成獨(dú)立的程序段，相同功能寫成功能塊，便于多次調(diào)用，同時(shí)也便于程序的移植。其變量可根據(jù)所對(duì)應(yīng)的類型指定地址，也可由程序自動(dòng)分配地址空間，如圖6所示。

圖6 程序功能塊示例

3.2 在System Manager中導(dǎo)入PLC程序

如圖7所示，左邊的樹形定位到PLC Configuration，單擊Append PLC Project，打開選擇文件對(duì)話框，選擇編譯生成的TPY文件，即可導(dǎo)入PLC文件。導(dǎo)入文件后就可以看到PLC程序中所有的Input和Output變量，然后定義PLC變量和硬件I/O點(diǎn)的映射關(guān)系，進(jìn)行硬件的組態(tài)連接。

圖7 TwinCAT System Manager軟件

工控機(jī)利用TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PLC控制，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。負(fù)責(zé)接收各個(gè)軸的狀態(tài)信號(hào)及I/O信號(hào)，進(jìn)行綜合處理。

EtherCAT（Ethernet for Control and Automation Technology）總線是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，負(fù)責(zé)各種控制信號(hào)和反饋信號(hào)的傳送。EtherCAT是與PC控制技術(shù)相匹配的通訊系統(tǒng)，Beckhoff開發(fā)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，其特點(diǎn)是性能優(yōu)越，操作簡(jiǎn)便。

3.3 上層程序VC++實(shí)現(xiàn)

軟件編程的實(shí)現(xiàn)，在Windows平臺(tái)下，使用VC++6.0作為開發(fā)工具。上位機(jī)程序應(yīng)用于工控機(jī)上，通過(guò)硬實(shí)時(shí)的超高速以太網(wǎng)EtherCAT與TwinCAT的PLC程序進(jìn)行通訊，利用變量與PLC程序中的參數(shù)相鏈接。完成菜單管理、文件管理、工藝編輯等功能。

Beckhoff公司提供了開發(fā)庫(kù)，此庫(kù)提供很多函數(shù)，用于VC++程序與ADS設(shè)備通訊，即與PLC程序通訊，來(lái)控制硬件系統(tǒng)完成各種功能。

寫PLC變量函數(shù)：

從功能上劃分，封裝的函數(shù)可以分為運(yùn)動(dòng)控制類函數(shù)和I/O輸入輸出類函數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制類函數(shù)首先要初始化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，回零，然后程序運(yùn)行，進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)或絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成各種工藝功能。而I/O輸入輸出類函數(shù)初始化IO端口后，一直工作在查詢模式，監(jiān)測(cè)I/O報(bào)警。程序運(yùn)行流程圖如圖8所示。由于函數(shù)過(guò)多，具體實(shí)現(xiàn)程序在此不做詳細(xì)介紹，只是選取幾個(gè)重要的函數(shù)作一介紹。

圖8 程序運(yùn)行流程圖

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)初始化函數(shù)：

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)考核，激光劃切機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用EtherCAT總線這種軟PLC總線解決方案是可行而有效的，針對(duì)這種總線解決方案選擇使用Beckhoff公司的運(yùn)動(dòng)控制卡和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及IO卡，然后利用其提供的底層類庫(kù)封裝適合自己的運(yùn)動(dòng)類庫(kù)，不斷優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)思想、邏輯流程，以保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。

[1] 李銀華，張萬(wàn)偉.基于倍福軟PLC的多工位自動(dòng)氬弧焊機(jī)[J].電焊機(jī)，2013，43(9)：91-94.

[2] 鄭士富，彭 銘.VC++與TwinCAT的混合編程研究[J].儀器儀表用戶，2008，15(3)：109-110.

[3] Beckhoff公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)[Z].

PC Compatible Control System Design and Implementation Based on Beckhoff

TAN Lijie，CHENG Xiuquan

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

According to the technical characteristics of laser cutting system for fast and efficient，we have design PC Compatible Control System based on Beckhoff.Through the EtherCAT field bus technology，it has insured the workbench of high dynamic performance，and meet the laser and workbench cooperative control technology requirements，study of PLC bottom program and VC top program，it is compatible with the laser cutting system software，ensure equipment reliability and stability，improve the equipment production efficiency.

Laser cutting system；Beckhoff；EtherCAT field bus；Programmable logic controller

TN305.1

B

1004-4507(2015)02-0015-06

2015-01-20