基于MODBUS TCP的全自動彎管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周舟

（中國船舶重工集團(tuán)有限公司 第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

早期的彎管機(jī)主要通過繼電器和機(jī)械傳動的功能組合實(shí)現(xiàn)控制和運(yùn)動，需要操作經(jīng)驗(yàn)對彎管設(shè)備進(jìn)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(shí)，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且在彎管過程中的人工操作嚴(yán)重影響了彎管機(jī)的工作效率。隨著工業(yè)發(fā)展需求，各行業(yè)對管材的質(zhì)量和彎曲精度的要求也有所提高。液壓彎管機(jī)具備運(yùn)行平穩(wěn)、基本結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行噪聲小等特點(diǎn)，在生產(chǎn)中逐漸取代機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的彎管機(jī)[1]。半自動彎管機(jī)中的彎管軸可以實(shí)現(xiàn)對彎角的自動控制，極大改善了效率，同時(shí)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(jī)增加了輔助性的自動送料，同時(shí)相比于半自動彎管機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空間自動轉(zhuǎn)角功能，可以更好地適應(yīng)大型工廠中大批量、多規(guī)格的生產(chǎn)，推動了管材加工行業(yè)的發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步[2-3]。自動彎管機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)依然使用液壓的形式[4-5]。雖然相比于人工其傳動相對穩(wěn)定，但也無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的多樣化、定制化等需求。尤其在航空業(yè)、管道運(yùn)輸業(yè)等要求管件精度高、使用壽命長的領(lǐng)域其缺陷更加突出。全自動數(shù)控彎管機(jī)[6-7]的出現(xiàn)無疑填補(bǔ)了這一市場空白。全自動數(shù)控彎管機(jī)可以自主選擇工藝流程，用戶輸入管材、模具、機(jī)械本體等的相關(guān)參數(shù)后可以實(shí)現(xiàn)自動送料、彎管等一系列動作，適用于當(dāng)下生產(chǎn)活動中小批量、多樣化、個(gè)性化的需求[8]。

本設(shè)計(jì)結(jié)合彎管機(jī)的使用需求和彎管過程的工藝流程，采用Cotex-M4 CPU為內(nèi)核的微型控制芯片為控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合MCGS觸控一體機(jī)及伺服控制系統(tǒng)開發(fā)一款滿足現(xiàn)有市場要求和用戶需求的全自動四軸彎管機(jī)控制系統(tǒng)[9-10]。

1 基于MODBUS TCP的全自動彎管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 方案的確定

本設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可以替代PLC作為全自動彎管機(jī)的控制系統(tǒng)。以Cotex-M4系列作為核心處理器，結(jié)合北京昆侖通泰公司開發(fā)的MCGS觸摸屏系統(tǒng)[11]，使用KEIL5軟件開發(fā)主控制系統(tǒng)程序，使用昆侖通態(tài)公司的開發(fā)軟件MCGS TCP系列嵌入式產(chǎn)品開發(fā)出控制屏的操作界面[12-14]。同時(shí)，重新設(shè)計(jì)了一套適合于該系統(tǒng)的電氣控制板塊。通過與彎管機(jī)工藝及用戶需求相結(jié)合實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)的自動彎管、自動上料、自動取料功能。

1.2 彎管機(jī)基本工作原理

全自動四軸彎管機(jī)主要由送料小車和機(jī)頭組成，如圖1所示。送料小車部分又由抓料模和轉(zhuǎn)角電動機(jī)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(zhì)量。轉(zhuǎn)角電動機(jī)在抓料模夾緊狀態(tài)下可以以管件橫截面中心為圓心作垂直于Y方向空間內(nèi)的任意角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)送料小車以設(shè)定速度移動到指定位置并且以設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度后，機(jī)頭部分的導(dǎo)向夾將管件夾緊，隨后主夾（即圖1中的夾塊）夾緊管件，此時(shí)管件嵌入彎曲模的凹槽內(nèi)。夾塊以一定速度向C方向彎曲設(shè)定角度，在彎管過程中管件勢必會受到Y(jié)方向的拉力，可能會引起彎管處的受力不均，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，因此彎管時(shí)導(dǎo)向夾沿Y方向移動減小管件在Y方向所受的阻力，即實(shí)現(xiàn)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(jī)的基本彎管流程已經(jīng)完成。

圖1 全自動彎管機(jī)工作原理示意圖

在實(shí)際彎管時(shí)必須結(jié)合復(fù)雜的相關(guān)工藝才能加工出符合要求的合格產(chǎn)品。滿足上述彎管機(jī)基本動作規(guī)范和原理的同時(shí)，通過控制彎管機(jī)每個(gè)部件的動作順序來實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝要求。全自動四軸彎管機(jī)的伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制送料、轉(zhuǎn)角、彎管和模座移動4個(gè)動作，保證這幾個(gè)主要動作的精度，提高管件質(zhì)量。其余各部分動作，如模層上下移動、抓料模、夾塊、導(dǎo)向夾的夾緊和松開等動作均由液壓系統(tǒng)控制。圖2為彎管機(jī)局部工作原理圖。

圖2 全自動彎管機(jī)工作局部原理示意圖

1.3 總體設(shè)計(jì)思想

運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)出生產(chǎn)線的總控界面，使用MODBUS TCP作為系統(tǒng)的設(shè)備間通信協(xié)議，進(jìn)行協(xié)議分析，通過各設(shè)備間的IP 地址完成設(shè)備間的通信連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸與 交 換。 以Cotex-M4 系列作為核心處理器，使用KEIL5軟件開發(fā)主控制程序。在進(jìn)行上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件與下位機(jī)運(yùn)動控制器進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，最后進(jìn)行生產(chǎn)線調(diào)試。整條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)的加工流程大致為：上料機(jī)與機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)自動上料→通信按鈕提示上料完成→彎管機(jī)自動進(jìn)行彎管→彎管完成提示按鈕接通→機(jī)器人取料至傳送帶或放至AGV送料小車上→分析路況計(jì)算最佳行駛路徑→送料→小車反饋送料完成信息并回程→循環(huán)以上操作。

2 全自動彎管生產(chǎn)線控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 MCGS 控制界面開發(fā)設(shè)計(jì)

由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由主控、設(shè)備、用戶、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略5個(gè)部分組成，如圖3所示。MCGS的軟件界面開發(fā)其實(shí)就是對每個(gè)窗口的構(gòu)建，對窗口內(nèi)添加的構(gòu)件的屬性進(jìn)行設(shè)置，對父設(shè)備與子設(shè)備的通信地址進(jìn)行設(shè)置及腳本程序的開發(fā)。圖4所示為用戶界面總控窗口。

低調(diào)，是一種品格，一種姿態(tài)，一種風(fēng)度，一種修養(yǎng)，一種胸襟，一種智慧……是做人的最佳姿態(tài)。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(tǒng)

圖4 用戶界面總控窗口

圖5所示為在設(shè)備窗口添加的上料機(jī)、機(jī)器人、彎管機(jī)3個(gè)子設(shè)備，單擊各子設(shè)備可對IP通信屬性進(jìn)行設(shè)置。

圖5 設(shè)備窗口

圖6所示為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為MCGS系統(tǒng)的核心，同時(shí)也承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心的重要角色，系統(tǒng)的各個(gè)部分將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為公用區(qū)用來進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)動作的協(xié)調(diào)與信息的互換。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口

圖7所示為運(yùn)行策略窗口，通過在窗口內(nèi)添加“策略組態(tài)”定義循環(huán)策略塊，將一個(gè)順序進(jìn)行的監(jiān)控系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)運(yùn)行流程自動控制的系統(tǒng)。

圖7 運(yùn)行策略窗口

2.2 通信腳本程序開發(fā)

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

程序主要使用if then的循環(huán)語句，易懂。其中!BitTest表示字節(jié)檢測，用來檢測字節(jié)是否為1，! BitSet是字節(jié)不為1的情況下將字節(jié)至1的命令。將整個(gè)系統(tǒng)程序保存到運(yùn)行策略窗口的腳本程序中即可運(yùn)行。

3 運(yùn)動控制器的程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用STM32F407VGT6芯片作為整個(gè)控制系統(tǒng)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A(yù)RM公司的一款芯片，全自動彎管機(jī)控制器程序設(shè)計(jì)采用的是計(jì)算機(jī)C語言，使用Keil uVision5軟件開發(fā)設(shè)計(jì)程序。

3.1 主要程序函數(shù)

本設(shè)計(jì)的運(yùn)動控制器中主要的程序函數(shù)為控件響應(yīng)函數(shù)與自動控制運(yùn)行程序函數(shù)。

每一類控件都有一個(gè)控件響應(yīng)函數(shù)，這些響應(yīng)函數(shù)都在其相應(yīng)的控件類型下調(diào)用，為程序運(yùn)行節(jié)約時(shí)間和資源。本次全自動彎管機(jī)程序主要應(yīng)用了觸摸屏控件類型中的按鈕控件、文本控件和圖標(biāo)控件。每個(gè)界面窗口都有一個(gè)screen_id，每一個(gè)控件都有一個(gè)control_id，當(dāng)一個(gè)界面的控件按下時(shí)，響應(yīng)它的窗口畫面id和控件id就會響應(yīng)，調(diào)用需要的動作命令完成動作。

自動控制運(yùn)行程序函數(shù)，本次設(shè)計(jì)中自動控制程序部分的主要特點(diǎn)是邏輯性強(qiáng)。它與彎管機(jī)的彎管工藝、用戶需求及機(jī)械實(shí)際運(yùn)動情況息息相關(guān)。本次設(shè)計(jì)自動執(zhí)行程序主要由autoprocess（）、piece_process（）和auto_start（）三個(gè)函數(shù)組成。

3.2 運(yùn)動控制器與MCGS通信與響應(yīng)原理

本設(shè)計(jì)使用的Cotex-M4為核心的運(yùn)動控制器包含MBAP報(bào)文接受函數(shù)與MBAP發(fā)送函數(shù)，先后接收觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行處理與回應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)給觸摸屏。

運(yùn)動控制器編寫MODBUS SERVER程序，完成以下功能達(dá)到上位機(jī)觸摸屏與下位機(jī)運(yùn)動控制器的連接調(diào)試：1）運(yùn)動控制器接受觸摸屏基于MODBUS TCP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)幀MBAP報(bào)文；2）分析數(shù)據(jù)幀識別觸摸屏提出的不同功能；3）調(diào)用子函數(shù)處理功能；4）發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)反饋給MCGS觸摸屏。

4 MODBUS TCP通信協(xié)議

4.1 MODBUS TCP協(xié)議分析

MODBUS 通信協(xié)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。MODBUS通信的實(shí)現(xiàn)是采用客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)之間基于MODBUS請求、證實(shí)、指示、響應(yīng)4個(gè)類型報(bào)文進(jìn)行通信[12-14]。

本設(shè)計(jì)中MCGS組態(tài)軟件啟動相應(yīng)的任務(wù)類型產(chǎn)生請求，運(yùn)動控制器接受來自MCGS的指示完成指示的任務(wù)并且作出響應(yīng)。MCGS組態(tài)軟件再將反饋的運(yùn)動控制器的響應(yīng)映射到相應(yīng)的任務(wù)請求上，完成證實(shí)。

MBAP報(bào)文頭是MODBUS TCP協(xié)議的特色與關(guān)鍵。MBAP共7個(gè)字節(jié)的長度，各自包含特殊意義，如表1所示。

表1 MBAP 報(bào)文頭格式

4.2 MODBUS TCP 設(shè)備間通信參數(shù)屬性設(shè)置

本設(shè)計(jì)使用的是莫迪康MODBUS TCP通信, 用于MCGS軟件通過MODBUS TCP協(xié)議讀寫各種寄存器的數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)的輸入輸出。驅(qū)動類型是以以太網(wǎng)連接的子設(shè)備掛在“通用TCP IP 父設(shè)備”下來工作的。通信協(xié)議為MODBUS TCP IP協(xié)議。本設(shè)計(jì)采用一主多從的通信方式，MCGS組態(tài)軟件為主，機(jī)器人、上料機(jī)、彎管機(jī)為從。圖9所示為父設(shè)備上位機(jī)的TCP/IP地址屬性設(shè)置。

圖9 父設(shè)備TCP/IP屬性設(shè)置

4.3 AGV小車與MCGS的TCP/IP通信模塊設(shè)計(jì)

AGV小車與MCGS組態(tài)軟件的通信采用的是無線通信模塊，整個(gè)無線通信模塊是由主機(jī)（彎管 器 上 的MCGS）、無線轉(zhuǎn)換器、AGV構(gòu)成一個(gè)小型局域網(wǎng)。按照MODBUS TCP/IP協(xié)議，通過各自IP地址實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信達(dá)成數(shù)據(jù)的交換。

5 生產(chǎn)線系統(tǒng)調(diào)試

5.1 調(diào)試思路

本系統(tǒng)主要調(diào)試設(shè)計(jì)MCGS 用戶界面的菜單控制界面是否有錯誤，設(shè)備響應(yīng)是否按照程序設(shè)置順序。在系統(tǒng)整體通信運(yùn)行之前，首先對上料機(jī)、彎管機(jī)、機(jī)器人這些子設(shè)備的自身屬性進(jìn)行測試，首先要確保子設(shè)備的自身工作正常，子設(shè)備的動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、硬件設(shè)備的正常運(yùn)行。檢測設(shè)備窗口的子設(shè)備與父設(shè)備的屬性設(shè)置是否正確。

5.2 調(diào)試與優(yōu)化

調(diào)試過程中有出現(xiàn)子設(shè)備響應(yīng)遲鈍的情況，分析原因可能是動作響應(yīng)程序的不完善，也可能是運(yùn)動控制器對MODBUS TCP協(xié)議報(bào)文數(shù)據(jù)幀的讀取分析程序的遲鈍。

6 結(jié)語

本次研究的全自動彎管機(jī)生產(chǎn)線系統(tǒng)采用以STM32F407芯片為核心的運(yùn)動控制器的伺服系統(tǒng)、北京昆侖通泰公司MCGS觸摸屏軟元件控制、上下位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)、AGV運(yùn)輸系統(tǒng)、MODBUS TCP通信協(xié)議，組成了一個(gè)完整的基于MODBUS TCP的全自動彎管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。進(jìn)行了嚴(yán)格的測試實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的可行性、穩(wěn)定性，考察觸摸屏軟元件控制是否及時(shí)響應(yīng)，機(jī)器手上下料環(huán)節(jié)的動作行程是否準(zhǔn)確，AGV運(yùn)輸小車運(yùn)動是否準(zhǔn)確且穩(wěn)定，采用MODBUS TCP協(xié)議構(gòu)建生產(chǎn)線各設(shè)備間的通信是否實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。得出結(jié)果與預(yù)期設(shè)想相符合，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的基本要求。可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備間的可靠通信。最后進(jìn)行了全自動彎管生產(chǎn)線上位機(jī)與下位機(jī)的聯(lián)合調(diào)試。試驗(yàn)顯示，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)彎管機(jī)的自動彎管控制。后續(xù)的運(yùn)輸小車系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法與自動避障功能的算法選擇與優(yōu)化仍需要進(jìn)一步深入研究。