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西門子6ES7322-5HF00-0AB0
本著“以人為本、科技先導(dǎo)、顧客滿意、持續(xù)改進(jìn)”的工作方針,致力于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程配套和系統(tǒng)集成,擁有豐富的自動(dòng)化產(chǎn)品的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及雄厚的技術(shù)力量,尤其以PLC復(fù)雜控制系統(tǒng)、傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控備品備件、人機(jī)界面及網(wǎng)絡(luò)/軟件應(yīng)用為公司的技術(shù)特長(zhǎng),幾年來(lái),公司在與德國(guó) SIEMENS公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)部門的*緊密合作過(guò)程中,建立了良好的相互協(xié)作關(guān)系,在可編程控制器、交直流傳動(dòng)裝置方面的業(yè)務(wù)逐年成倍增長(zhǎng),為廣大用戶提供了SIEMENS的新技術(shù)及自動(dòng)控制的解決方案。
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功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應(yīng)用。為了保證熔射皮膜成形性與成形質(zhì)量,必須在數(shù)字圖像處理、過(guò)程控制、人工智能等方法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成控制與工藝優(yōu)化。當(dāng)前上幾大熱噴涂設(shè)備和材料生產(chǎn)廠家,如英國(guó)metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美國(guó)Praxair公司等,已推出基于PC+PLC+現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)+過(guò)程控制的等離子熔射系統(tǒng)。但是由于上相關(guān)熔射設(shè)備價(jià)格昂貴,不能引進(jìn)到國(guó)內(nèi)每一個(gè)加工車間或者科研院所,因此需要自主開(kāi)發(fā)適用于特定工藝的熔射過(guò)程檢測(cè)與控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)已有基于單片機(jī)、微機(jī)、PLC等進(jìn)行熔射控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究和報(bào)道,然而如何集成PC機(jī)優(yōu)勢(shì)以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍需更加深入的研究。
本文基于PC+PLC開(kāi)發(fā)等離子熔射控制系統(tǒng),采用開(kāi)放式OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)二者之間通訊,并在PC中執(zhí)行機(jī)器人路徑規(guī)劃、在線監(jiān)控與熔射過(guò)程數(shù)據(jù)管理等。結(jié)合PLC現(xiàn)場(chǎng)控制穩(wěn)定性和計(jì)算機(jī)過(guò)程運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力,來(lái)保證熔射過(guò)程穩(wěn)定性與過(guò)程控制實(shí)時(shí)性,進(jìn)而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質(zhì)量應(yīng)用。
2 等離子熔射自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)組成和工作原理
基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理如圖1所示。PC主要完成對(duì)實(shí)體進(jìn)行三維造型、切片、后生成機(jī)器人能夠識(shí)別的機(jī)器人路徑代碼,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋信息進(jìn)行路徑調(diào)整,同時(shí)也對(duì)整個(gè)熔射過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,采樣主要工藝參數(shù)并保存到加工過(guò)程文檔中。PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和整個(gè)等離子弧發(fā)生子系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后傳送到上位機(jī)PC中。
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圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理圖
2.2 PC與PLC功能分配
在等離子熔射過(guò)程中,環(huán)境惡劣,噪音等污染嚴(yán)重,干擾強(qiáng),系統(tǒng)工作周期長(zhǎng)。因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制核心采用西門子S7-300型PLC,充分利用該型PLC可靠性和良好的抗*力來(lái)保證系統(tǒng)可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡,可以實(shí)現(xiàn)模擬量采樣與輸出和與上位機(jī)之間通訊。同時(shí)PLC系統(tǒng)還配備了西門子穩(wěn)壓電源,保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,避免與整個(gè)系統(tǒng)共用電源產(chǎn)生干擾。
由于PLC無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控圖表顯示、圖像處理和復(fù)雜算法設(shè)計(jì),操作人員也不能直觀了解現(xiàn)場(chǎng)狀況。為了彌補(bǔ)以上不足,系統(tǒng)增加PC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)運(yùn)算,其主要任務(wù)是獲取機(jī)器人狀態(tài)信息和皮膜溫度采樣信息,根據(jù)設(shè)定工藝優(yōu)化算法執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)熔射路徑調(diào)節(jié);對(duì)等離子射流檢測(cè)圖像進(jìn)行處理,反饋調(diào)節(jié)信息至PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子射流發(fā)生裝置調(diào)控;同時(shí)能對(duì)系統(tǒng)故障做出及時(shí)報(bào)警,并能采取相應(yīng)應(yīng)急處理措施和加工現(xiàn)場(chǎng)斷點(diǎn)保護(hù)等。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 控制軟件設(shè)計(jì)
控制軟件系統(tǒng)主要功能包括:參數(shù)設(shè)定、過(guò)程監(jiān)控、工藝優(yōu)化、故障信息處理與報(bào)表系統(tǒng)等。這些部分相互結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)等離子熔射過(guò)程狀態(tài)和實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)故障報(bào)警和相應(yīng)處理、熔射主要工藝參數(shù)記錄和報(bào)表打印輸出功能等。
3.2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì)
OPC規(guī)范定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得COM技術(shù)適用于過(guò)程控制和制造自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域。OPC是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OLE/COM是一種客戶/服務(wù)器模式,具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規(guī)范了接口函數(shù),不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在,客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問(wèn),從而保證軟件對(duì)客戶的透明性,使得用戶*從低層開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。
OPC客戶端軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示,其客戶端程序開(kāi)發(fā)目的是基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間通訊,通過(guò)PC機(jī)直接讀寫PLC中變量,提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度,保證熔射工藝優(yōu)化算法的運(yùn)算結(jié)果及時(shí)傳送到PLC現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制,從而能夠充分地利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和豐富的軟件資源。
圖2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì)流程圖
3.3 PLC運(yùn)行程序設(shè)計(jì)
等離子熔射系統(tǒng)由西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制,整個(gè)工藝過(guò)程動(dòng)作控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣。PLC內(nèi)部程序分為手動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行兩個(gè)部分,可分別響應(yīng)控制面板上按鈕動(dòng)作和上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令。
PLC程序采用Step7進(jìn)行設(shè)計(jì),主要過(guò)程包括:首先在Step7中建立一個(gè)新工程SprayControl,然后插入SIMATIC 300 Station,根據(jù)PLC硬件配置及模板物理安裝位置進(jìn)行硬件組態(tài)。其次插入Simatic PC Station,在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI網(wǎng)絡(luò)建立PC Station與Simatic 300 Station之間網(wǎng)絡(luò)連接。MPI網(wǎng)絡(luò)建立成功后,可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU單元內(nèi)設(shè)計(jì)的所有的數(shù)字量、模擬量和數(shù)據(jù)塊等各種變量?;贛PI方式進(jìn)行組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖3所示。后基于SimaticNet軟件建立名稱Spray的OPC服務(wù)器,這樣就可以通過(guò)OPC客戶端程序訪問(wèn)PLC中變量。
圖3 基于MPI方式組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接圖
PLC中運(yùn)行程序集中在S7 Program中Blocks里,主要模塊包括系統(tǒng)主控模塊OB1,負(fù)責(zé)調(diào)用其他功能塊等。然后分別設(shè)計(jì)針對(duì)送粉器控制、工作轉(zhuǎn)臺(tái)控制、機(jī)器人故障處理、系統(tǒng)故障處理等功能塊,供主控塊調(diào)用。為了確保PLC程序安全執(zhí)行,必須增加對(duì)象塊OB80、OB82、OB85分別實(shí)現(xiàn)對(duì)模板診斷錯(cuò)誤和超時(shí)錯(cuò)誤處理,OB121和OB122響應(yīng)同步錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以按照變量分類或者針對(duì)某一功能塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)塊,將控制系統(tǒng)中的變量統(tǒng)一分組管理。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文開(kāi)發(fā)了一套基于PC+PLC等離子熔射自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)具有良好的抗*力,能夠適應(yīng)等離子熔射工藝需求,為該工藝由技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力奠定了一定基礎(chǔ)。同時(shí)PC作為上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面與有效的系統(tǒng)監(jiān)控和管理,PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠現(xiàn)場(chǎng)控制,保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。該控制系統(tǒng)可以方便地與機(jī)器人、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者生產(chǎn)線等配套組成等離子熔射系統(tǒng)。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文結(jié)合PC+PLC進(jìn)行等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),集成了PLC在惡劣的熔射環(huán)境下性能穩(wěn)定的特點(diǎn)和PC能夠進(jìn)行圖像處理與復(fù)雜算法運(yùn)算的優(yōu)勢(shì),基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的通訊,保證了過(guò)程控制中多變量信息采集、傳輸和處理的實(shí)時(shí)性。該自動(dòng)控制系統(tǒng)為提高等離子熔射皮膜成形性和成形質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。