基于PC的開(kāi)放式控制系統(tǒng)在開(kāi)方機(jī)上的應(yīng)用

趙加寶　張志偉

摘 要：對(duì)開(kāi)方機(jī)的主要組成和功能進(jìn)行了描述，介紹了倍?？刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。針對(duì)開(kāi)方機(jī)的具體控制要求，完成了控制系統(tǒng)的架構(gòu)配置、控制軟件框架設(shè)計(jì)、主要程序流程設(shè)計(jì)、軟件代碼的編寫(xiě)和模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開(kāi)放式；軟PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

開(kāi)方機(jī)是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設(shè)備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入工件加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時(shí)開(kāi)成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開(kāi)方機(jī)具有精密窄切縫、效率高、成本低、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境污染小等特點(diǎn)。開(kāi)方機(jī)的工作臺(tái)通過(guò)收、放線(xiàn)輪及導(dǎo)輪形成交叉線(xiàn)網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺(tái)上，加工時(shí)砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線(xiàn)網(wǎng)上，在工作臺(tái)下壓的過(guò)程中，鋼線(xiàn)攜帶砂漿高速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到切割硅錠的目的。

開(kāi)方機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線(xiàn)室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺(tái)五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時(shí)的可封閉加工室；繞線(xiàn)室為鋼線(xiàn)收放、排絲和張力調(diào)節(jié)的可封閉艙室；冷卻系統(tǒng)主要由漿料冷卻、攪拌和抽送等裝置組成。

該設(shè)備的收、放線(xiàn)卷的控制是控制中的關(guān)鍵，它的控制效果直接關(guān)系到張力的穩(wěn)定程度和鋼線(xiàn)的扭曲斷線(xiàn)幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)關(guān)系到整機(jī)的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國(guó)倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開(kāi)放式自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為本設(shè)備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級(jí)模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導(dǎo)軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務(wù)對(duì)模塊化控制系統(tǒng)進(jìn)行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動(dòng)化軟件，CX嵌入式PC成為一個(gè)功能強(qiáng)大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，根據(jù)所需的周期時(shí)間不同，可以控制多個(gè)伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個(gè)用單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的控制器，在Windows CE平臺(tái)下，借助操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，以高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)任務(wù)可以在TwinCAT運(yùn)行的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2 控制系統(tǒng)的架構(gòu)與配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

該設(shè)備的控制對(duì)象主要為12個(gè)伺服軸（4個(gè)放線(xiàn)輪、2個(gè)張力調(diào)節(jié)軸、2個(gè)排線(xiàn)軸、2個(gè)繞線(xiàn)軸、2個(gè)主進(jìn)給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護(hù)裝置等。

控制系統(tǒng)硬件采用德國(guó)倍福公司的整體解決方案，選用CX1030嵌入式PC、CP6901觸摸屏及相應(yīng)的電源模塊、I/O端口模塊、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驅(qū)動(dòng)器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服電機(jī)和EL3202測(cè)溫模塊。

EtherCAT是德國(guó)倍福公司提出的開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點(diǎn)，支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它控制100個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個(gè)字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個(gè)I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開(kāi)方機(jī)這種軸數(shù)多、實(shí)時(shí)性要求高的控制場(chǎng)合。

3 程序設(shè)計(jì)（Programming）

本設(shè)備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶(hù)控制程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本（ST）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊（FBD）、指令表（IL）等五種語(yǔ)言進(jìn)行混合編程，同時(shí)結(jié)合基于PLCopen庫(kù)運(yùn)動(dòng)控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制和基本程序控制。在進(jìn)行伺服電機(jī)控制時(shí)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)初始化、使能、耦合和驅(qū)動(dòng)等。

程序代碼分為若干個(gè)Pous，分別進(jìn)行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動(dòng)和張力控制。為實(shí)現(xiàn)張力控制，特別編寫(xiě)了張力控制功能塊，該功能塊主要?jiǎng)幼鳛?軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測(cè)值和設(shè)定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設(shè)置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實(shí)時(shí)的PID輸出，以該輸出與預(yù)設(shè)的偏置之和，作為張力軸與收放線(xiàn)軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線(xiàn)速度，達(dá)到張力控制的目的。如圖2所示為程序主流程圖。

程序入口為Main Pous，Main程序包含數(shù)據(jù)初始化、工藝自動(dòng)運(yùn)行控制、排絲動(dòng)作的數(shù)據(jù)計(jì)算等功能，程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)定時(shí)存入Novram存儲(chǔ)器中，以實(shí)現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運(yùn)行時(shí)，可接原來(lái)的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

程序界面設(shè)計(jì)使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，包含手動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、工藝設(shè)置、報(bào)警狀態(tài)查詢(xún)等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進(jìn)行配置，并定義相關(guān)的軸名稱(chēng)和參數(shù)。在載入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可將PLC程序中定義的輸入輸出變量、運(yùn)動(dòng)軸與實(shí)際硬件模塊的端口進(jìn)行映射，可在無(wú)實(shí)際硬件的情況下，對(duì)PLC程序進(jìn)行模擬調(diào)試。對(duì)于運(yùn)動(dòng)軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進(jìn)行監(jiān)視并對(duì)多個(gè)軸的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度進(jìn)行對(duì)比[3]。

本程序調(diào)試時(shí)因張力控制無(wú)法真實(shí)檢測(cè)，因此對(duì)張力使用隨機(jī)函數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行模擬，通過(guò)TCatScopeView程序觀(guān)察到各個(gè)軸的線(xiàn)速度擬合性非常理想，能夠滿(mǎn)足設(shè)備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)軟件的模擬運(yùn)行，達(dá)到了我們的預(yù)期效果，能夠滿(mǎn)足開(kāi)方機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和壓力控制要求。這種基于PC的開(kāi)放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫(xiě)和調(diào)試過(guò)程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)（2011更新版）[Z].

[2] 黎狀聲，等.基于XFC極速控制技術(shù)的CTS運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).兵工自動(dòng)化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐偉，等.金剛石多線(xiàn)切割設(shè)備在SiC晶片加工中的應(yīng)用.電子工藝技術(shù)，2011，33（1）：50-52.

作者簡(jiǎn)介：

趙加寶（1978-），男，學(xué)士，工程師.研究領(lǐng)域：光伏設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).endprint

摘 要：對(duì)開(kāi)方機(jī)的主要組成和功能進(jìn)行了描述，介紹了倍?？刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。針對(duì)開(kāi)方機(jī)的具體控制要求，完成了控制系統(tǒng)的架構(gòu)配置、控制軟件框架設(shè)計(jì)、主要程序流程設(shè)計(jì)、軟件代碼的編寫(xiě)和模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開(kāi)放式；軟PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

開(kāi)方機(jī)是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設(shè)備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入工件加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時(shí)開(kāi)成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開(kāi)方機(jī)具有精密窄切縫、效率高、成本低、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境污染小等特點(diǎn)。開(kāi)方機(jī)的工作臺(tái)通過(guò)收、放線(xiàn)輪及導(dǎo)輪形成交叉線(xiàn)網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺(tái)上，加工時(shí)砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線(xiàn)網(wǎng)上，在工作臺(tái)下壓的過(guò)程中，鋼線(xiàn)攜帶砂漿高速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到切割硅錠的目的。

開(kāi)方機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線(xiàn)室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺(tái)五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時(shí)的可封閉加工室；繞線(xiàn)室為鋼線(xiàn)收放、排絲和張力調(diào)節(jié)的可封閉艙室；冷卻系統(tǒng)主要由漿料冷卻、攪拌和抽送等裝置組成。

該設(shè)備的收、放線(xiàn)卷的控制是控制中的關(guān)鍵，它的控制效果直接關(guān)系到張力的穩(wěn)定程度和鋼線(xiàn)的扭曲斷線(xiàn)幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)關(guān)系到整機(jī)的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國(guó)倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開(kāi)放式自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為本設(shè)備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級(jí)模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導(dǎo)軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務(wù)對(duì)模塊化控制系統(tǒng)進(jìn)行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動(dòng)化軟件，CX嵌入式PC成為一個(gè)功能強(qiáng)大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，根據(jù)所需的周期時(shí)間不同，可以控制多個(gè)伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個(gè)用單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的控制器，在Windows CE平臺(tái)下，借助操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，以高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)任務(wù)可以在TwinCAT運(yùn)行的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2 控制系統(tǒng)的架構(gòu)與配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

該設(shè)備的控制對(duì)象主要為12個(gè)伺服軸（4個(gè)放線(xiàn)輪、2個(gè)張力調(diào)節(jié)軸、2個(gè)排線(xiàn)軸、2個(gè)繞線(xiàn)軸、2個(gè)主進(jìn)給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護(hù)裝置等。

控制系統(tǒng)硬件采用德國(guó)倍福公司的整體解決方案，選用CX1030嵌入式PC、CP6901觸摸屏及相應(yīng)的電源模塊、I/O端口模塊、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驅(qū)動(dòng)器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服電機(jī)和EL3202測(cè)溫模塊。

EtherCAT是德國(guó)倍福公司提出的開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點(diǎn)，支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它控制100個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個(gè)字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個(gè)I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開(kāi)方機(jī)這種軸數(shù)多、實(shí)時(shí)性要求高的控制場(chǎng)合。

3 程序設(shè)計(jì)（Programming）

本設(shè)備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶(hù)控制程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本（ST）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊（FBD）、指令表（IL）等五種語(yǔ)言進(jìn)行混合編程，同時(shí)結(jié)合基于PLCopen庫(kù)運(yùn)動(dòng)控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制和基本程序控制。在進(jìn)行伺服電機(jī)控制時(shí)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)初始化、使能、耦合和驅(qū)動(dòng)等。

程序代碼分為若干個(gè)Pous，分別進(jìn)行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動(dòng)和張力控制。為實(shí)現(xiàn)張力控制，特別編寫(xiě)了張力控制功能塊，該功能塊主要?jiǎng)幼鳛?軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測(cè)值和設(shè)定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設(shè)置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實(shí)時(shí)的PID輸出，以該輸出與預(yù)設(shè)的偏置之和，作為張力軸與收放線(xiàn)軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線(xiàn)速度，達(dá)到張力控制的目的。如圖2所示為程序主流程圖。

程序入口為Main Pous，Main程序包含數(shù)據(jù)初始化、工藝自動(dòng)運(yùn)行控制、排絲動(dòng)作的數(shù)據(jù)計(jì)算等功能，程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)定時(shí)存入Novram存儲(chǔ)器中，以實(shí)現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運(yùn)行時(shí)，可接原來(lái)的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

程序界面設(shè)計(jì)使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，包含手動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、工藝設(shè)置、報(bào)警狀態(tài)查詢(xún)等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進(jìn)行配置，并定義相關(guān)的軸名稱(chēng)和參數(shù)。在載入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可將PLC程序中定義的輸入輸出變量、運(yùn)動(dòng)軸與實(shí)際硬件模塊的端口進(jìn)行映射，可在無(wú)實(shí)際硬件的情況下，對(duì)PLC程序進(jìn)行模擬調(diào)試。對(duì)于運(yùn)動(dòng)軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進(jìn)行監(jiān)視并對(duì)多個(gè)軸的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度進(jìn)行對(duì)比[3]。

本程序調(diào)試時(shí)因張力控制無(wú)法真實(shí)檢測(cè)，因此對(duì)張力使用隨機(jī)函數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行模擬，通過(guò)TCatScopeView程序觀(guān)察到各個(gè)軸的線(xiàn)速度擬合性非常理想，能夠滿(mǎn)足設(shè)備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)軟件的模擬運(yùn)行，達(dá)到了我們的預(yù)期效果，能夠滿(mǎn)足開(kāi)方機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和壓力控制要求。這種基于PC的開(kāi)放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫(xiě)和調(diào)試過(guò)程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)（2011更新版）[Z].

[2] 黎狀聲，等.基于XFC極速控制技術(shù)的CTS運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).兵工自動(dòng)化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐偉，等.金剛石多線(xiàn)切割設(shè)備在SiC晶片加工中的應(yīng)用.電子工藝技術(shù)，2011，33（1）：50-52.

作者簡(jiǎn)介：

趙加寶（1978-），男，學(xué)士，工程師.研究領(lǐng)域：光伏設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).endprint

摘 要：對(duì)開(kāi)方機(jī)的主要組成和功能進(jìn)行了描述，介紹了倍?？刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。針對(duì)開(kāi)方機(jī)的具體控制要求，完成了控制系統(tǒng)的架構(gòu)配置、控制軟件框架設(shè)計(jì)、主要程序流程設(shè)計(jì)、軟件代碼的編寫(xiě)和模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開(kāi)放式；軟PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

開(kāi)方機(jī)是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設(shè)備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入工件加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時(shí)開(kāi)成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開(kāi)方機(jī)具有精密窄切縫、效率高、成本低、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境污染小等特點(diǎn)。開(kāi)方機(jī)的工作臺(tái)通過(guò)收、放線(xiàn)輪及導(dǎo)輪形成交叉線(xiàn)網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺(tái)上，加工時(shí)砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線(xiàn)網(wǎng)上，在工作臺(tái)下壓的過(guò)程中，鋼線(xiàn)攜帶砂漿高速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到切割硅錠的目的。

開(kāi)方機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線(xiàn)室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺(tái)五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時(shí)的可封閉加工室；繞線(xiàn)室為鋼線(xiàn)收放、排絲和張力調(diào)節(jié)的可封閉艙室；冷卻系統(tǒng)主要由漿料冷卻、攪拌和抽送等裝置組成。

該設(shè)備的收、放線(xiàn)卷的控制是控制中的關(guān)鍵，它的控制效果直接關(guān)系到張力的穩(wěn)定程度和鋼線(xiàn)的扭曲斷線(xiàn)幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)關(guān)系到整機(jī)的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國(guó)倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開(kāi)放式自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為本設(shè)備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級(jí)模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導(dǎo)軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務(wù)對(duì)模塊化控制系統(tǒng)進(jìn)行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動(dòng)化軟件，CX嵌入式PC成為一個(gè)功能強(qiáng)大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，根據(jù)所需的周期時(shí)間不同，可以控制多個(gè)伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個(gè)用單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的控制器，在Windows CE平臺(tái)下，借助操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，以高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)任務(wù)可以在TwinCAT運(yùn)行的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2 控制系統(tǒng)的架構(gòu)與配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

該設(shè)備的控制對(duì)象主要為12個(gè)伺服軸（4個(gè)放線(xiàn)輪、2個(gè)張力調(diào)節(jié)軸、2個(gè)排線(xiàn)軸、2個(gè)繞線(xiàn)軸、2個(gè)主進(jìn)給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護(hù)裝置等。

控制系統(tǒng)硬件采用德國(guó)倍福公司的整體解決方案，選用CX1030嵌入式PC、CP6901觸摸屏及相應(yīng)的電源模塊、I/O端口模塊、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驅(qū)動(dòng)器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服電機(jī)和EL3202測(cè)溫模塊。

EtherCAT是德國(guó)倍福公司提出的開(kāi)放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點(diǎn)，支持幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它控制100個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個(gè)字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個(gè)I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開(kāi)方機(jī)這種軸數(shù)多、實(shí)時(shí)性要求高的控制場(chǎng)合。

3 程序設(shè)計(jì)（Programming）

本設(shè)備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶(hù)控制程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本（ST）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊（FBD）、指令表（IL）等五種語(yǔ)言進(jìn)行混合編程，同時(shí)結(jié)合基于PLCopen庫(kù)運(yùn)動(dòng)控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制和基本程序控制。在進(jìn)行伺服電機(jī)控制時(shí)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)初始化、使能、耦合和驅(qū)動(dòng)等。

程序代碼分為若干個(gè)Pous，分別進(jìn)行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動(dòng)和張力控制。為實(shí)現(xiàn)張力控制，特別編寫(xiě)了張力控制功能塊，該功能塊主要?jiǎng)幼鳛?軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測(cè)值和設(shè)定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設(shè)置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實(shí)時(shí)的PID輸出，以該輸出與預(yù)設(shè)的偏置之和，作為張力軸與收放線(xiàn)軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線(xiàn)速度，達(dá)到張力控制的目的。如圖2所示為程序主流程圖。

程序入口為Main Pous，Main程序包含數(shù)據(jù)初始化、工藝自動(dòng)運(yùn)行控制、排絲動(dòng)作的數(shù)據(jù)計(jì)算等功能，程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)定時(shí)存入Novram存儲(chǔ)器中，以實(shí)現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運(yùn)行時(shí)，可接原來(lái)的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

程序界面設(shè)計(jì)使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，包含手動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、工藝設(shè)置、報(bào)警狀態(tài)查詢(xún)等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進(jìn)行配置，并定義相關(guān)的軸名稱(chēng)和參數(shù)。在載入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可將PLC程序中定義的輸入輸出變量、運(yùn)動(dòng)軸與實(shí)際硬件模塊的端口進(jìn)行映射，可在無(wú)實(shí)際硬件的情況下，對(duì)PLC程序進(jìn)行模擬調(diào)試。對(duì)于運(yùn)動(dòng)軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進(jìn)行監(jiān)視并對(duì)多個(gè)軸的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度進(jìn)行對(duì)比[3]。

本程序調(diào)試時(shí)因張力控制無(wú)法真實(shí)檢測(cè)，因此對(duì)張力使用隨機(jī)函數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行模擬，通過(guò)TCatScopeView程序觀(guān)察到各個(gè)軸的線(xiàn)速度擬合性非常理想，能夠滿(mǎn)足設(shè)備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)軟件的模擬運(yùn)行，達(dá)到了我們的預(yù)期效果，能夠滿(mǎn)足開(kāi)方機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和壓力控制要求。這種基于PC的開(kāi)放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫(xiě)和調(diào)試過(guò)程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司.TwinCAT PLC編程手冊(cè)（2011更新版）[Z].

[2] 黎狀聲，等.基于XFC極速控制技術(shù)的CTS運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).兵工自動(dòng)化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐偉，等.金剛石多線(xiàn)切割設(shè)備在SiC晶片加工中的應(yīng)用.電子工藝技術(shù)，2011，33（1）：50-52.

作者簡(jiǎn)介：

趙加寶（1978-），男，學(xué)士，工程師.研究領(lǐng)域：光伏設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).endprint