基于CANopen的光伏下片機開發(fā)

王獻會，程金宏，牛軍海

（河南安彩高科股份有限公司，河南 安陽 455000）

0 引言

玻璃的搬運是光伏行業(yè)的重要任務之一，一般由機械設備來完成，這種用來完成玻璃搬運的設備俗稱“機械手”，也稱之為上片機或下片機［1］。本文設計的光伏下片機的各設備與可編程控制器間是通過CAN－open現(xiàn)場總線來實現(xiàn)的，設備接線少，故障率低［2］。傳統(tǒng)機械設備利用脈沖和模擬量控制，限制了系統(tǒng)的多軸擴展和多軸同步能力。利用CANopen通訊方式實現(xiàn)伺服控制器控制，是解決傳統(tǒng)方式的同步、擴展及控制器點數(shù)制約的最佳方式，它具有傳輸速率高、同步性能好、可擴展能力強、硬件成本低等特點，在行業(yè)內具有較強的競爭優(yōu)勢。

1 下片機建模及結構功能

下片機是光伏玻璃生產(chǎn)上的一個重要設備，在光伏玻璃鋼化后、包裝前都需要對玻璃進行下片。它是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的設備的一部分，實現(xiàn)玻璃在壓延機后和鋼化后的下片。擺臂式下片機的三維模型如圖1所示。

擺臂式下片機主要由水平移動和旋轉運動裝置、真空吸盤機構及固定安裝支架組成。水平移動和旋轉運動裝置由變頻器驅動帶有編碼器反饋的電機作為動力，電機通過齒輪和齒條傳動實現(xiàn)水平移動。在旋轉方向上，有一個大齒輪和一個小齒輪嚙合，并帶有4個真空吸盤，實現(xiàn)對玻璃原片取片。下片機本體采用鋼結構牢固固定于地面，旋轉機構采用鋁合金型材，并可實現(xiàn)吸盤位置的調節(jié)，以滿足生產(chǎn)不同品種產(chǎn)品的需要。

圖1 擺臂式下片機的三維模型

2 CANopen網(wǎng)絡設計

CANopen是一種架構在控制局域網(wǎng)絡（Control Area Network，CAN）上的高層通訊協(xié)議，包括通訊子協(xié)議及設備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用，是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總線。同時CANopen也是一個開放的、標準化的高層協(xié)議，支持各種CAN設備的互用性、互換性，在各工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用［2，3］。CANopen協(xié)議定義了4類數(shù)據(jù)傳輸對象：網(wǎng)絡管理對象（NMT）、服務數(shù)據(jù)對象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和特殊功能對象。通過此4類對象的操作，可實現(xiàn)對相關設備的控制。下片機CANopen的系統(tǒng)組態(tài)如圖2所示。

以TM238LFDC24DT可編程控制器集成CAN-open接口作為主站，地址為127，水平方向地址為1，豎直方向地址為2，其他兩個變頻器的CANopen地址分別為3和4，通訊速率為500kb/s。系統(tǒng)整體采用施耐德產(chǎn)品自身集成CANopen接口的LXM23AU15M3X和ATV312H075N4等設備，無需增加其他CANopen硬件投入，使系統(tǒng)綜合成本較其他方式大大降低，節(jié)省接線及部分控制繼電器。伺服控制器及電機功率均為1.5kW，變頻器功率分別為0.75kW和0.25kW。

3 方案硬件組成

本系統(tǒng)以CANopen為控制通訊總線，系統(tǒng)中設備自身集成CANopen接口?？删幊炭刂破鬟x用施耐德TM238LFDC24DT，為通訊的總站。觸摸屏選用威綸HMIGXO3502，驅動器和伺服電機選用施耐德的LXM23AU13M3X和BCH1303N12A1C。觸摸屏作為上位機與PLC進行通訊，實現(xiàn)通訊指令的發(fā)出和狀態(tài)指令的接收及參數(shù)的修改，它與PLC間通過Somachine network實現(xiàn)通訊。上位機、下位機、執(zhí)行部分和檢測部分分別采用了觸摸屏、PLC、驅動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)［4］。PLC從輸入模塊接收傳送器采集開關量信號［5］，通過RS485與觸摸屏實時通訊，由它以主站方式對從站和變頻器發(fā)送控制指令及向從站查詢伺服狀態(tài)及變頻狀態(tài)。其中，ATV 312＿Node1，ATV312＿Node2，ATV312＿Node3分別標記為水平行走、輸送1和輸送2，LXM23A＿Node4為翻轉。

圖2 下片機CANopen的硬件組態(tài)

4 實現(xiàn)方法

TM238LFDC24DT作為主節(jié)點，通過NMT報文檢查從節(jié)點的當前狀態(tài)并負責其狀態(tài)轉換；從節(jié)點處于準備狀態(tài)時，主節(jié)點向其發(fā)送SDO配置對象字典；主節(jié)點通過PDO控制DO節(jié)點的輸出，采集DI節(jié)點的信息［6］；適時響應交換數(shù)據(jù)PDO，周期性地在上位機與驅動器之間傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般為速度、位置等控制字或者狀態(tài)字，SDO為直接數(shù)據(jù)交換模式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為一般運動模式（點到點、速度、尋原點等）。兩個方向上頻率f與時間的控制關系如圖3所示。在水平方向上停止前進行兩次減速，以達到精確定位的目的；在翻轉方向上，伺服控制器執(zhí)行一個相對位置功能塊，以實現(xiàn)一個翻轉的動作，即翻轉－返回。由于速度與頻率正相關，故圖3中頻率與時間的關系即反映了速度與時間的關系。

5 控制系統(tǒng)程序設計

5.1 觸摸屏程序設計

設計中，上位機選用HMIGXO3502，使用Somachine network網(wǎng)絡，下位機與上位機觸摸屏的變量通過符號配置表來實現(xiàn)，在需要增加變量時，只需將下位機變量添加到變量的配置表里，觸摸屏則自動與其關聯(lián)，并自動更新觸摸屏變量。

5.2 程序設計

5.2.1 PLC的I/O分配

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，伺服控制器在CANopen位置與速度模式下PLC的I/O分配如表1所示。

圖3 兩個方向上頻率f與時間的控制關系

表1 PLC的I/O分配表

5.2.2 系統(tǒng)原點、預定位及功能塊的使用

系統(tǒng)設計需要CANopen方式下對周期性交換的各軸PDO數(shù)據(jù)進行地址映射，本文采用系統(tǒng)功能塊替代原自定義PDO映射來完成。用到的功能塊有：MC＿Power＿LXM23，MC＿Home＿LXM23，MC＿MoveRelative＿LXM23，MC＿Stop＿LXM23等，變頻驅動用到的功能塊與伺服控制器相同。

翻轉方向伺服原點由CANopen模式下34種模式中的模式1設定，它定義了尋找原點的方式和需要配合使用的硬件檢測開關。變頻器的原點通過清除反饋位置的編碼器脈沖方式設定。首次定位時，須在原點確定后進行，其精度決定了系統(tǒng)的初始精度。

5.2.3 控制程序設計

在Somachine自動化平臺下，可以在單一環(huán)境中開發(fā)、配置和試運行整個機器，可以對3個硬件（即PLC控制器、運動控制器和傳動控制器）進行配置和組態(tài)。下片機程序設計采用了模塊化的程序設計思想［6］，對實現(xiàn)功能的每個部分進行了獨立編程，以方便維護。本設計由于采用CANopen方式通訊，在程序的編制過程中多以ST語言進行編程，以方便對CAN－open參數(shù)的讀寫。而在非伺服編程時采用CFC語言。部分控制程序如下：

6 調試及注意事項

設備調試運行前，需要對通訊的地址、波特率等相關信息進行一致化。伺服控制器在正常使用前，需利用LEXIUM 23CT對伺服進行自動增益調整或手動調整，以確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

設計使用的超聲波開關設定在COMPARE模式下的PNP輸出模式，其他參數(shù)調試按說明進行。對調試中出現(xiàn)的AL401報警，除故障處理手冊中的解決方法外，在實際操作中，可檢查伺服控制器的工作模式是否丟失，在丟失的情況下，此故障報警出現(xiàn)。處理方法為：檢查P1-01是否為OB CANOPEN模式。

7 系統(tǒng)程序流程圖

控制程序設計流程見圖4。

8 結束語

本文以CANopen現(xiàn)場總線方式設計了一種擺臂式下片機。它以Somachine平臺為基礎，以現(xiàn)場總線為控制方式，可實現(xiàn)精確的反轉定位和可靠的速度控制定位。經(jīng)調試，此擺臂式下片機運行控制精確、運行平穩(wěn)、操作方便、性能可靠、成本低，能滿足各種規(guī)格玻璃原片的上、下片要求。

圖4 控制程序設計流程圖

［1］劉莉，李世偉，宋現(xiàn)春，等.精密滾珠絲杠螺旋線誤差動態(tài)測量方法的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2007（5）：59-66.

［2］張捍東，徐龍，岑豫皖.CANopen協(xié)議及在ARM控制多電機驅動器系統(tǒng)中的應用與設計［J］.自動化與儀器儀表，2011（2）：40-43.

［3］Boterenbrood H.CANopen high-level protocol for CAN-bus［M］.Amsterdam：NIKHEF，2003.

［4］李光偉，劉銓權，許陽釗，等.基于PLC和觸摸屏的DVD盒自動化生產(chǎn)線設計［J］.機械與電子，2009（5）：71-74.

［5］叢明，劉冬，杜宇，等.PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運機械手中的應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（9）：66-69.

［6］曹慶年，趙博，孟開元.CANopen協(xié)議在工業(yè)控制網(wǎng)絡中的應用［J］.西安石油大學學報（自然科學版），2009（4）：75-78.