摘 要：利用CANBUS總線實(shí)現(xiàn)電阻焊機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能。利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電阻焊機(jī)群控功能。描述了系統(tǒng)的組成框架，包括聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的制定和通信過程，群控的設(shè)計(jì)原則。分別從下位機(jī)（電阻焊機(jī)）和上位機(jī)（工控PC）的角度介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程，最后簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

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關(guān)鍵詞：電阻焊機(jī);CANBUS;PLC;上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-148-03

Development of Networking System and Group-Control System for Resistance Welding Machines

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CHENG Haihui，YU Xuesen，GUO Jinhua，YIN Ge

(Tianjin 707 Research Institute，Tianjin，300409，China)

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Abstract：Networking system and group-control system for resistance welding machines based on CANBUS and PLC.Description of system framework，communication protocol of networking system，communication process of networking system，design principle of group-control system.Introduction system hardware and software based on resistance welding machines and host computer.The system application situation is briefly introduced finally.

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Keywords：resistance welder;CANBUS;PLC;host-computer

1 引 言

汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)焊接生產(chǎn)線自動(dòng)化程度和焊接質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的離散性電阻焊機(jī)已經(jīng)無法滿足要求，尤其是隨著車間ERP系統(tǒng)的融入，迫切要求對(duì)離散的電阻焊機(jī)進(jìn)行一體化的統(tǒng)一控制和管理。在中等規(guī)模汽車焊接生產(chǎn)線上，通常有上百臺(tái)電阻焊機(jī)，這些設(shè)備如果在同一時(shí)刻啟動(dòng)，將需要強(qiáng)大電能，往往會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)瞬間過載，產(chǎn)生斷電等事故，使正常生產(chǎn)受到影響；此外，在電網(wǎng)未過載的情況，如果工作在不同相間的電阻焊機(jī)數(shù)量存在較大的差異，則會(huì)造成三相電網(wǎng)的嚴(yán)重不平衡，可能造成某相導(dǎo)線燒斷、開關(guān)燒壞甚至配電變壓器單相燒毀等嚴(yán)重后果。

為此設(shè)計(jì)了基于CANBUS的電阻焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和基于PLC的電阻焊機(jī)群控系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)可以單獨(dú)或配合使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻焊機(jī)工作中的焊接參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析和更改等操作，完成統(tǒng)一的控制和管理；保證電網(wǎng)電壓的三相平衡，通過分時(shí)等待解決電力不足的矛盾。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括了下位機(jī)（電阻焊機(jī)）的聯(lián)網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)和群控接口電路設(shè)計(jì)、集中控制器的硬件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)CAN接口卡的選取等，本設(shè)計(jì)的規(guī)模為一臺(tái)集中控制器控制128臺(tái)電阻焊機(jī)的群控操作，一塊CAN接口卡控制256臺(tái)電阻焊機(jī)的工作，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

2.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的下位機(jī)即電阻焊機(jī)，采用飛利浦的80C552作為主控制芯片，需要設(shè)計(jì)聯(lián)網(wǎng)接口電路和群控接口電路，分別如圖2和圖3所示。

由于80C552單片機(jī)本身不具有CAN接口，故本設(shè)計(jì)通過MCU并行口擴(kuò)充了獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，其發(fā)送和接收端通過高速光藕6N137接到CAN收發(fā)器82C250，隨后進(jìn)入CAN總線網(wǎng)絡(luò)。SJA1000的復(fù)位方式采用了主MCU的I/O管腳控制的方式，以避免SJA1000軟件復(fù)位的局限性，使系統(tǒng)更加可靠。本設(shè)計(jì)波特率為100 kb/s，屬于比較高的速度，故采用了高速光藕6N137，并使光藕兩邊的電源隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

群控接口的設(shè)計(jì)主要是“焊接申請(qǐng)”信號(hào)的發(fā)出和“焊接允許”信號(hào)的接收電路。由于對(duì)速度的要求不高，故選用了普通光藕521-1，同樣光藕兩端電源隔離；在群控中，通常處于連續(xù)焊接方式的電阻焊機(jī)的優(yōu)先權(quán)比較高，在連續(xù)焊接時(shí)不發(fā)出焊接申請(qǐng)信號(hào)，為避免集中控制器漏檢其焊接狀態(tài)，所以在本設(shè)計(jì)中將MCU發(fā)出的“焊接申請(qǐng)”信號(hào)與電極通電中判斷電路的輸出進(jìn)行邏輯判斷，輸出的信號(hào)作為“焊接申請(qǐng)”信號(hào)發(fā)送到集中控制器。

2.2 集中控制器硬件設(shè)計(jì)

集中控制器系統(tǒng)的核心為德國BECKHOFF公司的總線端子系統(tǒng)BC8000。該系統(tǒng)由總線耦合器和電子端子塊組成?？偩€端子是一種開放的不依賴現(xiàn)場(chǎng)總線的外圍設(shè)備，他是可處理任何信號(hào)的電子端子排，電子端子排的首腦是總線耦合器。總線耦合器內(nèi)含PLC，可裝載軟件運(yùn)行程序，為了保證限容實(shí)時(shí)性，集中控制器軟件將在總線耦合器中運(yùn)行；總線端子具有RS 485接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。系統(tǒng)最多可帶載512個(gè)I/O點(diǎn)，考慮到響應(yīng)時(shí)間以及排序的復(fù)雜程度等因素，本設(shè)計(jì)選用8個(gè)8位開關(guān)量輸入24 VDC，3 ms濾波延遲信號(hào)的總線端子模塊，8個(gè)8位開關(guān)量輸出24 VDC、0.5 A的總線端子模塊，組成128路I/O接口長(zhǎng)線隔離驅(qū)動(dòng)電路。

2.3 CAN接口卡的選擇

上位機(jī)與電阻焊機(jī)采用CAN總線通訊，因此上位機(jī)系統(tǒng)必須提供CAN數(shù)據(jù)總線接口。本設(shè)計(jì)中選擇研華CAN接口卡PCL-841，該卡提供兩個(gè)獨(dú)立的CAN數(shù)據(jù)總線接口，在VC++6.0中通過調(diào)用接口卡的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)接口卡的讀/寫訪問，從而完成與電阻焊機(jī)通訊。本設(shè)計(jì)使用的研華工控機(jī)具有2個(gè)支持PCL-841接口卡的ISA插槽，故可以插2塊CAN接口卡，4個(gè)CAN數(shù)據(jù)總線接口可以提供256臺(tái)電阻焊機(jī)的聯(lián)網(wǎng)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN通信協(xié)議和通信過程

SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN兩種模式，可以采用CAN2.0A或CAN2.0B的CAN技術(shù)規(guī)范。本設(shè)計(jì)中采用了BasicCAN模式的CAN2.0A協(xié)議，報(bào)文傳送由4種不同類型的幀表示和控制，他們是數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀，每種幀都是由幾個(gè)不同的位場(chǎng)組成。在數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀中，都有仲裁場(chǎng)，仲裁場(chǎng)由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位組成，定義標(biāo)識(shí)符非常關(guān)鍵。標(biāo)識(shí)符由11位二進(jìn)制碼組成，表示為：D10，D9，D8，D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0，發(fā)送次序則由高位到低位。本設(shè)計(jì)中，規(guī)定D10、D9這兩位表示優(yōu)先級(jí)，比如（1，1）為最高優(yōu)先級(jí)，如故障；（1，0）為較高優(yōu)先級(jí)，如命令；（0，1）為較低優(yōu)先級(jí)，如連續(xù)的數(shù)據(jù)串；（0，0）為最低優(yōu)先級(jí)，如離散的數(shù)據(jù)。D8，D7，D6，D5，D4，D3這六位表示下位機(jī)的標(biāo)識(shí)ID號(hào)，共有26個(gè)ID可供選擇。標(biāo)識(shí)符中的D2，D1，D0位，在數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀中都有不同的定義，表示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)串或通信命令，標(biāo)識(shí)符決定了數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容、源地址和目的地址，定義了上位機(jī)只與選定的下位機(jī)通信。下位機(jī)采用屏蔽標(biāo)識(shí)符方法，只接收上位機(jī)的通信請(qǐng)求。本設(shè)計(jì)中規(guī)定數(shù)據(jù)幀的格式為：標(biāo)識(shí)符+數(shù)據(jù)（0~8 B）；遠(yuǎn)程幀的格式為：標(biāo)識(shí)符。

上位機(jī)與下位機(jī)的通訊是通過命令實(shí)現(xiàn)的，通訊過程是：任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的下位機(jī)，每完成一次焊接或出現(xiàn)故障時(shí)，向上位機(jī)直接發(fā)送數(shù)據(jù)或故障號(hào)；如果沒有新的焊接數(shù)據(jù)或故障，下位機(jī)就暫時(shí)中斷與上位機(jī)通訊。上位機(jī)通過發(fā)送含有指定下位機(jī)地址的命令與指定下位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)查詢、編程及故障復(fù)位等功能。

3.2 CAN通信軟件

該部分包括了下位機(jī)的CAN通信軟件和上位機(jī)的通信軟件兩部分，下位機(jī)的軟件編制采用匯編語言，上位機(jī)部分用Visual C++ 6.0、Visual Basic 6.0進(jìn)行軟件開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用的是SQL Server 2000個(gè)人版。

3.2.1 下位機(jī)軟件

首先在下位機(jī)上電復(fù)位后，需要編制SJA1000的初始化程序，包括接口檢測(cè)函數(shù)、波特率設(shè)定函數(shù)、設(shè)置接收標(biāo)識(shí)符函數(shù)、關(guān)閉CLKOUT操作、設(shè)置接收?qǐng)?bào)文ID、設(shè)置輸出控制、時(shí)鐘分頻、關(guān)閉SJA1000內(nèi)部中斷等操作，此外需編制CAN數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的子函數(shù)。在應(yīng)用中，只需要調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)，就可以完成與上位機(jī)的CAN通信。本設(shè)計(jì)中對(duì)于不同的CAN收發(fā)命令均采用的為散轉(zhuǎn)形式，即通過判斷R0寄存器的值進(jìn)入到相應(yīng)的程序分支。

3.2.2 上位機(jī)軟件

考慮到系統(tǒng)的可重用性，上位機(jī)系統(tǒng)軟件采用分層模式和組件技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)分為界面顯示層、數(shù)據(jù)通訊層、數(shù)據(jù)庫訪問層三層，各層之間通過接口函數(shù)進(jìn)行通信。

為了直觀、動(dòng)態(tài)地顯示生產(chǎn)線上焊機(jī)的工作狀態(tài)，采用VB 6.0與VC++6.0相結(jié)合的方式進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。借助VB 6.0，采用ActiveX技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)下位機(jī)控件weld.ocx，可以根據(jù)下位機(jī)的不同狀態(tài)，顯示不同顏色。在VC++6.0中繪制焊接生產(chǎn)線界面，將設(shè)計(jì)完成的weld.ocx控件分別放置在生產(chǎn)線相應(yīng)位置上，VC++6.0程序中通過調(diào)用weld.ocx提供的接口函數(shù)SetWeldColor設(shè)置焊機(jī)的顏色。

本系統(tǒng)采用多線程技術(shù)解決通訊實(shí)時(shí)性問題。通過創(chuàng)建一個(gè)輔助線程MonitorThread()，專門負(fù)責(zé)處理上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，MonitorThread()與主線程之間是并行的，二者通過消息方式進(jìn)行同步通訊。在MonitorThread()中循環(huán)讀取下位機(jī)送來數(shù)據(jù)，對(duì)于收到的優(yōu)先級(jí)別較低的數(shù)據(jù)（如焊機(jī)參數(shù)信息等）只做簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理然后等待主線程處理；對(duì)于優(yōu)先級(jí)別較高的數(shù)據(jù)（如焊機(jī)故障信息等）則直接發(fā)送消息給主線程，要求主線程立即處理這些數(shù)據(jù)信息。

本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫編程接口采用的是MFC ODBC技術(shù)。MFC對(duì)ODBC的封裝主要是開發(fā)了CDatabase類和CRecordSet類。程序中首先通過CDatabase對(duì)象的Open函數(shù)建立同ODBC數(shù)據(jù)源的連接，然后通過CRecordSet對(duì)象完成數(shù)據(jù)庫編程操作。

3.3 群控設(shè)計(jì)原則

(1) 需要制定一個(gè)限容決策，即在電網(wǎng)同步信號(hào)到來前，決定哪些焊機(jī)允許啟動(dòng)焊接；

(2) 軟件運(yùn)行不能超時(shí)，必須在10 ms內(nèi)完成全部信號(hào)的讀入、比較、處理和寫出；

(3) 系統(tǒng)的兼容性，當(dāng)集中控制器發(fā)生故障或電阻焊機(jī)切斷與集中控制器的連接時(shí)，電阻焊機(jī)的正常工作不能受到影響。

限容決策一要合理，二要有重點(diǎn)，要保證每臺(tái)電阻焊機(jī)申請(qǐng)等待時(shí)間不能過長(zhǎng)，一般情況不超過100 ms，要重點(diǎn)工位優(yōu)先，要考慮連續(xù)焊接工位一直是“允許”的等，此外，還需要考慮電網(wǎng)的三相平衡問題，即連接在AB，BC和CA相間允許同時(shí)焊接的電阻焊機(jī)應(yīng)該盡量相同，在電阻焊機(jī)車間布線時(shí)就應(yīng)該考慮這個(gè)問題，避免布線的不均衡。本設(shè)計(jì)中，對(duì)128臺(tái)電阻焊機(jī)申請(qǐng)信號(hào)的存取，建立一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用二維數(shù)組DHJ（M，N），M表示電阻焊機(jī)的序號(hào)（硬件連接地址），N表示與申請(qǐng)和回答有關(guān)的信息，如：當(dāng)前狀態(tài)、申請(qǐng)次數(shù)、允許次數(shù)、等待時(shí)間、所在相線、工位優(yōu)先權(quán)等。

3.4 群控軟件流程

控制軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能：讀取每臺(tái)電阻焊機(jī)的申請(qǐng)信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)、上次狀態(tài)及等待時(shí)間，在一個(gè)周波內(nèi)決策每臺(tái)電阻焊機(jī)的動(dòng)作。集中控制器軟件由PLC結(jié)構(gòu)化語言類PASCAL語言編寫，劃分為主程序、輸入過程、輸出過程、通信過程、比較過程和決策過程等，包括焊機(jī)在線識(shí)別、連點(diǎn)焊接識(shí)別與處理等內(nèi)容。程序流程如圖4所示。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)發(fā)揮了CAN總線高速、雙向特性，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用其中，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的高效率、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，一臺(tái)上位機(jī)可以控制256臺(tái)下位機(jī)；采用PLC對(duì)電阻焊機(jī)進(jìn)行集中控制管理，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，提高了控制可靠性和精度，一臺(tái)集中控制器可對(duì)128臺(tái)電阻焊機(jī)集中控制，響應(yīng)時(shí)間≤20 ms，具有限容式三相電網(wǎng)平衡能力。

本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于重慶長(zhǎng)安、江西九江昌河、吉利汽車等十幾個(gè)汽車廠的焊接生產(chǎn)線，運(yùn)行效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］畢慧琴.焊接方法及設(shè)備（第二分冊(cè)）——電阻焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［2］耿正.電阻焊設(shè)備及控制研究的進(jìn)展[J].焊接，1998(5):2-8.

［3］劉衛(wèi)列.TinCAT PLC編程手冊(cè)[Z].北京：德國倍福電氣有限公司北京代表處，2005.

［4］鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［5］李現(xiàn)勇.Visual C++ 串口通訊技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2002.

［6］夏云慶.Visual C++6.0數(shù)據(jù)庫高級(jí)編程[M].北京：希望電子出版社，2002.