陳樹(shù)君，張二永，盧振洋，白立來(lái)

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 前言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)的多變性和多應(yīng)用性對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的靈活性、響應(yīng)時(shí)間、控制精度等方面提出了更高的要求，控制器對(duì)可重構(gòu)性、實(shí)時(shí)性、高精度的要求越來(lái)越高。可重構(gòu)制造系統(tǒng)概念的提出，對(duì)控制體系結(jié)構(gòu)提出了新的發(fā)展方向，開(kāi)放式可重構(gòu)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今自動(dòng)化控制技術(shù)的研究方向[1]。

可重構(gòu)技術(shù)是指利用可重用的軟硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法?？芍貥?gòu)控制器作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)其自身快速重構(gòu)的能力、智能性以及良好的通信能力都有較高的要求?；赑C機(jī)的開(kāi)放式可重構(gòu)控制結(jié)構(gòu)，能夠滿足并實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開(kāi)放性和柔性的要求，完成比較復(fù)雜的控制任務(wù)，其主要特征包括模塊化、可操作性、可重構(gòu)性、可移植性、可擴(kuò)展性和可交換性。其硬件以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其在重構(gòu)時(shí)僅需要改變部分模塊的配置，即可完成重構(gòu)任務(wù)，有利于系統(tǒng)的集成、維護(hù)、擴(kuò)展和向新技術(shù)遷移[2-4]。

本研究結(jié)合CoDeSys軟件和EtherCAT技術(shù)構(gòu)建可重構(gòu)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制和對(duì)焊接電源的智能控制。重構(gòu)了基于焊接操作機(jī)和變位機(jī)的五軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，變極性等離子焊接電源的工藝參數(shù)智能控制平臺(tái)，使得研究設(shè)計(jì)的開(kāi)放式可重構(gòu)控制器的軟硬件構(gòu)建方法得到了初步的實(shí)現(xiàn)，它是可重構(gòu)控制器的一種實(shí)際應(yīng)用體現(xiàn)。

1 可重構(gòu)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)控制器的實(shí)現(xiàn)以CoDeSys開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建智能控制器的硬軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。充分利用軟硬件的可重構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)模塊配置和任務(wù)執(zhí)行。

1.1 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)

系統(tǒng)采用德國(guó)3S(SmartSoftware SolutionsGmbH)公司的CoDeSys嵌入式軟PLC系統(tǒng)作為上層用戶應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。CoDeSys是基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)控制器和PLC組件的編程工具[5]。它支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中的五種編程語(yǔ)言，即指令表語(yǔ)言（IL）、功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、順序功能圖（SFC）。CoDeSys的最大優(yōu)點(diǎn)在于它把邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和可視化集成于一體，不需要其他的組態(tài)軟件就可以輕松實(shí)現(xiàn)可視化。其中CoDeSys Soft Motion軟件包可將PLC邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制（Motion Contro1）合二為一，完美地實(shí)現(xiàn)從單軸運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的多軸軌跡插補(bǔ)的編程和控制。

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT是德國(guó)Beckhoff公司新開(kāi)發(fā)的一種實(shí)時(shí)總線技術(shù)。其性能優(yōu)越，不但能解決智能設(shè)備間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換及高效傳輸采樣數(shù)據(jù)，甚至能滿足基于PC機(jī)實(shí)時(shí)控制的技術(shù)要求[6]。將CoDeSys軟PLC安裝到PC，就構(gòu)成了基于

IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行內(nèi)核，通過(guò)以太網(wǎng)和倍?？偩€模塊通訊，將開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)建成可重構(gòu)控制系統(tǒng)，能夠完成程序的編寫編譯、下載、調(diào)試、運(yùn)行等。

1.2 可重構(gòu)系統(tǒng)總體框架

可重構(gòu)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)決定它可以柔性的集成軟硬件的組元結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在控制程序核心處理層和硬件執(zhí)行控制層都得到最大限度的模塊重用?？芍貥?gòu)體系的基本構(gòu)成是：通信接口模塊、程序處理模塊和執(zhí)行接口模塊，這三大模塊決定了控制器的通信能力、信息處理能力和根據(jù)任務(wù)要求的底層執(zhí)行能力。

本系統(tǒng)采用主從式的分布式總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于CoDeSys的嵌入式PC作為主站，實(shí)現(xiàn)程序處理、人機(jī)界面設(shè)置、變量配置、硬件組態(tài)等。從站網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是利用倍福EtherCAT總線模塊，模塊化從站節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)總線形式任意耦合，并由總線耦合器連接到控制系統(tǒng)的主站，形成分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：嵌入式計(jì)算機(jī)、總線耦合器、以太網(wǎng)總線、伺服控制從站、設(shè)備I/O從站、智能通信從站等部分。主站計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)對(duì)從站節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備進(jìn)行分布式控制、集中式管理和模塊化重構(gòu)，以便根據(jù)需求增添或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這種硬件基于網(wǎng)絡(luò)的模塊化結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)系統(tǒng)的快速、柔性化集成和擴(kuò)展，大大提高了控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和柔性。

2 可重構(gòu)自動(dòng)化焊接控制器硬件平臺(tái)

智能控制器的重構(gòu)主要分為運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和焊接電源智能控制平臺(tái)，自動(dòng)化控制器硬件組成如圖2所示。運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)是三維龍門式焊接操作機(jī)和二維翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)，控制器輸出對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)；焊接電源的智能控制平臺(tái)是針對(duì)變極性等離子焊接電源的控制核心MSP430F449單片機(jī)，通過(guò)RS485通訊接口對(duì)單片機(jī)的工藝參數(shù)控制。此外添加了一些輔助I/O功能，用于以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)軸控制的回原點(diǎn)操作、限位功能、焊接電源智能控制的焊接信號(hào)、故障報(bào)警等。

圖1 可重構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制的硬件組成

（1）EK1100總線耦合控制器。它將總線上的100 BASE-TX以太網(wǎng)信號(hào)傳輸給處理器，并將執(zhí)行信號(hào)分布到執(zhí)行器的執(zhí)行端。

（2）EL2521-0024高速脈沖模塊。它產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖和方向控制信號(hào)，控制執(zhí)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

（3）EL1004數(shù)字量輸入模塊。主要用于電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零位信號(hào)、限位信號(hào)以及附加的I/O控制。

（4）執(zhí)行電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，采用MOTEC步進(jìn)系統(tǒng)，三相混合式步進(jìn)電機(jī)SM397（3個(gè)）和SM3910（2個(gè)），配套驅(qū)動(dòng)器STD3-60-58，其具有精度高、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠、啟動(dòng)頻率高、高速扭矩大等特點(diǎn)。

2.2 焊接電源控制的硬件組成

（1）EL6021串行端子接口模塊?？梢钥刂茙в蠷S485/RS422接口的設(shè)備。

圖2 焊接自動(dòng)控制器硬件組成

（2）EL2004數(shù)字量輸出模塊。主要用于電源啟停信號(hào)、保護(hù)氣開(kāi)關(guān)等的控制。

（3）MSP430F449單片機(jī)。它是變極性等離子焊接電源的控制核心，控制電路部分主要由A/D和D/A模塊、RS232和RS485通信模塊、開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出模塊、PWM驅(qū)動(dòng)模塊等組成，控制器中主要是通過(guò)RS485串行通訊接口實(shí)現(xiàn)通訊。

3 可重構(gòu)自動(dòng)化焊接控制器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制器的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和焊接電源智能控制平臺(tái)，軟件開(kāi)發(fā)也是基于這兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，設(shè)計(jì)思想要基于焊接裝備的功能需求，如：焊縫形狀和焊接速度，焊接軌跡的示教功能，焊接工程實(shí)時(shí)調(diào)整功能，焊接工藝參數(shù)的分段設(shè)定，參數(shù)調(diào)整功能等。并且要設(shè)計(jì)出易設(shè)置、易操作、易觀察監(jiān)控的人機(jī)界面，以方便地結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制和焊接工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的目的。

3.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

控制器的運(yùn)動(dòng)功能：運(yùn)動(dòng)功能采用模塊化設(shè)計(jì)思想，先設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，最后再將所有功能模塊整合規(guī)劃，形成控制系統(tǒng)。按照控制模式可分為點(diǎn)動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制模式和示教模式；按照運(yùn)動(dòng)方式分為相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)控制。此外也包括一些速度和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，設(shè)計(jì)中應(yīng)用了大量的可重用功能塊，如SMC_HOMING、MC_Power、MC_RESET、MC_STOP、MC_SetPosition、MC_MoveVelocity等。軟件設(shè)計(jì)的功能開(kāi)發(fā)如圖3所示。

在五軸運(yùn)動(dòng)控制程序中，核心部分是CNC程序，是完成插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵。軟件設(shè)計(jì)用到CNC插補(bǔ)程序模塊：SMC_Interpolator、SMC_TRAFOF、SMC_ControlAxisByPos、SMC_NCDecod er、SMC_Check Velocity等。插補(bǔ)執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 插補(bǔ)執(zhí)行流程

控制器的焊接過(guò)程實(shí)時(shí)調(diào)整：焊接過(guò)程中，根據(jù)焊接工藝需要和焊縫位置的偏離，要對(duì)焊接軌跡和焊接速度實(shí)時(shí)調(diào)整，在插補(bǔ)路徑已經(jīng)規(guī)劃好的模式下，可以對(duì)焊接速度進(jìn)行實(shí)時(shí)微調(diào)。在聯(lián)動(dòng)控制模式下，對(duì)焊接軌跡和焊接速度進(jìn)行實(shí)時(shí)微調(diào)。

3.2 焊接電源控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

焊接電源控制的軟件設(shè)計(jì)是應(yīng)用總線模塊EL6021對(duì)單片機(jī)的RS485接口實(shí)現(xiàn)串行通訊，因此在控制器的軟件平臺(tái)和單片機(jī)控制程序中做相應(yīng)的設(shè)計(jì)和編程。控制器通過(guò)總線端子EL6021的RS485接口，按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將有效數(shù)據(jù)發(fā)送到焊接電源MSP430單片機(jī)的RS485接口，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)提取并處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)變極性等離子電源的控制[7]。

焊接電源參數(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)共有22個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)為起始字節(jié)，第二字節(jié)開(kāi)始為有效數(shù)據(jù)，最后兩字節(jié)為CRC校驗(yàn)字節(jié)。傳輸格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸格式

焊接程序的分段設(shè)計(jì)。焊接過(guò)程中，針對(duì)等離子焊接工藝，要對(duì)焊接程序參數(shù)進(jìn)行分段設(shè)置，包含準(zhǔn)備段、初始段、上升段、工作段1、工作段n、下降段、收弧段、延時(shí)段，將程序段分為N個(gè)狀態(tài)機(jī)：case1，case2…case n，每個(gè)狀態(tài)機(jī)當(dāng)中的參數(shù)都可以進(jìn)行設(shè)定，焊接程序段的順序執(zhí)行通過(guò)執(zhí)行時(shí)間設(shè)定或者段執(zhí)行開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，使得焊接電源對(duì)焊接工藝的應(yīng)用加靈活。

4 性能試驗(yàn)

針對(duì)重構(gòu)成的焊接自動(dòng)化控制器，性能試驗(yàn)主要是測(cè)試搭建的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制性能和焊接電源控制功能。檢驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)的功能是否能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、執(zhí)行精度、運(yùn)動(dòng)可靠性、參數(shù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、適宜操作性等。

4.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

Wireshark是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件，可以用來(lái)監(jiān)聽(tīng)在網(wǎng)絡(luò)上被傳送的報(bào)文，擷取網(wǎng)絡(luò)封包，并盡可能顯示出最為詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)封包資料，網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件的功能可想像成“電工技師使用電表來(lái)量測(cè)電流、電壓、電阻”的工作，只是將場(chǎng)景移植到網(wǎng)絡(luò)上，并將電線替換成網(wǎng)絡(luò)線[8]。實(shí)時(shí)報(bào)文截圖如圖5所示，由時(shí)間分析項(xiàng)可以看出，循環(huán)周期2.97 ms，報(bào)文延時(shí)86 μs，表明主從站具有很好的實(shí)時(shí)性。

4.2 運(yùn)動(dòng)功能試驗(yàn)

結(jié)合焊接自動(dòng)化控制器，將主從站和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置連接起來(lái)。在可視化界面可以試驗(yàn)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)模式和示教模式、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制功能。并按照平面和空間，直線和圓弧的分類，做了平面內(nèi)直線和圓弧軌跡、空間直線和圓弧的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性和精度。

圖5 Wireshark抓取的報(bào)文信息

Text-1是平面軌跡的G代碼指令，在控制程序中自動(dòng)生成的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6a所示，采集各軸運(yùn)動(dòng)軌跡位置數(shù)據(jù)，并利用MATLAB合成各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6b所示。

圖6 平面運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)驗(yàn)對(duì)比

Text-2是空間軌跡的G代碼指令，由于三維空間軌跡不便觀察，因此將其運(yùn)動(dòng)軌跡投影到二維坐標(biāo)平面內(nèi)。圖7a、圖8a和圖9a分別對(duì)應(yīng)空間運(yùn)動(dòng)軌跡在X-Y坐標(biāo)平面、X-Z坐標(biāo)平面和Y-Z坐標(biāo)平面的軌跡投影。而利用MATLAB合成各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7b、圖8b和圖9b所示。由平面軌跡和空間軌跡兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出，控制系統(tǒng)的軌跡控制較準(zhǔn)確。

圖7 空間運(yùn)動(dòng)軌跡在X-Y平面投影對(duì)比

圖8 空間運(yùn)動(dòng)軌跡在X-Z平面投影對(duì)比

圖9 空間運(yùn)動(dòng)軌跡在Z-Y平面投影對(duì)比

圖10 焊接參數(shù)設(shè)定界面

圖11 串口調(diào)試工具顯示參數(shù)傳輸情況

4.3 焊接電源控制試驗(yàn)

焊接參數(shù)控制試驗(yàn)主要檢測(cè)控制器對(duì)焊接參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和焊接程序分段執(zhí)行的控制功能。焊接電源設(shè)定參數(shù)包括：DCEN電流、DCEP電流、DCEN時(shí)間、DCEP時(shí)間、預(yù)先送氣時(shí)間、延時(shí)送氣時(shí)間、初始電流、填充電流、上升時(shí)間、下降時(shí)間、離子氣流量等。試驗(yàn)中設(shè)置界面和參數(shù)值如圖10所示。使用串口工具可以看出（見(jiàn)圖11），顯示窗口將十進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制，第一次接收數(shù)據(jù)與圖10所示一致，第二次接收的數(shù)據(jù)也與設(shè)定值一致（只將第一次傳輸數(shù)據(jù)的DCEN電流、DCEP電流、DCEN時(shí)間、DCEP時(shí)間四個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，從十進(jìn)制數(shù)值 120、150、21、4 改為 150、180、20、5，對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)值從 78、96、15、4 改為 96、B4、14、5），符合數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式，觀察等離子焊接電源的液晶屏，也與實(shí)際設(shè)定數(shù)據(jù)一致，并在更改參數(shù)值后刷屏顯示。

5 結(jié)論

（1）搭建了基于CoDeSys的可重構(gòu)的焊接自動(dòng)化控制器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了控制器的軟硬件平臺(tái)，應(yīng)用Wireshark對(duì)控制網(wǎng)路進(jìn)行了分析和研究，表明基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的重構(gòu)控制器有著良好的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)性。

（2）試驗(yàn)表明控制器人機(jī)界面合理，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單軸運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等功能，基本滿足對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)可達(dá)±0.5 mm的控制精度。

（3）通過(guò)倍福端子模塊EL6021，能夠?qū)ψ儤O性等離子焊接電源進(jìn)行智能控制。完成程序段的設(shè)定和參數(shù)修改功能。

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