趙加寶　張志偉

摘 要：對開方機的主要組成和功能進行了描述，介紹了倍福控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。針對開方機的具體控制要求，完成了控制系統(tǒng)的架構(gòu)配置、控制軟件框架設計、主要程序流程設計、軟件代碼的編寫和模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開放式；軟PLC

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

開方機是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過金屬絲的高速往復運動，把磨料帶入工件加工區(qū)域進行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時開成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開方機具有精密窄切縫、效率高、成本低、設備使用壽命長和環(huán)境污染小等特點。開方機的工作臺通過收、放線輪及導輪形成交叉線網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺上，加工時砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線網(wǎng)上，在工作臺下壓的過程中，鋼線攜帶砂漿高速運轉(zhuǎn)，達到切割硅錠的目的。

開方機的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時的可封閉加工室；繞線室為鋼線收放、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。

該設備的收、放線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)定程度和鋼線的扭曲斷線幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設計關(guān)系到整機的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開放式自動化控制系統(tǒng)作為本設備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務對模塊化控制系統(tǒng)進行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動化軟件，CX嵌入式PC成為一個功能強大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運動控制任務，根據(jù)所需的周期時間不同，可以控制多個伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個用單個硬件實現(xiàn)PLC、運動控制和可視化任務的控制器，在Windows CE平臺下，借助操作系統(tǒng)的實時能力，以高級語言編寫的用戶任務可以在TwinCAT運行的情況下進行實時處理。

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

該設備的控制對象主要為12個伺服軸（4個放線輪、2個張力調(diào)節(jié)軸、2個排線軸、2個繞線軸、2個主進給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護裝置等。

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

EtherCAT是德國倍福公司提出的開放式實時以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點，支持幾乎所有的拓撲結(jié)構(gòu)。它控制100個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開方機這種軸數(shù)多、實時性要求高的控制場合。

3 程序設計（Programming）

本設備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶控制程序的開發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標準的結(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）等五種語言進行混合編程，同時結(jié)合基于PLCopen庫運動控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來實現(xiàn)各種運動控制和基本程序控制。在進行伺服電機控制時，通過編程實現(xiàn)電機初始化、使能、耦合和驅(qū)動等。

程序代碼分為若干個Pous，分別進行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動和張力控制。為實現(xiàn)張力控制，特別編寫了張力控制功能塊，該功能塊主要動作為5軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測值和設定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實時的PID輸出，以該輸出與預設的偏置之和，作為張力軸與收放線軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線速度，達到張力控制的目的。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、工藝自動運行控制、排絲動作的數(shù)據(jù)計算等功能，程序的實時運行數(shù)據(jù)定時存入Novram存儲器中，以實現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運行時，可接原來的狀態(tài)繼續(xù)運行。

程序界面設計使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來實現(xiàn)，包含手動設置、自動運行、參數(shù)設置、工藝設置、報警狀態(tài)查詢等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進行配置，并定義相關(guān)的軸名稱和參數(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、運動軸與實際硬件模塊的端口進行映射，可在無實際硬件的情況下，對PLC程序進行模擬調(diào)試。對于運動軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進行監(jiān)視并對多個軸的實時線速度進行對比[3]。

本程序調(diào)試時因張力控制無法真實檢測，因此對張力使用隨機函數(shù)在一定范圍內(nèi)進行模擬，通過TCatScopeView程序觀察到各個軸的線速度擬合性非常理想，能夠滿足設備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過相關(guān)軟件的模擬運行，達到了我們的預期效果，能夠滿足開方機的運動控制和壓力控制要求。這種基于PC的開放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫和調(diào)試過程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫簡單、調(diào)試方便的特點，能夠滿足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設計人員的開發(fā)和調(diào)試時間。

參考文獻（References）

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

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

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

作者簡介：

趙加寶（1978-），男，學士，工程師.研究領域：光伏設備自動控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學士，高級工程師.研究領域：運動控制系統(tǒng).endprint

摘 要：對開方機的主要組成和功能進行了描述，介紹了倍福控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。針對開方機的具體控制要求，完成了控制系統(tǒng)的架構(gòu)配置、控制軟件框架設計、主要程序流程設計、軟件代碼的編寫和模擬調(diào)試。

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開放式；軟PLC

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

開方機是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過金屬絲的高速往復運動，把磨料帶入工件加工區(qū)域進行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時開成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開方機具有精密窄切縫、效率高、成本低、設備使用壽命長和環(huán)境污染小等特點。開方機的工作臺通過收、放線輪及導輪形成交叉線網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺上，加工時砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線網(wǎng)上，在工作臺下壓的過程中，鋼線攜帶砂漿高速運轉(zhuǎn)，達到切割硅錠的目的。

開方機的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時的可封閉加工室；繞線室為鋼線收放、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。

該設備的收、放線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)定程度和鋼線的扭曲斷線幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設計關(guān)系到整機的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開放式自動化控制系統(tǒng)作為本設備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務對模塊化控制系統(tǒng)進行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動化軟件，CX嵌入式PC成為一個功能強大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運動控制任務，根據(jù)所需的周期時間不同，可以控制多個伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個用單個硬件實現(xiàn)PLC、運動控制和可視化任務的控制器，在Windows CE平臺下，借助操作系統(tǒng)的實時能力，以高級語言編寫的用戶任務可以在TwinCAT運行的情況下進行實時處理。

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

該設備的控制對象主要為12個伺服軸（4個放線輪、2個張力調(diào)節(jié)軸、2個排線軸、2個繞線軸、2個主進給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護裝置等。

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

EtherCAT是德國倍福公司提出的開放式實時以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點，支持幾乎所有的拓撲結(jié)構(gòu)。它控制100個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開方機這種軸數(shù)多、實時性要求高的控制場合。

3 程序設計（Programming）

本設備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶控制程序的開發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標準的結(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）等五種語言進行混合編程，同時結(jié)合基于PLCopen庫運動控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來實現(xiàn)各種運動控制和基本程序控制。在進行伺服電機控制時，通過編程實現(xiàn)電機初始化、使能、耦合和驅(qū)動等。

程序代碼分為若干個Pous，分別進行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動和張力控制。為實現(xiàn)張力控制，特別編寫了張力控制功能塊，該功能塊主要動作為5軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測值和設定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實時的PID輸出，以該輸出與預設的偏置之和，作為張力軸與收放線軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線速度，達到張力控制的目的。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、工藝自動運行控制、排絲動作的數(shù)據(jù)計算等功能，程序的實時運行數(shù)據(jù)定時存入Novram存儲器中，以實現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運行時，可接原來的狀態(tài)繼續(xù)運行。

程序界面設計使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來實現(xiàn)，包含手動設置、自動運行、參數(shù)設置、工藝設置、報警狀態(tài)查詢等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進行配置，并定義相關(guān)的軸名稱和參數(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、運動軸與實際硬件模塊的端口進行映射，可在無實際硬件的情況下，對PLC程序進行模擬調(diào)試。對于運動軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進行監(jiān)視并對多個軸的實時線速度進行對比[3]。

本程序調(diào)試時因張力控制無法真實檢測，因此對張力使用隨機函數(shù)在一定范圍內(nèi)進行模擬，通過TCatScopeView程序觀察到各個軸的線速度擬合性非常理想，能夠滿足設備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過相關(guān)軟件的模擬運行，達到了我們的預期效果，能夠滿足開方機的運動控制和壓力控制要求。這種基于PC的開放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫和調(diào)試過程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫簡單、調(diào)試方便的特點，能夠滿足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設計人員的開發(fā)和調(diào)試時間。

參考文獻（References）

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

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

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

作者簡介：

趙加寶（1978-），男，學士，工程師.研究領域：光伏設備自動控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學士，高級工程師.研究領域：運動控制系統(tǒng).endprint

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

關(guān)鍵詞：基于PC；控制系統(tǒng)；開放式；軟PLC

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

開方機是晶體硅片加工環(huán)節(jié)中使用的一種重要設備，用于將從鑄錠爐中生產(chǎn)出的硅錠切割成硅棒。它是一種通過金屬絲的高速往復運動，把磨料帶入工件加工區(qū)域進行研磨，將晶體硅等硬脆材料一次同時開成方形柱。與刀鋸片、砂輪片等切割方式相比，開方機具有精密窄切縫、效率高、成本低、設備使用壽命長和環(huán)境污染小等特點。開方機的工作臺通過收、放線輪及導輪形成交叉線網(wǎng)回路，如圖1所示。待加工的硅錠置于剖方室的底部平臺上，加工時砂漿噴嘴噴出的砂漿覆蓋在線網(wǎng)上，在工作臺下壓的過程中，鋼線攜帶砂漿高速運轉(zhuǎn)，達到切割硅錠的目的。

開方機的主體結(jié)構(gòu)由剖方室、繞線室、冷卻系統(tǒng)、電控柜和操作臺五部分組成。剖方室為擺放硅錠和剖方時的可封閉加工室；繞線室為鋼線收放、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。

該設備的收、放線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)定程度和鋼線的扭曲斷線幾率。因此伺服控制系統(tǒng)的選型和設計關(guān)系到整機的性能和成敗，據(jù)此經(jīng)多方比較，我們最終采用了德國倍福公司的基于PC控制技術(shù)的開放式自動化控制系統(tǒng)作為本設備的控制系統(tǒng)。

倍福的CX系列嵌入式PC，將PC技術(shù)和I/O級模塊化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種可以安裝于DIN導軌的單元，結(jié)合了工業(yè)PC和硬件PLC環(huán)境，可以根據(jù)現(xiàn)有任務對模塊化控制系統(tǒng)進行配置[1]。結(jié)合TwinCAT自動化軟件，CX嵌入式PC成為一個功能強大的IEC61131-3PLC，它還可以操控運動控制任務，根據(jù)所需的周期時間不同，可以控制多個伺服軸。CX系列嵌入式PC因而成為一個用單個硬件實現(xiàn)PLC、運動控制和可視化任務的控制器，在Windows CE平臺下，借助操作系統(tǒng)的實時能力，以高級語言編寫的用戶任務可以在TwinCAT運行的情況下進行實時處理。

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

該設備的控制對象主要為12個伺服軸（4個放線輪、2個張力調(diào)節(jié)軸、2個排線軸、2個繞線軸、2個主進給軸）、張力、砂漿溫度、砂漿流量、砂漿抽送和保護裝置等。

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

EtherCAT是德國倍福公司提出的開放式實時以太網(wǎng)，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率的特點，支持幾乎所有的拓撲結(jié)構(gòu)。它控制100個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8個字節(jié)的伺服軸只需要100微秒，1000個I/O的刷新只需要30微秒，特別適用于開方機這種軸數(shù)多、實時性要求高的控制場合。

3 程序設計（Programming）

本設備采用倍福TwinCAT PLC Control軟件作為上層用戶控制程序的開發(fā)環(huán)境。采用基于IEC61131-3標準的結(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）等五種語言進行混合編程，同時結(jié)合基于PLCopen庫運動控制模塊（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能塊），來實現(xiàn)各種運動控制和基本程序控制。在進行伺服電機控制時，通過編程實現(xiàn)電機初始化、使能、耦合和驅(qū)動等。

程序代碼分為若干個Pous，分別進行伺服使能、數(shù)據(jù)初始化、耦合、驅(qū)動和張力控制。為實現(xiàn)張力控制，特別編寫了張力控制功能塊，該功能塊主要動作為5軸耦合和PID調(diào)節(jié)。將張力的檢測值和設定值輸入到TwinCAT自帶的PID功能模塊FB_BasicPID，并設置好相關(guān)的PID參數(shù)，得到實時的PID輸出，以該輸出與預設的偏置之和，作為張力軸與收放線軸的耦合比，以此調(diào)節(jié)相關(guān)軸的線速度，達到張力控制的目的。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、工藝自動運行控制、排絲動作的數(shù)據(jù)計算等功能，程序的實時運行數(shù)據(jù)定時存入Novram存儲器中，以實現(xiàn)突然掉電等意外情況發(fā)生后重新運行時，可接原來的狀態(tài)繼續(xù)運行。

程序界面設計使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能來實現(xiàn)，包含手動設置、自動運行、參數(shù)設置、工藝設置、報警狀態(tài)查詢等主要窗口。

4 模擬調(diào)試（Simulation）

在TwinCAT System Manager中將相關(guān)模塊進行配置，并定義相關(guān)的軸名稱和參數(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、運動軸與實際硬件模塊的端口進行映射，可在無實際硬件的情況下，對PLC程序進行模擬調(diào)試。對于運動軸的調(diào)試還可使用TCatScopeView程序進行監(jiān)視并對多個軸的實時線速度進行對比[3]。

本程序調(diào)試時因張力控制無法真實檢測，因此對張力使用隨機函數(shù)在一定范圍內(nèi)進行模擬，通過TCatScopeView程序觀察到各個軸的線速度擬合性非常理想，能夠滿足設備在此方面的要求。

5 結(jié)論（Conclusion）

該控制系統(tǒng)通過相關(guān)軟件的模擬運行，達到了我們的預期效果，能夠滿足開方機的運動控制和壓力控制要求。這種基于PC的開放式控制系統(tǒng)在硬件搭配、軟件編寫和調(diào)試過程中表現(xiàn)了易于硬件系統(tǒng)易于配置、軟件編寫簡單、調(diào)試方便的特點，能夠滿足中小型系統(tǒng)的控制要求，并大大減少設計人員的開發(fā)和調(diào)試時間。

參考文獻（References）

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

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

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

作者簡介：

趙加寶（1978-），男，學士，工程師.研究領域：光伏設備自動控制系統(tǒng).

張志偉（1976-），男，學士，高級工程師.研究領域：運動控制系統(tǒng).endprint