數(shù)控高速平面渦卷彈簧流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 卷簧流水線控制系統(tǒng)的硬件框架

　　我們仔細(xì)分析了卷簧流水線的生產(chǎn)工藝控制要求，并兼顧現(xiàn)代工控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了如圖1所示的控制系統(tǒng)。

圖1 卷簧流水線控制系統(tǒng)示意圖

　　整個(gè)控制系統(tǒng)以一臺(tái)美國羅克韋爾自動(dòng)化公司的Complactlogix1769控制器為控制核心，該控制器是新一代:8T 品牌的緊湊型多功能控制器，為羅克韋爾公司近年來的主推產(chǎn)品。Complactlogix控制器可同時(shí)取代傳統(tǒng)PLC和多回路控制器，并可通過網(wǎng)絡(luò)集成伺服控制以實(shí)現(xiàn)真正意義上的一體化中小型控制系統(tǒng)（從機(jī)器控制到過程控制）。

　　Complactlogix1769控制器有四種不同的處理器型號(hào)：1769-L20、1769-L30、1769-L3XE、1769-L3XC。根據(jù)整個(gè)流水線的功能的需求我們采用1769-L30型處理器， 該處理器有256K用戶內(nèi)存容量，最多可支持16K個(gè)本地I/O模塊。

　　1769ComplactI/O模塊的選配如下： 開關(guān)量輸出選用1769-OB16/A16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊； 模擬量輸入選用1769-IF/A四通道差分式輸入模塊； 模擬量輸出模塊選用1769-OF2/A兩通道差分式輸出模塊。

　　通訊網(wǎng)絡(luò)我們采用了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。DeviceNet是A-B公司推出的一種開放式底層現(xiàn)場總線協(xié)議，主要用于連接分布式工業(yè)設(shè)備（如傳感器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)）與上層設(shè)備（如PLC、計(jì)算機(jī)）。DeviceNet通訊是基于CAN技術(shù)的通訊協(xié)議，因此具有極好兼容性和適用性。

　　如圖1所示，通過1769-SDN掃描模塊我們將Complactlogix1769控制器連入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。1769-SDN Sanner是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理者，完成DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)設(shè)備輸入和輸出數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)工作。這些數(shù)據(jù)經(jīng)>0?*+3/B04(@$;<= 控制器來完成一些變化的控制邏輯。在典型的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，掃描模塊扮演了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和控制器接口的角色。

　　另外，通信模塊1770-kfd用于PC機(jī)和設(shè)備網(wǎng)之間的通信。用1769-SDN掃描DeviceNet網(wǎng)時(shí)需要通過1770-KFD PC commmunication module完成通信。

　　1769ComplactI/O模塊可用作本地I/O站,也可以通過1769-AND適配器模塊組成分布式I/O站，如圖1所示。

　　反繞裝置所用的伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。為提高整條流水線性能和可靠性，我們選用了羅克韋爾公司的高性能伺服系統(tǒng)：UItra3000系列全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器與羅克韋爾的機(jī)器控制系統(tǒng)集成一體，可采用0-10V電壓信號(hào)、脈沖J 方向信號(hào)、主從控制信號(hào)、以及DeviceNet接口控制UItra3000驅(qū)動(dòng)器，并支持高分辨率絕對式編碼器。更重要的是，UItra3000全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器具有索引（Indexing）功能，可將伺服系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡最多分為

　　根據(jù)要求， 我們這里選用具有Indexing功能， 帶有DeviceNet接口的UItra300伺服驅(qū)動(dòng)器。

　　人機(jī)界面我們選用的是日本Digital公司Proface GP系列觸摸屏。GP觸摸屏本身就有CPU單元及自己的操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和可靠性大大超過了一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在運(yùn)行中即使突然斷電，GP本身也不會(huì)有任何損害，完全能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的運(yùn)行環(huán)境。在流水線實(shí)際運(yùn)行時(shí)，GP觸摸屏通過串行通訊接口（RS-232）與Complactlogix1769控制器相連。通訊方式為直接存取通訊（Direct Access）方式，該方式無需編程即可與PLC、變頻器等通訊，目前應(yīng)用最為廣泛。GP的開發(fā)軟件里包括了目前工業(yè)界使用的大多數(shù)PLC的通訊協(xié)議。使用時(shí)只需指定連接的PLC類型與PLC存貯器的地址即可。在畫面下載的同時(shí)會(huì)將與PLC通訊的協(xié)議下裝到GP中。GP運(yùn)行時(shí)，根據(jù)部件、Tag（標(biāo)簽）的設(shè)置，通過相應(yīng)的通訊協(xié)議與PLC交換數(shù)據(jù)。

　　在圖1中， 還有支持DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的傳感器和A-B、ABB等品牌的變頻器。整個(gè)控制系統(tǒng)有較好的開放性，這使系統(tǒng)易于維護(hù)，并方便系統(tǒng)功能修改、擴(kuò)充，改進(jìn)和增加新技術(shù)。

2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與軟件設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)所使用到的軟件有：組態(tài)軟件RSLinx用于1770-kfd的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序組態(tài)。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件RSNetWorx for DeviceNet 用于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。編程軟件RSLinx 5000用于CompactLogix控制器的編程。調(diào)試軟件Uitrawae：是Uitra300-DN數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試、診斷工具。專家自整定PID參數(shù)軟件RSTune用于固化爐溫控系統(tǒng)PID回路的參數(shù)自整定。The GP-PRO/PB III C-Pacge02：用于畫人機(jī)界面的監(jiān)控軟件。

　　在調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)之前，先需完成DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。RSNetWorx for DeviceNet 提供了DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、配置和管理工具。通過其簡單友好的界面，可迅速對網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行配置，既可在“離線”方式下通過“拖/放”設(shè)備圖標(biāo)的操作方式，也可通過RSLinx在線掃描DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行。本例在網(wǎng)絡(luò)上所掃描到的設(shè)備如圖" 所示。

圖2 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備掃描示意圖

　　在圖2所示的基礎(chǔ)之上，就可以對網(wǎng)上的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行配置了。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)給我們帶來了很大方便，只要將工業(yè)設(shè)備正確連接到網(wǎng)絡(luò)上，就可以對網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的上載和下載操作。我們這里采用主/從工作模式。掃描模塊為設(shè)備的“主”，設(shè)備上的設(shè)備作為“從”映射到“主”中。主X 從工作模式通過掃描模塊的I/O字的映射來實(shí)現(xiàn)。

　　在整個(gè)控制程序的編制中，主要使用的是梯形圖LD。值得提出的是：為實(shí)現(xiàn)固化爐和反繞設(shè)備這兩個(gè)較復(fù)雜部分的控制，需要編制兩個(gè)子程序，一個(gè)來實(shí)現(xiàn)固化爐位域溫變曲線的控制，另一個(gè)來實(shí)現(xiàn)反繞定位系統(tǒng)壓力控制算法的數(shù)學(xué)模型。RSLogix5000為我們提供了實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜算法的編程模式：功能塊圖FBD。使用這種編程模式，我們可以很方便地實(shí)現(xiàn)一些控制算法。這里簡單介紹固化爐位域溫變曲線控制的PID算法實(shí)現(xiàn)。

　　PID控制算法子程序的的核心部分是一個(gè)PID算法指令。其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是PID參數(shù)的整定。羅克韋爾公司的IJPU68 軟件是一個(gè)運(yùn)行在視窗操作系統(tǒng)下的PID參數(shù)自整定軟件。使用RSTune可以幫助用戶優(yōu)化控制回路、減少調(diào)試時(shí)間。調(diào)試步驟如下： 實(shí)現(xiàn)RSTune與Complactlogix1769控制器之間的通信，并建立起控制回路。RSTune在在線條件下收集數(shù)據(jù)。RSTune根據(jù)上一步所收集到的數(shù)據(jù)來計(jì)算PID參數(shù)。使用RSTune統(tǒng)計(jì)分析、滯后檢查和控制回路分析等功能來優(yōu)化和改進(jìn)回路。下載有效的PID參數(shù)。本流水線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用RSTune軟件調(diào)節(jié)出來的參數(shù)進(jìn)行控制，固化爐各溫度段的溫度控制效果符合我們的工藝要求。整個(gè)控制系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示。

圖1 主程序流程圖

　　實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，卷簧生產(chǎn)參數(shù)的修改以及默認(rèn)參數(shù)的恢復(fù)由用戶通過操作GP觸摸屏實(shí)現(xiàn)。具體的修改過程在設(shè)置參數(shù)子程序中完成，這部分要求對用戶是透明的。

3 結(jié)束語

　　實(shí)際生產(chǎn)表明整條流水線性能穩(wěn)定，功能齊全，操作方便；所生產(chǎn)出的卷簧質(zhì)量穩(wěn)定，一致性好，加工精度高；卷簧的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)速度大大提高，降低了原材料和能源損耗。