基于PC+PLC等離子熔射自動(dòng)控制系統

　　1 引言

　　等離子熔射由于其溫度高且能量集中，能夠熔射金屬、陶瓷或復合材料的特點(diǎn)在表面改性、功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應用。為了保證熔射皮膜成形性與成形質(zhì)量，必須在數字圖像處理、過(guò)程控制、人工智能等方法基礎上進(jìn)行系統集成控制與工藝優(yōu)化。當前國際上幾大熱噴涂設備和材料生產(chǎn)廠(chǎng)家，如英國Metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美國Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+現場(chǎng)檢測+過(guò)程控制的等離子熔射系統。但是由于國際上相關(guān)熔射設備價(jià)格昂貴，不能引進(jìn)到國內每一個(gè)加工車(chē)間或者科研院所，因此需要自主開(kāi)發(fā)適用于特定工藝的熔射過(guò)程檢測與控制系統。目前國內已有基于單片機、微機、PLC等進(jìn)行熔射控制系統開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究和報道，然而如何集成PC機優(yōu)勢以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統設計仍需更加深入的研究。

　　本文基于PC+PLC開(kāi)發(fā)等離子熔射控制系統,采用開(kāi)放式OPC協(xié)議實(shí)現二者之間通訊，并在PC中執行機器人路徑規劃、在線(xiàn)監控與熔射過(guò)程數據管理等。結合PLC現場(chǎng)控制穩定性和計算機過(guò)程運算與數據存儲能力，來(lái)保證熔射過(guò)程穩定性與過(guò)程控制實(shí)時(shí)性，進(jìn)而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質(zhì)量應用。

　　2 等離子熔射自動(dòng)控制系統結構

　　2.1 系統組成和工作原理

　　基于PC+PLC等離子熔射控制系統組成原理如圖1所示。PC主要完成對實(shí)體進(jìn)行三維造型、切片、最后生成機器人能夠識別的機器人路徑代碼，并根據現場(chǎng)反饋信息進(jìn)行路徑調整，同時(shí)也對整個(gè)熔射過(guò)程進(jìn)行監控，采樣主要工藝參數并保存到加工過(guò)程文檔中。PLC實(shí)現對數控旋轉工作臺和整個(gè)等離子弧發(fā)生子系統實(shí)時(shí)控制，對現場(chǎng)采樣數據進(jìn)行初步處理后傳送到上位機PC中。

　　圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統組成原理圖

　　2.2 PC與PLC功能分配

　　在等離子熔射過(guò)程中，環(huán)境惡劣，噪音等污染嚴重，干擾強，系統工作周期長(cháng)。因此現場(chǎng)設備控制核心采用西門(mén)子S7-300型PLC，充分利用該型PLC可靠性和良好的抗干擾能力來(lái)保證系統可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實(shí)現模擬量采樣與輸出和與上位機之間通訊。同時(shí)PLC系統還配備了西門(mén)子專(zhuān)用穩壓電源，保證了系統運行穩定性，避免與整個(gè)系統共用電源產(chǎn)生干擾。

　　由于PLC無(wú)法進(jìn)行監控圖表顯示、圖像處理和復雜算法設計，操作人員也不能直觀(guān)了解現場(chǎng)狀況。為了彌補以上不足，系統增加PC進(jìn)行現場(chǎng)監控與數據運算，其主要任務(wù)是獲取機器人狀態(tài)信息和皮膜溫度采樣信息，根據設定工藝優(yōu)化算法執行結果進(jìn)行實(shí)時(shí)熔射路徑調節;對等離子射流檢測圖像進(jìn)行處理，反饋調節信息至PLC實(shí)現對等離子射流發(fā)生裝置調控;同時(shí)能對系統故障做出及時(shí)報警，并能采取相應應急處理措施和加工現場(chǎng)斷點(diǎn)保護等。

　　3 控制系統軟件設計

　　3.1 控制軟件設計

　　控制軟件系統主要功能包括：參數設定、過(guò)程監控、工藝優(yōu)化、故障信息處理與報表系統等。這些部分相互結合，實(shí)現對整個(gè)等離子熔射過(guò)程狀態(tài)和實(shí)時(shí)現場(chǎng)數據監控、系統故障報警和相應處理、熔射主要工藝參數記錄和報表打印輸出功能等。

　　3.2 OPC客戶(hù)端程序設計

　　OPC規范定義了一個(gè)工業(yè)標準接口，這個(gè)標準使得COM技術(shù)適用于過(guò)程控制和制造自動(dòng)化等應用領(lǐng)域。OPC是以OLE/COM機制作為應用程序的通訊標準。OLE/COM是一種客戶(hù)/服務(wù)器模式，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規范了接口函數，不管現場(chǎng)設備以何種形式存在，客戶(hù)都以統一的方式去訪(fǎng)問(wèn)，從而保證軟件對客戶(hù)的透明性，使得用戶(hù)完全從低層開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。

　　OPC客戶(hù)端軟件設計流程如圖2所示，其客戶(hù)端程序開(kāi)發(fā)目的是基于OPC協(xié)議實(shí)現計算機與PLC之間通訊，通過(guò)PC機直接讀寫(xiě)PLC中變量，提高數據訪(fǎng)問(wèn)速度，保證熔射工藝優(yōu)化算法的運算結果及時(shí)傳送到PLC現場(chǎng)控制設備中，實(shí)現整個(gè)系統實(shí)時(shí)控制，從而能夠充分地利用計算機數據處理能力和豐富的軟件資源。

　　圖2 OPC客戶(hù)端程序設計流程圖

　　3.3 PLC運行程序設計

　　等離子熔射系統由西門(mén)子S7-300型PLC作為現場(chǎng)設備控制核心，實(shí)現對現場(chǎng)設備控制，整個(gè)工藝過(guò)程動(dòng)作控制和現場(chǎng)數據采樣。PLC內部程序分為手動(dòng)控制和自動(dòng)運行兩個(gè)部分，可分別響應控制面板上按鈕動(dòng)作和上位機發(fā)來(lái)的控制指令。

　　PLC程序采用Step7進(jìn)行設計，主要過(guò)程包括：首先在Step7中建立一個(gè)新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根據PLC硬件配置及模板物理安裝位置進(jìn)行硬件組態(tài)。其次插入Simatic PC Station，在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI網(wǎng)絡(luò )建立PC Station與Simatic 300 Station之間網(wǎng)絡(luò )連接。MPI網(wǎng)絡(luò )建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU單元內設計的所有的數字量、模擬量和數據塊等各種變量?；贛PI方式進(jìn)行組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò )連接圖如圖3所示。最后基于SimaticNet軟件建立名稱(chēng)Spray的OPC服務(wù)器，這樣就可以通過(guò)OPC客戶(hù)端程序訪(fǎng)問(wèn)PLC中變量。

　　圖3 基于MPI方式組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )連接圖

　　PLC中運行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模塊包括系統主控模塊OB1，負責調用其他功能塊等。然后分別設計針對送粉器控制、工作轉臺控制、機器人故障處理、系統故障處理等功能塊，供主控塊調用。為了確保PLC程序安全執行，必須增加對象塊OB80、OB82、OB85分別實(shí)現對模板診斷錯誤和超時(shí)錯誤處理，OB121和OB122響應同步錯誤。設計過(guò)程中可以按照變量分類(lèi)或者針對某一功能塊設計專(zhuān)用數據塊，將控制系統中的變量統一分組管理。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文開(kāi)發(fā)了一套基于PC+PLC等離子熔射自動(dòng)控制系統。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，系統具有良好的抗干擾能力，能夠適應等離子熔射工藝需求，為該工藝由技術(shù)轉化為生產(chǎn)力奠定了一定基礎。同時(shí)PC作為上位機提供了良好的人機界面與有效的系統監控和管理，PLC作為下位機執行可靠現場(chǎng)控制，保證了系統運行穩定性。該控制系統可以方便地與機器人、其他執行機構或者生產(chǎn)線(xiàn)等配套組成等離子熔射系統。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文結合PC+PLC進(jìn)行等離子熔射控制系統設計，集成了PLC在惡劣的熔射環(huán)境下性能穩定的特點(diǎn)和PC能夠進(jìn)行圖像處理與復雜算法運算的優(yōu)勢，基于OPC協(xié)議實(shí)現PC與PLC之間的通訊，保證了過(guò)程控制中多變量信息采集、傳輸和處理的實(shí)時(shí)性。該自動(dòng)控制系統為提高等離子熔射皮膜成形性和成形質(zhì)量奠定了基礎。