數控高速平面渦卷彈簧流水線(xiàn)的設計與實(shí)現

1 卷簧流水線(xiàn)控制系統的硬件框架

　　我們仔細分析了卷簧流水線(xiàn)的生產(chǎn)工藝控制要求，并兼顧現代工控技術(shù)的發(fā)展現狀，設計了如圖1所示的控制系統。

圖1 卷簧流水線(xiàn)控制系統示意圖

　　整個(gè)控制系統以一臺美國羅克韋爾自動(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(lái)的主推產(chǎn)品。Complactlogix控制器可同時(shí)取代傳統PLC和多回路控制器，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )集成伺服控制以實(shí)現真正意義上的一體化中小型控制系統（從機器控制到過(guò)程控制）。

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

　　1769ComplactI/O模塊的選配如下： 開(kāi)關(guān)量輸出選用1769-OB16/A16點(diǎn)數字輸出模塊； 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(kāi)放式底層現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，主要用于連接分布式工業(yè)設備（如傳感器、馬達驅動(dòng)）與上層設備（如PLC、計算機）。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(guò)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)設備輸入和輸出數據的協(xié)調工作。這些數據經(jīng)>0?*+3/B04(@$;<= 控制器來(lái)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 )設備和控制器接口的角色。

　　另外，通信模塊1770-kfd用于PC機和設備網(wǎng)之間的通信。用1769-SDN掃描DeviceNet網(wǎng)時(shí)需要通過(guò)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(guò)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包括伺服驅動(dòng)器和伺服電機。為提高整條流水線(xiàn)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：UItra3000系列全數字伺服驅動(dòng)器與羅克韋爾的機器控制系統集成一體，可采用0-10V電壓信號、脈沖J 方向信號、主從控制信號、以及DeviceNet接口控制UItra3000驅動(dòng)器，并支持高分辨率絕對式編碼器。更重要的是，UItra3000全數字伺服驅動(dòng)器具有索引（Indexing）功能，可將伺服系統的運行軌跡最多分為

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

　　人機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，其穩定性和可靠性大大超過(guò)了一般的計算機系統，在運行中即使突然斷電，GP本身也不會(huì )有任何損害，完全能夠適應工業(yè)現場(chǎng)惡劣的運行環(huán)境。在流水線(xiàn)實(shí)際運行時(shí)，GP觸摸屏通過(guò)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(wú)需編程即可與PLC、變頻器等通訊，目前應用最為廣泛。GP的開(kāi)發(fā)軟件里包括了目前工業(yè)界使用的大多數PLC的通訊協(xié)議。使用時(shí)只需指定連接的PLC類(lèi)型與PLC存貯器的地址即可。在畫(huà)面下載的同時(shí)會(huì )將與PLC通訊的協(xié)議下裝到GP中。GP運行時(shí)，根據部件、Tag（標簽）的設置，通過(guò)相應的通訊協(xié)議與PLC交換數據。

　　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)控制系統有較好的開(kāi)放性，這使系統易于維護，并方便系統功能修改、擴充，改進(jìn)和增加新技術(shù)。

2 網(wǎng)絡(luò )組態(tài)與軟件設計

　　本控制系統所使用到的軟件有：組態(tài)軟件RSLinx用于1770-kfd的網(wǎng)絡(luò )驅動(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。調試軟件Uitrawae：是Uitra300-DN數字伺服驅動(dòng)器的調試、診斷工具。專(zhuān)家自整定PID參數軟件RSTune用于固化爐溫控系統PID回路的參數自整定。The GP-PRO/PB III C-Pacge02：用于畫(huà)人機界面的監控軟件。

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

圖2 DeviceNet網(wǎng)絡(luò )的設備掃描示意圖

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

　　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)現固化爐和反繞設備這兩個(gè)較復雜部分的控制，需要編制兩個(gè)子程序，一個(gè)來(lái)實(shí)現固化爐位域溫變曲線(xiàn)的控制，另一個(gè)來(lái)實(shí)現反繞定位系統壓力控制算法的數學(xué)模型。RSLogix5000為我們提供了實(shí)現一些復雜算法的編程模式：功能塊圖FBD。使用這種編程模式，我們可以很方便地實(shí)現一些控制算法。這里簡(jiǎn)單介紹固化爐位域溫變曲線(xiàn)控制的PID算法實(shí)現。

　　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)現的關(guān)鍵是PID參數的整定。羅克韋爾公司的IJPU68 軟件是一個(gè)運行在視窗操作系統下的PID參數自整定軟件。使用RSTune可以幫助用戶(hù)優(yōu)化控制回路、減少調試時(shí)間。調試步驟如下： 實(shí)現RSTune與Complactlogix1769控制器之間的通信，并建立起控制回路。RSTune在在線(xiàn)條件下收集數據。RSTune根據上一步所收集到的數據來(lái)計算PID參數。使用RSTune統計分析、滯后檢查和控制回路分析等功能來(lái)優(yōu)化和改進(jìn)回路。下載有效的PID參數。本流水線(xiàn)的實(shí)驗結果表明：使用RSTune軟件調節出來(lái)的參數進(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)參數的修改以及默認參數的恢復由用戶(hù)通過(guò)操作GP觸摸屏實(shí)現。具體的修改過(guò)程在設置參數子程序中完成，這部分要求對用戶(hù)是透明的。

3 結束語(yǔ)

　　實(shí)際生產(chǎn)表明整條流水線(xiàn)性能穩定，功能齊全，操作方便；所生產(chǎn)出的卷簧質(zhì)量穩定，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。