摘 要： 根據(jù)工業(yè)控制現(xiàn)場需要，提出了采用德國Beckhoff公司生產(chǎn)的嵌入式PC控制器及驅(qū)動模塊實現(xiàn)步進電機群控的設計方案。通過與PLC控制方案的對比，實踐表明，此控制系統(tǒng)具有硬件配置簡單、可靠性高、在線診斷維護更加方便的特點，對實現(xiàn)大量電機的控制有參考價值。
關(guān)鍵詞： 嵌入式PC； 可編程邏輯控制器； NC控制； 工業(yè)以太網(wǎng)
德國倍福(Beckhoff)公司作為專業(yè)的自動化設計和制造公司，生產(chǎn)一種基于工業(yè)PC機和PLC之間的嵌入式PC機。主要是針對需要帶有工業(yè)PC機特性和計算機的功能但又不打算購買整臺PC機的客戶而設計的。它很好地結(jié)合了工業(yè)PC機和硬件PLC的功能，并具有強大的運動控制功能和完善的人機界面（HMI），是一種導軌式的三位一體的多功能的控制器。由于它采用導軌式安裝、模塊化設計、多種現(xiàn)場總線通信方式以及多種功能模塊的搭配，使其在大量電機的控制系統(tǒng)應用中，有著PLC無法具備的許多優(yōu)勢，如連接線路少、占用空間小等，再加上電機專用控制模塊和其具備的運動控制功能，使得整個控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，運行可靠、高效[1]。
本文在仔細研究Beckhoff嵌入式PC機及相關(guān)模塊性能的基礎上，通過大量的實驗，提出并驗證了步進電機群控的設計方案。
1 控制系統(tǒng)硬件組成
1.1 控制系統(tǒng)概述
本控制系統(tǒng)作為一個分系統(tǒng)，受主控系統(tǒng)的指令調(diào)度，其控制對象為大量的步進電機。控制要求在指定時間段內(nèi)驅(qū)動若干電機將其不同的負載設備可靠地送到指定位置，完成不同的任務。由于整個系統(tǒng)龐大，電機數(shù)量眾多且分散，數(shù)據(jù)傳輸量巨大，要求該控制系統(tǒng)與主控系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)分層設計，使其具有極高的可靠性、開放性，并具有運行效率高維護方便的特點。
1.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲
整個控制系統(tǒng)分為6組，每組分為幾個電機數(shù)目不等的控制區(qū)域，圖1表明其中某一控制區(qū)域的網(wǎng)絡控制拓撲。控制系統(tǒng)采用FCS（Fieldbus Control System）控制架構(gòu)設計，控制器CX1020向下通過電機控制模塊KL2531/KL2541實現(xiàn)對底層電機的控制，向上則通過自身所帶的以太網(wǎng)模塊以及以太網(wǎng)交換機接入控制系統(tǒng)，現(xiàn)場控制中心通過控制服務器實現(xiàn)對被控設備的操作控制，完成系統(tǒng)內(nèi)設備調(diào)度管理,通過網(wǎng)絡按照控制流程對設備進行控制。
1.2.1 系統(tǒng)硬件配置
系統(tǒng)硬件配置如下：
(1)CPU(CX1020):內(nèi)部采用時鐘頻率為1 GHz的奔騰MMX處理器,內(nèi)存可以擴展到4 GB閃存/1 024 MB RAM，最多可實現(xiàn)255個總線端子連接到CX1020控制器上，再加上Microsoft Windows CE.NET或Microsoft嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)便成為功能強大的PLC和運動控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)線插在CPU模塊的以太網(wǎng)接口上，可實現(xiàn)與主控制系統(tǒng)的連接。也可通過以太網(wǎng)和計算機連接實現(xiàn)程序的下載和硬件組態(tài)。
(2)電機驅(qū)動模塊(KL2531/KL2541)： KL2531最大驅(qū)動電流為1.5 A，KL2541最大驅(qū)動電流為5 A。兩者都通過背板總線K-Bus、EtherCAT網(wǎng)絡接口模塊與控制器相連接。可通過程序設定實現(xiàn)步進電機的不同細分，通過K-Bus總線通訊,其配置、診斷和維護非常方便,包括檢測軟件配置錯誤、模塊溫度報警、欠壓及電機A、B相斷路、短路等。實現(xiàn)對電機運行過程中的故障診斷?？商岣呦到y(tǒng)運行的可靠性以及錯誤排查的方便性。
(3)數(shù)字量輸入模塊(BL1002/BL1408)：BL1002和BL1408分別為2路和8路的數(shù)字量輸入模塊，主要用來配合光電開關(guān)或微動開關(guān)信號的檢測，判斷設備是否已送入指定位置。
(4)終端端子模塊(BK1009)：放置在每路模塊的終端，主要起電阻匹配的作用。
(5)EtherCAT網(wǎng)絡模塊(BK1120/EK1110)：符合IEC規(guī)范——IEC/PAS 62407的超高速工業(yè)以太網(wǎng)模塊，主要用于控制器的擴展連接。
(6)繼電器模塊(KL2622)：主要用于控制系統(tǒng)的通斷電控制,使得系統(tǒng)在工作時加電，停止時斷電，最大限度地減小系統(tǒng)的功率損耗。
(7)電源模塊(CX1100)：為CPU及其他模塊提供24 V工作電源。
1.2.2 方案設計
采用1臺CX1020 CPU帶若干個電機控制模塊的控制方案，每個CPU模塊最多可帶255個終端模塊，滿足控制區(qū)域內(nèi)所需最多控制器的需求。為了更加合理化布局，采用BK1120/EK1110模塊將控制系統(tǒng)分為3排，控制器與上層分系統(tǒng)控制臺或總控管理/束組控制臺之間通過工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)相連接，控制系統(tǒng)塊與塊之間則通過超高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT進行連接，而每一控制模塊內(nèi)部每個電機驅(qū)動端子模塊之間則通過自身背板總線上的K-Bus總線進行連接。由于EtherCAT網(wǎng)絡通信的高速性，保證了從控制臺下達的指令被控制系統(tǒng)接收后，運動控制命令能迅速下達到每個電機驅(qū)動模塊，充分確保實時性的要求。電機收到運動指令后，按照要求的方向運行至指定的位置。在指定位置的設備上安裝光電開關(guān)或微動開關(guān),信號將導入輸入模塊BL1002/BL1408用以確定最終位置是否準確,以及是否需要修正。
2 控制系統(tǒng)軟件設計
2.1 系統(tǒng)軟件配置
系統(tǒng)以Beckhoff公司的TwinCAT為軟件開發(fā)測試平臺。軟件編程過程分為控制用軟件的編寫過程和硬件組態(tài)過程。首先通過PLC control完成控制程序的編寫，然后再將程序加載到SystemManager中的PLC Configuration,完成程序中的參數(shù)和硬件端子的連接,再通過以太網(wǎng)(網(wǎng)絡或者傳輸電纜)與CX1020相連，將硬件組態(tài)和控制程序分別下載到目標設備即可完成下位機程序的編寫過程。由于軟件的開放性，在分系統(tǒng)控制臺或總控管理/束組控制臺可通過Visual C++語言或其他高級語言編寫的上位機程序調(diào)用TwinCAT中的DLL實現(xiàn)與上位機的控制對接。TwinCAT提供的編程語言包含IEC61131-3的全部語言：IL、FBD、LD、SFC和ST。用戶可以通過選用以上語言的任一種進行PLC編程。此外，用戶還可以通過TwinCAT所提供的運動控制(MC)程序塊進行編程，大大簡化了編程難度，提高了控制的可靠性。TwinCAT也有在運動控制方面的擴展功能，例如,實現(xiàn)控制電子齒輪、飛行前饋、凸輪碟等較為復雜的運動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用TwinCAT NC進行編程。
2.2 通信及組態(tài)連接（編程建立）
本控制方案選用TwinCAT NC軸下的MC(Motion Control)功能塊進行編程。只需要在程序中調(diào)用其中的各個功能塊，例如軸使能、運動或者停止模塊，類似調(diào)用普通PLC程序中功能塊一樣，只需要對相應功能塊的輸入輸出變量進行不同的賦值，便可實現(xiàn)相應的控制。變量可根據(jù)其所對應的類型指定地址，也可由程序自動分配其地址空間。
軟件編程結(jié)束后，便可進行硬件的組態(tài)和連接,其過程如下：
(1)通過網(wǎng)線將控制器與計算機相連接，第1次連接后應進行硬件掃描，確保系統(tǒng)上所有的硬件模塊連接正確。
(2)在NC Configuration中添加要控制軸的個數(shù),即所需要控制的電機的數(shù)目，然后將所建立的軸與硬件掃描后使該軸的控制器相對應，添加建立所需要的軸和軸與控制器對應后的結(jié)果如圖2所示。
(3)在PLC Configuration 中導入程序，實現(xiàn)程序中的軸控制參數(shù)與硬件控制器的對應，對應結(jié)果如圖3所示。
(4)將硬件配置和編好的程序下載到目標控制器，將系統(tǒng)設置為運行模式，然后通過改變各個MC模塊的參數(shù)，便可實現(xiàn)對電機的控制。
步進電機拖動設備的運動距離主要由電機的步距角、細分數(shù)及傳遞絲杠的螺距參數(shù)決定，通過這些參數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)動運行圈數(shù)和設備運動距離的系數(shù)，然后將其填入Scaling Factor，便可在程序中直接指定設備的運行距離，由程序計算出電機執(zhí)行所需的脈沖數(shù)。Scaling Factor設置如圖4所示。此外，為了保證步進電機運行的平穩(wěn)性要求，啟動和加速時間、速度曲線也可設定載入控制器，以減少軟件編程，提高系統(tǒng)可靠性。加減速參數(shù)設置如圖5所示。
如若對步進電機的細分有明確要求，可通過編程改變控制器的參數(shù)或者通過Beckhoff公司提供的KS2000軟件對控制進行設置，實現(xiàn)電機的不同細分要求[2-3]。
通過一系列實驗表明，本控制方案完全可以滿足系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標，與使用PLC的控制方案和其他控制方式的多電機控制方案相比，具有以下特點：(1)采用高性能CPU及EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信等最新技術(shù)，可滿足高速、高精度要求;(2)系統(tǒng)開放性好，易于擴展；(3)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)控制方案相比較，控制器集成Ethernet接口和EtherCAT接口，輸出模塊直接驅(qū)動步進電機，大幅縮減了中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性高，電柜安裝尺寸大幅縮小，施工及維護簡單、方便；(4)所有產(chǎn)品均以總線連接，配置及診斷功能方便、強大；(5)控制器預裝Windows操作系統(tǒng)，可充分利用Windows操作系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢,如在控制器中直接使用VB、VC面向?qū)ο缶幊陶Z言,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及Windows操作系統(tǒng)在組網(wǎng)上的優(yōu)勢、各操作站之間的數(shù)據(jù)交換。
參考文獻
[1] Beckhoff. New automation technology. 2007.
[2] Beckhoff. TwinCAT QuickStart.2007.
[3] Beckhoff. TwinCAT PLC manual. 2006.