基于PC+PLC等離子熔射自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　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(fù)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(yīng)用[1-2]。為了保證熔射皮膜成形性與成形質(zhì)量，必須在數(shù)字圖像處理、過程控制、人工智能等方法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成控制與工藝優(yōu)化。當(dāng)前國際上幾大熱噴涂設(shè)備和材料生產(chǎn)廠家，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(xiàn)場檢測+過程控制的等離子熔射系統(tǒng)。但是由于國際上相關(guān)熔射設(shè)備價(jià)格昂貴，不能引進(jìn)到國內(nèi)每一個(gè)加工車間或者科研院所，因此需要自主開發(fā)適用于特定工藝的熔射過程檢測與控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)已有基于單片機(jī)、微機(jī)、PLC等進(jìn)行熔射控制系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)研究和報(bào)道[3]，然而如何集成PC機(jī)優(yōu)勢以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍需更加深入的研究。

　　本文基于PC+PLC開發(fā)等離子熔射控制系統(tǒng),采用開放式OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)二者之間通訊，并在PC中執(zhí)行機(jī)器人路徑規(guī)劃、在線監(jiān)控與熔射過程數(shù)據(jù)管理等。結(jié)合PLC現(xiàn)場控制穩(wěn)定性和計(jì)算機(jī)過程運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲能力，來保證熔射過程穩(wěn)定性與過程控制實(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(yīng)用。

　　2 等離子熔射自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 系統(tǒng)組成和工作原理

　　基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)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(jī)器人能夠識別的機(jī)器人路徑代碼，并根據(jù)現(xiàn)場反饋信息進(jìn)行路徑調(diào)整，同時(shí)也對整個(gè)熔射過程進(jìn)行監(jiān)控，采樣主要工藝參數(shù)并保存到加工過程文檔中。PLC實(shí)現(xiàn)對數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺和整個(gè)等離子弧發(fā)生子系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，對現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后傳送到上位機(jī)PC中。

圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理圖

　　2.2 PC與PLC功能分配

　　在等離子熔射過程中，環(huán)境惡劣，噪音等污染嚴(yán)重，干擾強(qiáng)，系統(tǒng)工作周期長。因此現(xiàn)場設(shè)備控制核心采用西門子S7-300型PLC，充分利用該型PLC可靠性和良好的抗干擾能力來保證系統(tǒng)可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實(shí)現(xiàn)模擬量采樣與輸出和與上位機(jī)之間通訊。同時(shí)PLC系統(tǒng)還配備了西門子專用穩(wěn)壓電源，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免與整個(gè)系統(tǒng)共用電源產(chǎn)生干擾。

　　由于PLC無法進(jìn)行監(jiān)控圖表顯示、圖像處理和復(fù)雜算法設(shè)計(jì)，操作人員也不能直觀了解現(xiàn)場狀況[4]。為了彌補(bǔ)以上不足，系統(tǒng)增加PC進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)據(jù)運(yùn)算，其主要任務(wù)是獲取機(jī)器人狀態(tài)信息和皮膜溫度采樣信息，根據(jù)設(shè)定工藝優(yōu)化算法執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)熔射路徑調(diào)節(jié);對等離子射流檢測圖像進(jìn)行處理，反饋調(diào)節(jié)信息至PLC實(shí)現(xiàn)對等離子射流發(fā)生裝置調(diào)控;同時(shí)能對系統(tǒng)故障做出及時(shí)報(bào)警，并能采取相應(yīng)應(yīng)急處理措施和加工現(xiàn)場斷點(diǎn)保護(hù)等。

　3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 控制軟件設(shè)計(jì)

　　控制軟件系統(tǒng)主要功能包括：參數(shù)設(shè)定、過程監(jiān)控、工藝優(yōu)化、故障信息處理與報(bào)表系統(tǒng)等。這些部分相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)等離子熔射過程狀態(tài)和實(shí)時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)故障報(bào)警和相應(yīng)處理、熔射主要工藝參數(shù)記錄和報(bào)表打印輸出功能等。

　　3.2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì)

　　OPC規(guī)范定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得COM技術(shù)適用于過程控制和制造自動化等應(yīng)用領(lǐng)域。OPC是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OLE/COM是一種客戶/服務(wù)器模式，具有語言無關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層開發(fā)中脫離出來[5-6]。

　　OPC客戶端軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其客戶端程序開發(fā)目的是基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間通訊，通過PC機(jī)直接讀寫PLC中變量，提高數(shù)據(jù)訪問速度，保證熔射工藝優(yōu)化算法的運(yùn)算結(jié)果及時(shí)傳送到PLC現(xiàn)場控制設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，從而能夠充分地利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和豐富的軟件資源。

圖2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì)流程圖 

　　3.3 PLC運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

　　等離子熔射系統(tǒng)由西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場設(shè)備控制核心，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備控制，整個(gè)工藝過程動作控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣。PLC內(nèi)部程序分為手動控制和自動運(yùn)行兩個(gè)部分，可分別響應(yīng)控制面板上按鈕動作和上位機(jī)發(fā)來的控制指令。

　　PLC程序采用Step7進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要過程包括：首先在Step7中建立一個(gè)新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根據(jù)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(nèi)設(shè)計(jì)的所有的數(shù)字量、模擬量和數(shù)據(jù)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Spray的OPC服務(wù)器，這樣就可以通過OPC客戶端程序訪問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(yùn)行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模塊包括系統(tǒng)主控模塊OB1，負(fù)責(zé)調(diào)用其他功能塊等。然后分別設(shè)計(jì)針對送粉器控制、工作轉(zhuǎn)臺控制、機(jī)器人故障處理、系統(tǒng)故障處理等功能塊，供主控塊調(diào)用。為了確保PLC程序安全執(zhí)行，必須增加對象塊OB80、OB82、OB85分別實(shí)現(xiàn)對模板診斷錯(cuò)誤和超時(shí)錯(cuò)誤處理，OB121和OB122響應(yīng)同步錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)過程中可以按照變量分類或者針對某一功能塊設(shè)計(jì)專用數(shù)據(jù)塊，將控制系統(tǒng)中的變量統(tǒng)一分組管理。

　4 結(jié)束語

　　本文開發(fā)了一套基于PC+PLC等離子熔射自動控制系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，能夠適應(yīng)等離子熔射工藝需求，為該工藝由技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力奠定了一定基礎(chǔ)。同時(shí)PC作為上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面與有效的系統(tǒng)監(jiān)控和管理，PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠現(xiàn)場控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。該控制系統(tǒng)可以方便地與機(jī)器人、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者生產(chǎn)線等配套組成等離子熔射系統(tǒng)。

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