[摘 要] 以蔭罩刻蝕線的刻蝕腔體內的搖擺電機控制對象為對象，采用了B&R的PCC和ACOPOS伺服控制器，對同步電機進行運動控制，使搖擺腔體內電機能快速、穩(wěn)定地跟隨設定曲線，并按照設定曲線運動。PCC中PVI使PCC方便地與上位機進行通信；PowerLink使伺服間的通信實時快速；PCC的高級編程語言C使PCC完成傳統(tǒng)PLC不能完成的高級應用， 如曲線的生成；而虛軸概念的引入更是提高了電機運行的可靠性。
1 簡介
1．1 系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)為普通槽孔蔭罩刻蝕線，主要包括開卷部分、刻蝕腔體部分、第一水洗部分、電解剝離部分、最終水洗部分和最后的烘干及撕邊部分。 表面有光致抗刻蝕劑的成卷鋼帶，在開卷部分被拉開，并送入刻蝕腔體。腔體刻蝕液為FeCl3，與鋼帶的無光抗部分反應，形成槽孔。第一水洗的作用為?？涛g，將蔭罩表面的FeCl3均勻地完全去除。剝離部分用于剝離鋼帶表面的光抗，剝離液為NaOH。最終水洗除去鋼帶表面的NaOH和雜質。烘干部分烘干鋼帶表面的水分，防止生銹。之后鋼帶進入撕邊機，撕去蔭罩四周的廢邊?？涛g生成的工藝過程如圖1所示。
圖1 刻蝕生產線工藝過程
刻蝕腔體部分為整個系統(tǒng)的關鍵，其刻蝕的效果直接影響到產品的合格率。整個刻蝕過程有6個腔體，每個腔體中有上下兩對噴嘴，分別由兩臺電機控制，電機控制噴嘴來回擺動。因此整個刻蝕部分由12臺電機組成。由于電機不斷來回擺動，這里稱之為搖擺電機。
1．2 搖擺電機運動簡介
根據工藝要求電機必須按照一定軌跡運行，而且不同的電機運行軌跡有所區(qū)分。由于對運行曲線的高要求，搖擺電機的控制選用了B&R的PCC及ACOPOS伺服控制器。
在上位機，工作人員給定一條軌跡上的16個點，如圖2所示，其中橫軸為位置，縱軸為速度。12臺電機每臺都有一條設定的曲線。PCC除了完成對電機的起動、停止、運行等邏輯控制外，主要的功能就是控制電機按一定的軌跡運動，使得這個軌跡同時經過所設定的16個點，并且保證電機運行的平穩(wěn)。由于要求快速響應和高控制精度，搖擺部分使用同步伺服電機進行運動控制。之前使用東芝公司的PLC，有擺動不平滑的問題，因此改用B&R開發(fā)的高性能控制器PCC。PCC在控制器中使用嵌入式操作系統(tǒng)，且設備層網絡采用實時以太網，可以實現(xiàn)非常高的實時控制要求。
圖2 搖擺電機軌跡點設置
2 B&RPCC及ACOPOS伺服
2.1 B&RPCC硬件配置
搖擺部分采用了B&R2005，2005系列CPU是B&R第四代控制系統(tǒng)SG4，采用的是Intel處理器，包括了電源模塊、CPU模塊、數字輸入輸出模塊。其中CPU的PCI總線插槽中插入了Power—Link網絡適配器。若采用PowerLink串聯(lián)，最多只能串聯(lián)10臺伺服控制器，本系統(tǒng)采用Power—Link IF786及一個HUB將12臺電機分成兩條串聯(lián)支路進行實時控制。數字輸入模塊用于起動、停止、緊急停止、12臺電機的Readay、找原點信號輸入。數字輸出用于電機運行、電機故障、12臺電機尋找原點的狀態(tài)指示。
上位機與PCC可以通過RS232與以太網進行通信。RS232作為編程口。以太網作為實時通信口，用于數據的上傳與下載。將上位機設定的運動曲線實時傳給PCC，同時將實際運動位置、速度、電流及故障信息傳給上位機。
圖3給出了一臺電機的伺服控制器與其他硬件設備的連接圖。電機控制器采用了B&R的ACO—POS 1090伺服控制器。伺服控制器插入了Power•Link模塊ACll2，用于和前后兩臺伺服控制器相連；ACl22為旋轉編碼器模塊，用于電機的速度與位置檢測。ACOPOS 1090本身提供了溫度信號檢測(T+、T—)，抱閘信號輸出(B—、B+)和其他控制信號。在現(xiàn)場，同時安裝了三個光耦給定電機運行的正向極限位置、反向極限位置和原點位置。在運行前電機首先找到原點光耦所在位置定為0位，然后根據設定曲線運行。而正、反向極限光耦信號起到了保護作用，當光耦給出信號時，伺服將給出極限故障信息并且停止運行。
2．2 ACOP，OS伺服控制方式
ACOPOS的伺服控制如圖4所示，大致可以分為四個部分：初始值處理、位置控制、速度控制、實際值檢測。在初始處理時，根據給定的位置及最大允許速度和最大允許加速度，給出一個理想的定位過程，即得出加速、恒速、減速段，不同位置時的速度也相應得到。位置控制主要有比例調節(jié)、比例調節(jié)限制p_max、積分限制i_max和積分調節(jié)。比例調節(jié)后的值為k*△s，若k*△s>pmax，則v_p=p_max；若k*△ S<一p_max,則v_p=_p_max。同理i_max用于限制積分調節(jié)
值v i。速度調節(jié)為一般的PI調節(jié)得到控制電流值送入矢量控制器，對電機進行控制。而電機的實際位置通過編碼器得到。
圖4 伺服控制框圖
3 B&RPCC軟件系統(tǒng)
整個軟件系統(tǒng)可分為過程可視化接口(PVI)和Automation Studio。PVI用于與上位機的通信,AutomationStudio則用于PCC的邏輯控制與運動控制等的編程。
3．1 PVI通信
PVI是所有Windows應用程序訪問貝加萊工業(yè)控制器的統(tǒng)一接口。使用P~I，用戶在開發(fā)通信程序時不需要花大量時間考慮底層的通信過程，也不需要調用復雜而繁瑣的Winsock API函數，只需在邏輯結構上進行簡單的配置即可訪問PCC上的變量。PVI的最大特點就是能夠使應用程序直接操作PCC任務中的變量，因此必須給每一個過程變量在PVI Manager中的映射指定唯一的路徑。
PVI通信的核心任務是建立過程變量的映像，建立的結果是每個映像都和網絡中唯一的一個變量一一對應。這個變量可以是一個基本類型的數據，如整型變量，也可以是一個自定義類型的數據，如結構體變量。這個映像包含了從應用程序所在工作站到變量所在任務的路徑信息。如果把控制器和模塊也當作通信中對象的話，每個映像路徑包括的對象有：基本對象(Pvi)；線對象(Line)；站對象(Slation)；CPU對象(CPU)；模塊對象(Mod-ule)；任務對象(Task)和變量對象(Variable)。這個映射路徑由PVI Manager統(tǒng)一管理，每個對象包含對象名，對象描述和存取參數。對象名(包括路徑)是PVI中的名字。對象名由用戶任意確定，對象描述必須與PCC中待映射的變量名字一樣，PVI Manager依靠對象描述找到具體的過程變量,實現(xiàn)映象關系。存取參數包括數據類型說明、刷新時間、事件類型等。
在本系統(tǒng)中，伺服電機運行在16個位置的速度是確定的，位置和速度均可以在上位機上設置，然后發(fā)送至PCC。將這些數據封裝為一個結構體：
struct MotorCommSet{float Position[16]；//16個點的位置float Speed[16]；//16個點的速度int MotorNumber；//標示當前設置的是第幾臺電機
}；
3．2 AutomationStudio編程
AutomarionStudio為每個應用與程序提供了多種編程方法。包括：梯形圖LAD，指令表IL，結構文本ST，順序功能圖SFC，AB，ANSIC。其中ANSIC是使用于新一代Automation Studio的功能強大的高級編程語言。利用ANSIC編寫的語言可以實現(xiàn)更高級的功能。
在搖擺部分的電機控制中，利用了ANSIC來實現(xiàn)曲線生成的功能。
3．2．1對象建立
B&R的伺服運動控制采用了面向對象的控制方式，使用高級語言C針對一個伺服控制器創(chuàng)建一個運用對象ax obi后，可以利用針對此運動對象創(chuàng)建的指針*p ax dat，對電機完成不同的運動控制。
ncalloc(ncACPl0MAN十ncPOWERLINK-IF，ACPl0_NODE，ncAXIS，1，(UDINT)&ax_obj)；
每臺伺服控制器在硬件上都有一個節(jié)點設置部分，可以設置各自的節(jié)點號。在命令ncalloc中通過不同的ACPIO NODE可以為不同的伺服創(chuàng)建各自的運動對象。
3．2．2虛軸
在ACOPOS的伺服中，針對每一臺伺服而創(chuàng)建的運動對象，都有一個假想的軸，稱之為虛軸。這個虛軸跟實軸一樣一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡。另一方面也能作為主軸，讓其他軸參與同步。由于虛軸的引入，使得一個伺服也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關系，即電機運行時以自己的虛軸作為主軸，實軸跟隨虛軸同步。
這里伺服要完成曲線運動，在設定的點之間有一個加速度突變的過程，因此為了保持電機的平穩(wěn)運行，采用了虛軸運動控制。虛軸是一個理論上的軸，因此可以應用數學模型，設定虛軸的運行軌跡。在相鄰兩個點之間，虛軸為勻加速，運動到下一個點時以另外一個加速度進行勻加速運動。由于虛軸是假想的理論軸，加速的突變不會引起電機運行的不穩(wěn)定。因此這里將虛軸設為主軸。由于虛軸和實軸的同步關系為位置同步，而非速度同步，當設定虛軸與實軸為1:1同步時，虛軸為主軸按既定曲線運動，而實軸則不斷地跟隨虛軸的位置進行運動，因此對于實軸來說虛軸的速度或加速度的突變并不會對電機產生影響，保證了電機運行的穩(wěn)定性。
Automation Studio提供了專門的實軸與虛軸的關系設定文件，在虛軸進行運動之前，必須把這個文件下載到伺服，建立伺服的虛軸與實軸的關系之后，實軸才能跟隨虛軸運動。
實軸與虛軸的關系設定文件名為“autogear”。
在autogear中，將412號參數(虛軸的位置)賦給503號參數(主軸設定)，表明了將虛軸的位置作為主軸。
ncalloc(ncACPl0MAN十ncPOWERLINK-IF，ACPl0_NODE，ncAXIS，1，(UDINT)&ax_obj)；
每臺伺服控制器在硬件上都有一個節(jié)點設置部分，可以設置各自的節(jié)點號。在命令ncalloc中通過不同的ACPIO NODE可以為不同的伺服創(chuàng)建各自的運動對象。
3．2．2虛軸
在ACOPOS的伺服中，針對每一臺伺服而創(chuàng)建的運動對象，都有一個假想的軸，稱之為虛軸。這個虛軸跟實軸一樣一方面能夠作為從軸，跟著主軸完成同步軌跡。另一方面也能作為主軸，讓其他軸參與同步。由于虛軸的引入，使得一個伺服也能夠和自己的虛軸發(fā)生同步關系，即電機運行時以自己的虛軸作為主軸，實軸跟隨虛軸同步。
這里伺服要完成曲線運動，在設定的點之間有一個加速度突變的過程，因此為了保持電機的平穩(wěn)運行，采用了虛軸運動控制。虛軸是一個理論上的軸，因此可以應用數學模型，設定虛軸的運行軌跡。在相鄰兩個點之間，虛軸為勻加速，運動到下一個點時以另外一個加速度進行勻加速運動。由于虛軸是假想的理論軸，加速的突變不會引起電機運行的不穩(wěn)定。因此這里將虛軸設為主軸。由于虛軸和實軸的同步關系為位置同步，而非速度同步，當設定虛軸與實軸為1:1同步時，虛軸為主軸按既定曲線運動，而實軸則不斷地跟隨虛軸的位置進行運動，因此對于實軸來說虛軸的速度或加速度的突變并不會對電機產生影響，保證了電機運行的穩(wěn)定性。
Automation Studio提供了專門的實軸與虛軸的關系設定文件，在虛軸進行運動之前，必須把這個文件下載到伺服，建立伺服的虛軸與實軸的關系之后，實軸才能跟隨虛軸運動。
實軸與虛軸的關系設定文件名為“autogear”。
在autogear中，將412號參數(虛軸的位置)賦給503號參數(主軸設定)，表明了將虛軸的位置作為主軸。
’Unit=““
Remark=””/>
’ Name=“Cam automat：Mul—
tiplication factOr Ofslave axis”Value=“1000” Unit=““Re—
mark=””/>
將519號參數(主軸系數)和520號參數(從軸系數)值設為相同的大小，這里都設為1 000，表明了從軸與主軸以1 000：1 000進行位置同步。B&R為伺服參數的上傳與下載提供了專門的通道，稱之為SERVICE通道。通過SERVICE通道，既可以進行單個參數的傳輸，也可以進行參數塊的傳輸。將“autogear’作為一個參數塊，通過SERVICE通道下載到伺服后，虛軸與實軸的關系便建立了起來。
strcpy (&DatadOwnload•parameter．data_modul [0]，
“autogear")／／所要下載的文件名
p—ax—dat一> network．service．data—adr= (UDINT)
&DataDownload／／sevrvice通道
ncaction (ax —obj，ncACP— PAR+ ncSERVICE， nc•
DOWNLOAD)／虛軸、實軸設定下載
一旦主軸與從軸的關系建立起來之后，只要對虛軸參數進行操作，實軸就會跟隨虛軸位置進行1 ：1同步。而對于虛軸參數的操作同樣也可以通過SERVICE通道進行。
p — ax — dat 一 > network．service．request•par — id=
A-CPl0PAR—CMD—POS—MOVE—VAXl／／所要賦值的參
數
p—ax—dat一>network.service.data—adr=(UDINT)
&par—dat／／參數值
ncaction(ax—obj，ncSERVICE，ncSET)//參數設置
3．2．3程序設計
程序如圖5所示，主要分為兩塊：一塊為總的邏輯控制部分，由梯形圖完成；另一塊為運動控制部分，通過C語言完成。
找原點時，電機統(tǒng)一向正向運行，若收到原點信號就停下，定為。位；若收到正向極限信號就停下然后反方向運行，找到原點信號，定為0位。曲 線運動為一個子程序，點與點之間做勻加速運動， 通過位置的判斷，對虛軸進行加速度的切換。
4 設計結果
利用B&R的PCC的PVI完成了與上位機的通信。利用梯形圖進行邏輯控制啟動、停止、故障等。而高級語言C，則實現(xiàn)了曲線的運用。并且在曲線運動過程中，實時地將速度與位置信號傳給上位機，方便實時地觀測和調整曲線。
圖5 程序流程圖
目前，整條生產線已投入試生產，刻蝕效果良好。圖6為伺服電機實時運動曲線，伺服按正向運動找到原點后開始按到給定的點運動。在相鄰的兩個點之間采用了勻加速運動，按照位置進行點與點的切換，改變各個曲線段的加速度。在運行過程中上位機對電機運行的實際位置與速度進行隨機采樣，將采樣得到的點顯示在上位機界面上，經過一段時間后可以看到電機實際運行的軌跡。由圖可知，實際運行中，都經過設定的點。工藝要求的誤差為2mm，而實際設計得到的結果誤差只有0．5mm，性能大大提高。在高速運行時，如1min運行40個周期，電機仍然運行平穩(wěn)，而工藝上只要求15至30個周期。
圖6 伺服電機實際運用曲線
采用了B&R的PCC使通信、控制、運動變得更加方便、靈活、可靠。由于B&R的PVI功能，使通信更方便，成為一個單獨的任務。利用Power-Link實現(xiàn)了PCC與12臺伺服之間實時與快速的控制與傳輸。利用PCC的高級語言C，方便地實現(xiàn)了曲線的生成。而利用B&R特有的虛軸的概念，更使電機的運行平衡可靠。
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