基于PC+PLC等離子熔射自動控制系統設計

　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在表面改性、功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應用[1-2]。為了保證熔射皮膜成形性與成形質量，必須在數字圖像處理、過程控制、人工智能等方法基礎上進行系統集成控制與工藝優化。當前國際上幾大熱噴涂設備和材料生產廠家，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+現場檢測+過程控制的等離子熔射系統。但是由于國際上相關熔射設備價格昂貴，不能引進到國內每一個加工車間或者科研院所，因此需要自主開發適用于特定工藝的熔射過程檢測與控制系統。目前國內已有基于單片機、微機、PLC等進行熔射控制系統開發的相關研究和報道[3]，然而如何集成PC機優勢以及基于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開發等離子熔射控制系統,采用開放式OPC協議實現二者之間通訊，并在PC中執行機器人路徑規劃、在線監控與熔射過程數據管理等。結合PLC現場控制穩定性和計算機過程運算與數據存儲能力，來保證熔射過程穩定性與過程控制實時性，進而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質量應用。

　　2 等離子熔射自動控制系統結構

　　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主要完成對實體進行三維造型、切片、最后生成機器人能夠識別的機器人路徑代碼，并根據現場反饋信息進行路徑調整，同時也對整個熔射過程進行監控，采樣主要工藝參數并保存到加工過程文檔中。PLC實現對數控旋轉工作臺和整個等離子弧發生子系統實時控制，對現場采樣數據進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

　　在等離子熔射過程中，環境惡劣，噪音等污染嚴重，干擾強，系統工作周期長。因此現場設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可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實現模擬量采樣與輸出和與上位機之間通訊。同時PLC系統還配備了西門子專用穩壓電源，保證了系統運行穩定性，避免與整個系統共用電源產生干擾。

　　由于PLC無法進行監控圖表顯示、圖像處理和復雜算法設計，操作人員也不能直觀了解現場狀況[4]。為了彌補以上不足，系統增加PC進行現場監控與數據運算，其主要任務是獲取機器人狀態信息和皮膜溫度采樣信息，根據設定工藝優化算法執行結果進行實時熔射路徑調節;對等離子射流檢測圖像進行處理，反饋調節信息至PLC實現對等離子射流發生裝置調控;同時能對系統故障做出及時報警，并能采取相應應急處理措施和加工現場斷點保護等。

　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、過程監控、工藝優化、故障信息處理與報表系統等。這些部分相互結合，實現對整個等離子熔射過程狀態和實時現場數據監控、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客戶端程序設計

　　OPC規范定義了一個工業標準接口，這個標準使得COM技術適用于過程控制和制造自動化等應用領域。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/服務器模式，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層開發中脫離出來[5-6]。

　　OPC客戶端軟件設計流程如圖2所示，其客戶端程序開發目的是基于OPC協議實現計算機與PLC之間通訊，通過PC機直接讀寫PLC中變量，提高數據訪問速度，保證熔射工藝優化算法的運算結果及時傳送到PLC現場控制設備中，實現整個系統實時控制，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客戶端程序設計流程圖