數控高速平面渦卷彈簧流水線的設計與實現

1 卷簧流水線控制系統的硬件框架

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

圖1 卷簧流水線控制系統示意圖

　　整個控制系統以一臺美國羅克韋爾自動化公司的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的主推產品。Complactlogix控制器可同時取代傳統PLC和多回路控制器，并可通過網絡集成伺服控制以實現真正意義上的一體化中小型控制系統（從機器控制到過程控制）。

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

　　1769ComplactI/O模塊的選配如下： 開關量輸出選用1769-OB16/A16點數字輸出模塊； 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。

　　通訊網絡我們采用了DeviceNet網絡。DeviceNet是A-B公司推出的一種開放式底層現場總線協議，主要用于連接分布式工業設備（如傳感器、馬達驅動）與上層設備（如PLC、計算機）。DeviceNet通訊是基于CAN技術的通訊協議，因此具有極好兼容性和適用性。

　　如圖1所示，通過1769-SDN掃描模塊我們將Complactlogix1769控制器連入DeviceNet網絡。1769-SDN Sanner是整個網絡的管理者，完成DeviceNet網絡上各個設備輸入和輸出數據的協調工作。這些數據經>0?*+3/B04(@$;<= 控制器來完成一些變化的控制邏輯。在典型的網絡組態中，掃描模塊扮演了DeviceNet網絡設備和控制器接口的角色。

　　另外，通信模塊1770-kfd用于PC機和設備網之間的通信。用1769-SDN掃描DeviceNet網時需要通過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器和伺服電機。為提高整條流水線性能和可靠性，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本身也不會有任何損害，完全能夠適應工業現場惡劣的運行環境。在流水線實際運行時，GP觸摸屏通過串行通訊接口（RS-232）與Complactlogix1769控制器相連。通訊方式為直接存取通訊（Direct Access）方式，該方式無需編程即可與PLC、變頻器等通訊，目前應用最為廣泛。GP的開發軟件里包括了目前工業界使用的大多數PLC的通訊協議。使用時只需指定連接的PLC類型與PLC存貯器的地址即可。在畫面下載的同時會將與PLC通訊的協議下裝到GP中。GP運行時，根據部件、Tag（標簽）的設置，通過相應的通訊協議與PLC交換數據。

　　在圖1中， 還有支持DeviceNet網絡的傳感器和A-B、ABB等品牌的變頻器。整個控制系統有較好的開放性，這使系統易于維護，并方便系統功能修改、擴充，改進和增加新技術。

2 網絡組態與軟件設計

　　本控制系統所使用到的軟件有：組態軟件RSLinx用于1770-kfd的網絡驅動程序組態。DeviceNet網絡組態軟件RSNetWorx for DeviceNet 用于DeviceNet網絡的組態。編程軟件RSLinx 5000用于CompactLogix控制器的編程。調試軟件Uitrawae：是Uitra300-DN數字伺服驅動器的調試、診斷工具。專家自整定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：用于畫人機界面的監控軟件。

　　在調試整個系統之前，先需完成DeviceNet網絡的組態。RSNetWorx for DeviceNet 提供了DeviceNet網絡的設計、配置和管理工具。通過其簡單友好的界面，可迅速對網絡上的設備進行配置，既可在“離線”方式下通過“拖/放”設備圖標的操作方式，也可通過RSLinx在線掃描DeviceNet網絡的方式進行。本例在網絡上所掃描到的設備如圖" 所示。

圖2 DeviceNet網絡的設備掃描示意圖

　　在圖2所示的基礎之上，就可以對網上的各個設備進行配置了。DeviceNet網絡給我們帶來了很大方便，只要將工業設備正確連接到網絡上，就可以對網絡上的所有設備進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 從工作模式通過掃描模塊的I/O字的映射來實現。

　　在整個控制程序的編制中，主要使用的是梯形圖LD。值得提出的是：為實現固化爐和反繞設備這兩個較復雜部分的控制，需要編制兩個子程序，一個來實現固化爐位域溫變曲線的控制，另一個來實現反繞定位系統壓力控制算法的數學模型。RSLogix5000為我們提供了實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現一些控制算法。這里簡單介紹固化爐位域溫變曲線控制的PID算法實現。

　　PID控制算法子程序的的核心部分是一個PID算法指令。其實現的關鍵是PID參數的整定。羅克韋爾公司的IJPU68 軟件是一個運行在視窗操作系統下的PID參數自整定軟件。使用RSTune可以幫助用戶優化控制回路、減少調試時間。調試步驟如下： 實現RSTune與Complactlogix1769控制器之間的通信，并建立起控制回路。RSTune在在線條件下收集數據。RSTune根據上一步所收集到的數據來計算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優化和改進回路。下載有效的PID參數。本流水線的實驗結果表明：使用RSTune軟件調節出來的參數進行控制，固化爐各溫度段的溫度控制效果符合我們的工藝要求。整個控制系統的程序框圖如圖3所示。

圖1 主程序流程圖

　　實際生產時，卷簧生產參數的修改以及默認參數的恢復由用戶通過操作GP觸摸屏實現。具體的修改過程在設置參數子程序中完成，這部分要求對用戶是透明的。

3 結束語

　　實際生產表明整條流水線性能穩定，功能齊全，操作方便；所生產出的卷簧質量穩定，一致性好，加工精度高；卷簧的生產效率和生產速度大大提高，降低了原材料和能源損耗。