李飛江，李翔龍

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引言

隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)中的自動化程度要求越來越高，運動控制器的發(fā)展得到了越來越廣泛的重視。如今，國內(nèi)外的運動控制器種類已是多種多樣。雖然運動控制器的多樣化給用戶帶來了一定的好處，方便用戶在構(gòu)建運動控制系統(tǒng)時，可以選擇合適的控制器。然而長期以來，運動控制市場缺乏統(tǒng)一的編程標(biāo)準(zhǔn)[1]，各個廠商的提供的控制器編程語言大多基于類Basic語言、C語言等高級編程語言，也有部分廠商采用G代碼作為編程語言[2]。這些復(fù)雜的編程語言一方面限制了運動控制器的通用性，另一方面提高了對編程人員的要求，大多程序的開發(fā)只能由高水平的編程人員才能完成，嚴(yán)重影響了程序的開發(fā)效率。本系統(tǒng)以IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)定義的5種PLC編程語言中為基礎(chǔ)[3-4]，采用符合該標(biāo)準(zhǔn)的PLCopen功能塊，成功實現(xiàn)了運動控制器的圖形化編程,大大降低了程序的開發(fā)效率。即使在加工需求易變和專用運動控制行業(yè)中，用戶只需要學(xué)習(xí)簡單的PLC編程，便能對控制系統(tǒng)的程序進行自主開發(fā)。

文獻[1]采用PLCopen功能塊，提出一種圖形化編程的運動控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)是基于beremiz開源開發(fā)平臺實現(xiàn)的，導(dǎo)致其存在操作復(fù)雜，與window系統(tǒng)存在不兼容等問題。同時該文獻最終只驗證了單軸功能塊的可行性，并沒有對多軸功能塊進行研究。本文使用德國KW-Software公司開發(fā)的符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的MLUTIPROG軟件作為控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，該軟件使用方便[5-7]，配合自行研發(fā)的“Assistnt”軟件，成功實現(xiàn)PLCopen規(guī)范中的多軸功能塊。最后利用該控制器完成了對貼標(biāo)機的運動控制，證明了該控制器具有極大的市場應(yīng)用空間，值得推廣。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

整個控制系統(tǒng)由人機界面交互層、應(yīng)用指令層、運動控制層、設(shè)備驅(qū)動層4大部分組成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成

人機界面交互層包括MLUTIPROG軟件和自主研發(fā)的Assistant軟件，其中MLUTIPROG用來調(diào)用PLCopen標(biāo)準(zhǔn)運動功能塊，Assistant則用來為控制器連接的電機設(shè)置軸號、軸組號等參數(shù)。二者相互配合才能實現(xiàn)多軸控制和多軸功能塊的功能。應(yīng)用指令層包含了所有PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的單軸和多軸功能塊，每個功能塊根據(jù)功能的不同，有的用來實現(xiàn)電機的運動控制(MC_Home)，有的用來設(shè)置和查詢電機的狀態(tài)(MC_ReadActualPosition)。運動控制層用來處理運動相關(guān)的參數(shù)，如：位移、速度加速度等。通過內(nèi)部算法，實現(xiàn)電機的S型和T型升降速，防止電機速度出現(xiàn)大的波動和位置出現(xiàn)偏差，保證電機運動的精確性。同時運動控制層還根據(jù)所調(diào)用運動功能塊的不同，自動切換電機工作于位移模式、速度模式或周期同步模式。設(shè)備驅(qū)動層用來接收從運動控制層傳遞下來的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)映射至不同的控制器硬件設(shè)備及現(xiàn)場總線設(shè)備中。4個部分協(xié)調(diào)工作，最終實現(xiàn)通過上層調(diào)用的圖形化指令就能完成對電機的控制。

2 PLCopenb標(biāo)準(zhǔn)功能塊的開發(fā)

2.1 PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊的模型

PLCopen規(guī)范功能塊按其功能可分為管理型功能塊和運動型功能塊，管理型功能塊主要用來檢查軸的狀態(tài)和設(shè)置軸的運動參數(shù)，運動型功能塊主要是根據(jù)設(shè)置的速度、位置、加速度等實現(xiàn)軸的運動。按其操作軸的數(shù)量則可以分為單軸功能塊和多軸功能塊，單軸功能塊只能控制一個軸，而多軸功能塊能控制2～4軸。

所有功能塊均由輸入/輸出變量、輸入變量、輸出變量、內(nèi)部算法、功能塊類型名5大部分組成[8-9]，其模型如圖2所示。每個變量的作用和數(shù)據(jù)類型都是確定的，其中輸入/輸出變量是一個用來保存軸參數(shù)的結(jié)構(gòu)體。在單軸功能塊中，它是一個名為AXIS_REF的結(jié)構(gòu)體。系統(tǒng)在該結(jié)構(gòu)體中定義了一個成員AxisNo(軸號)，用來確定功能塊的控制對象，它具有唯一性，且程序運行過程中不能被更改。一旦功能塊的該參數(shù)被賦值，此功能塊就只能控制具有相同軸號的電機。在多軸功能塊中，它是一個名為AXIS_GROUP_REF的結(jié)構(gòu)體，系統(tǒng)在該結(jié)構(gòu)體中定義了軸組號(AxisGroupNo)、軸的數(shù)量(AxisNum)、各軸軸號(AxisNoArray)三個成員。通過這三個參數(shù)就能在調(diào)用多軸功能塊時，確定被控電機的對象，順利實現(xiàn)多軸功能塊。內(nèi)部算法和功能塊的接口是兩個獨立的部分，不僅能為上層提供統(tǒng)一的編程接口，而且實現(xiàn)功能塊的跨平臺移植時，只需要更改不同硬件平臺的操作硬件部分的代碼，使移植變得簡單。本控制器的內(nèi)部算法是被封裝起來的，用戶不需知道其具體內(nèi)容，只需操作功能塊的輸入接口便能實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖2 PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊模型

2.2 PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊庫的制作

本系統(tǒng)使用嵌入在VS2012中的C#模板完成各功能塊輸入輸出接口的定義，經(jīng)過編譯后會生成一個保存有功能塊接口信息的FWL格式固件庫文件和3個C++文件。其中一個C++文件是用來編寫內(nèi)部算法的重要文件，它是連接功能塊外部接口和內(nèi)部算法的橋梁。以MC_Power為例，在該C++文件中會生成void __PInvoke__MS_PLCopen_LIB::M C_Power::__Init()和void __PInvoke__MS_ PLCopen_LIB::MC_Power::__Process()兩個函數(shù)。前者的函數(shù)內(nèi)部是不能更改的，而后者的函數(shù)內(nèi)部則用來編寫功能塊的內(nèi)部算法，內(nèi)部算法的編寫以實現(xiàn)PLCopen標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的功能塊的功能為目的，其設(shè)計流程圖如圖3所示。3個C++文件在定制的ProConOS eCLR工程中被編譯后，會生成一個exe文件，將該文件下載到控制器中。然后只要將FWL文件添加MLUTIPROG軟件的固件庫中，便完成了PLCopen功能塊庫的開發(fā)。開發(fā)完成的功能塊不僅和PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊的模型、功能完全一樣。同時使用方便，只需將其拖動至MLUTIPGOG工程的編程界面，然后設(shè)置實例名、輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)，就能通過輸入引腳Enable或Execute啟動功能塊。

圖3 內(nèi)部算法流程圖

3 多軸功能塊的實現(xiàn)過程

調(diào)用多軸功能塊前，必須先通過Assistant軟件為控制器上連接的被控對象電機的軸號參數(shù)賦值。將設(shè)置了軸號的電機添加到一個軸組中，并為該軸組的軸組號賦值，就能通過多軸功能塊實現(xiàn)該軸組2～4軸直線或圓弧插補運動。編譯MLUTIPROG工程后，“Assistant”軟件會生成一個XML格式的文件，該文件保存了所有單軸和軸組參數(shù)的信息，將該文件和PLC工程一起下載到控制器便能完成這些參數(shù)的配置。

單軸功能塊在對一個電機進行操作前，如果控制器只連接了一臺電機，功能塊則判斷結(jié)構(gòu)體AXIS_REF中的AxisNo和硬件設(shè)備上連接的電機軸號(該軸號如果不通過Assistant設(shè)置，則默認(rèn)為0)是否相同，如果不相同，功能塊則無法實現(xiàn)對該軸的控制并報錯。當(dāng)控制器上連接了多臺電機時，系統(tǒng)會逐一判斷軸號是否相同，找到軸號相同的電機后停止判斷。如果找不到軸號相同的電機則會報錯。當(dāng)多軸功能塊接收到啟動命令時，將根據(jù)存儲在AXIS_GROUP_REF中的參數(shù)AxisNum、AxisNoArray先找到連接在運動控制器上的被控電機。如果找不到相匹配的電機，功能塊的輸出引腳Error則會給出錯誤信號。當(dāng)找到相匹配的電機后，功能塊則會判斷這些電機的軸組號和結(jié)構(gòu)體AXIS_GROUP_REF中的AxisGroupNo是否相同，確認(rèn)軸組號相同后才會啟動該功能塊，然后執(zhí)行功能塊的功能。因為MLUTIPROG軟件中無法完成對電機相關(guān)參數(shù)的配置，所以僅僅依靠該軟件無法實現(xiàn)多軸控制和多軸功能塊的功能。自主研發(fā)的“Assistant”軟件則彌補這一缺陷。通過該軟件，不僅能為控制器上連接的電機軸號、軸組號賦值，還能為軸的部分運動參數(shù)賦值，例如，單位換算設(shè)置、操作設(shè)置、限位設(shè)置等，功能十分強大。

4 多軸功能塊的驗證

使用簡單的梯形圖編程方法，就能在MLUTIPROG中驗證多軸功能塊MC_MoveLinear_ Absolute。連接好硬件設(shè)備后，先在MLUTIPROG工程中編寫好具體的PLC程序，然后在“Assistant”軟件中配置好單軸和軸組相關(guān)參數(shù)。編譯完成后，將其下載到控制器進行測試。啟動功能塊MC_MoveLinearAbsolute前，先設(shè)置它的輸入變量，令目標(biāo)位值Position=[100000，150000]，目標(biāo)速度Velcity=20000(該速度為兩個軸的合速度)，加速度Accelration =30000，減速帶Decelaratiion=30000，加加速度Jerk=50000，因為其它參數(shù)的值對運動沒有影響，所以設(shè)置為默認(rèn)值(注意：本控制器中所有功能塊中的運動參數(shù)的計量單位均為脈沖P)。完成參數(shù)設(shè)置后，便通過引腳Execute啟動該功能塊。在功能塊的執(zhí)行過程中采用MLUTIPROG軟件中的邏輯分析器繪制兩個軸的位移曲線(見圖4)和合速度曲線(見圖5)。由兩圖可知，兩個軸在相同的時間內(nèi)，根據(jù)設(shè)置的的目標(biāo)位置和速度準(zhǔn)確平穩(wěn)的完成了運動，成功實現(xiàn)了該多軸功能塊。

圖4 兩軸的位移曲線

圖5 合速度曲線

5 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

貼標(biāo)機的核心部分是將標(biāo)簽貼到傳送帶上的工件的貼標(biāo)機構(gòu)。標(biāo)簽輸送軸是間歇性運動，當(dāng)傳感器檢測到工件即將到達貼標(biāo)位置，先啟動延時，延時結(jié)束后軸開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)移動距離達到標(biāo)簽的長度距離后便停止，等待下一次觸發(fā)信號。為了保證標(biāo)簽整齊有效的貼在工件上，工件輸送軸的速度和標(biāo)簽輸送軸的速度必須相同，否則會出現(xiàn)標(biāo)簽錯位和漏貼等現(xiàn)象。因為貼標(biāo)簽的過程中涉及2個軸的運動，屬于多軸控制，先使用Assistant軟件為兩軸賦值，標(biāo)簽輸送軸的軸號為1，工件輸送軸的軸號為2。程序中使用一個定時器(TON_1)來觸發(fā)標(biāo)簽輸送軸運動，定時器的定時時間為傳感器與貼標(biāo)位置的距離(SensorDistance)除以軸的速度(Velocity)所得的值，這樣就能保證工件到達貼標(biāo)位置時標(biāo)簽軸剛好啟動。工件輸送軸的運動由PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊MC_Velocity實現(xiàn)，而標(biāo)簽輸送軸的運動由PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊MC_MoveReltive實現(xiàn)，設(shè)置其輸入引腳Distance的值為標(biāo)簽的長度(LableLength)。詳細(xì)的PLC程序執(zhí)行流程如圖6所示。可見，采用本控制系統(tǒng)編寫的PLC程序十分簡單，只需調(diào)用幾個功能塊便能完成復(fù)雜的運動控制。即便是沒有任何開發(fā)經(jīng)驗的人，學(xué)習(xí)簡單的PLC編程后，就能進行獨立的程序開發(fā)控制。

圖6 PLC程序流程圖

6 結(jié)束語

根據(jù)得到的MC_MoveLinearAbsolute功能塊的兩軸位移和合速度圖，充分證明了在Assistant的配合下，電機運行平穩(wěn)，成功實現(xiàn)了PLCopen標(biāo)準(zhǔn)功能塊中的多軸功能塊，展示了控制系統(tǒng)優(yōu)越的性能。最后開發(fā)的貼標(biāo)機控制程序，則證明了本控制系統(tǒng)圖形化編程的優(yōu)勢，不僅編程簡單，大大提高了程序的開發(fā)效率。同時多軸控制功能強大，只需對結(jié)構(gòu)體AXIS_REF中的AxisNo賦予不同的值，便能同時控制多達32個軸。但本控制系統(tǒng)只在ZYNQ-Soc(2個A9內(nèi)核+1個FPGA)+DDR3+EMMC為核心[10]構(gòu)成的運動控制器上驗證了其可行性，下一步將對本控制系統(tǒng)的跨平臺移植進行研究。