摘要：研華PAC架構(gòu)設(shè)計(jì)的ADAM-5550KW 嵌入集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出--全自動(dòng)數(shù)控多軸數(shù)繞線生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。依靠PAC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多軸數(shù)的數(shù)控繞線機(jī)中特殊的二次程序設(shè)計(jì)功能，從而能夠輕易實(shí)現(xiàn)同一設(shè)備生產(chǎn)不同工藝的繞線定子，具有非常好的柔性和工藝安全性，達(dá)成大量生產(chǎn)效果。本文介紹的一種基于全套研華PAC產(chǎn)品的全自動(dòng)數(shù)控繞線生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PAC控制器的開(kāi)放性，便捷性，網(wǎng)路性，從而實(shí)現(xiàn)了二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，適應(yīng)性強(qiáng)，擴(kuò)展性能更高的要求。
前言：
      近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，除了滿足國(guó)內(nèi)的需求之外，也會(huì)針對(duì)國(guó)外高價(jià)值產(chǎn)品提供相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，提出更具競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備方案作為外銷(xiāo)利器。隨著眾多產(chǎn)也需要電力規(guī)格轉(zhuǎn)換的需求，使得各式各樣的電機(jī)工藝生產(chǎn)工藝要求更加嚴(yán)峻。
      眾所周知，電機(jī)的定子線圈的質(zhì)量直接決定著電機(jī)的性能，所以對(duì)數(shù)控繞線設(shè)備性能的要求可謂日趨嚴(yán)格，所以國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)使用的高端的電機(jī)繞線機(jī)還是大量由日本，美國(guó)，以及一些歐美企業(yè)提供。國(guó)內(nèi)繞線機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也在積極突破，開(kāi)發(fā)更能適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，質(zhì)量更好，靈活性更大的繞線機(jī)，目前市場(chǎng)上的數(shù)控繞線生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的種類(lèi)繁多，但基本采用的是PLC + 觸摸屏，專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)等架構(gòu)，此架構(gòu)功能單一，配套功能有限，功能擴(kuò)展更是一個(gè)瓶頸，不能滿足產(chǎn)品多變需求對(duì)數(shù)控繞線機(jī)生產(chǎn)線系統(tǒng)的大量生產(chǎn)需求。
一、 系統(tǒng)需求：
1.1 每組三軸運(yùn)動(dòng)控制，扁平電纜和飛叉軸配合運(yùn)動(dòng)；
1.2 統(tǒng)管四十八軸多軸數(shù)同步繞線運(yùn)動(dòng)，可以同時(shí)繞高達(dá)十六組定子電機(jī)；
1.2 完成自動(dòng)扁平電纜，自動(dòng)多層，多極，多段繞線；
1.3 每個(gè)工序的動(dòng)作可自由組合編輯，最終客戶可以簡(jiǎn)單通過(guò)工藝二次開(kāi)發(fā)；
1.4 人性化的用戶操作接口，以及簡(jiǎn)單的操作方法；
1.5 無(wú)限組大容量參數(shù)配方存?。?br />1.6 方便進(jìn)行I/O擴(kuò)展，運(yùn)動(dòng)軸的擴(kuò)展；
1.7 突破以往的單機(jī)生產(chǎn)方式，滿足長(zhǎng)型距離生產(chǎn)線設(shè)計(jì)需求；
1.8 實(shí)現(xiàn)高繞線精度，繞線精度+0.01mm，飛叉：0.5度；
1.9 應(yīng)用系統(tǒng)SQL資料庫(kù)的收集與分析；
1.10 所使用的系統(tǒng)需保證適合工廠的震動(dòng)、溫度、連續(xù)生產(chǎn)等苛刻要求；
1.11 具備易更新維護(hù)，易配線等特點(diǎn)；
1.12 具備遠(yuǎn)程維護(hù)操作與遠(yuǎn)程更新等功能；
二、系統(tǒng)架構(gòu)：
      根據(jù)分析，需要實(shí)現(xiàn)以上功能，采用一般的PLC+觸摸屏方式將遇到：多軸聯(lián)動(dòng)控制的難度；二次工藝開(kāi)發(fā)的難度；大容量參數(shù)配方存取的難度；系統(tǒng)自由擴(kuò)展的難度：遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的難度；資料庫(kù)應(yīng)用與分析的難度；長(zhǎng)型生產(chǎn)距離設(shè)備的擴(kuò)充困難。若是一般的行業(yè)專(zhuān)用控制器或者數(shù)控系統(tǒng)則會(huì)遇到：擴(kuò)展性能欠缺；二次開(kāi)發(fā)難度大；大容量參數(shù)配方存取的難度；遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的難度；資料庫(kù)應(yīng)用與分析的難度；針對(duì)多軸數(shù)控制與資料收集額外需要工控機(jī)做處理。
      而這些正是PAC作為新一代自動(dòng)化控制的優(yōu)勢(shì)所在。能夠充分發(fā)揮類(lèi)IPC的強(qiáng)大運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)處理能力保證客戶實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立和大容量數(shù)據(jù)的處理，又能夠使用簡(jiǎn)易的PLCopen程序設(shè)計(jì)方式，基于Windows CE或者Windows Xpe的開(kāi)放架構(gòu)，客戶甚至可以同時(shí)使用各種高級(jí)語(yǔ)言（C++,.NET等）進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序甚至工藝模塊程序完全編譯下載，無(wú)法上傳源代碼，保證程序的安全性；豐富的接口（以太網(wǎng)，串口，USB，VGA等）極大的方便客戶進(jìn)行功能擴(kuò)展。
      本案我們即采用了研華PAC (如圖2所示)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)?；赪indows CE操作系統(tǒng)，使用完全兼容IEC61131/3的指令開(kāi)發(fā)下位機(jī)控制程序，采用.NET自由開(kāi)發(fā)UI（User Interface）操作接口。如圖3示。

圖2 系統(tǒng)方案

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 ADAM-5550KW是為控制任務(wù)而特別設(shè)計(jì)的，它即具有工業(yè)PC強(qiáng)大的運(yùn)算能力，又具有PLC的高可靠性。它在單一平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了包括離散、模擬和運(yùn)動(dòng)和人機(jī)界面等多種功能。
2.1.1 采用WindowsCE操作系統(tǒng)；
2.1.2 ADAM-5550KW支持Modbus RTU/TCP協(xié)議；
2.1.3 內(nèi)建實(shí)時(shí)內(nèi)核，邏輯功能，數(shù)據(jù)處理功能，運(yùn)動(dòng)控制功能全部支持IEC61131/3五種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；
2.1.4 采用KW程序設(shè)計(jì)環(huán)境，還支持梯形圖，功能塊，SFC圖形化語(yǔ)言的混合程序設(shè)計(jì)，如圖4所示，極大地方便了PLC客戶輕松掌握。
2.1.5 自帶2以太網(wǎng)口，4串口，2 USB接口，自由通訊擴(kuò)展；
2.1.6 自帶VGA接口，支持大尺寸TFT工業(yè)顯示器，實(shí)現(xiàn)大尺寸HMI操作；

圖4  PAC支持混合程序設(shè)計(jì)

2.2 采用以分散式架構(gòu)的AMONet通訊總線作為長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)控制的核心技術(shù)，藉由AMONet總線來(lái)連結(jié)所有的AMAX-2241作為四軸運(yùn)動(dòng)控制模塊，支持松下伺服電機(jī)對(duì)三軸伺服進(jìn)行精確控制，其特點(diǎn)如下：
2.2.1  四軸獨(dú)立4MHz脈沖輸出運(yùn)動(dòng)控制模塊；
2.2.2  支持三軸線性插補(bǔ)、2軸圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)插補(bǔ)功能；
2.2.3  支持Latch，Compare輸出功能。
2.3  ADAM-5051S 16路隔離數(shù)字輸入模塊；
2.4  ADAM-5056S 16路隔離數(shù)字輸出模塊；
2.5   ADAM-5024  4信道模擬量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量漲力控制；
2.6 采用Microsoft .Net結(jié)合研華LogixView庫(kù)進(jìn)行UI接口開(kāi)發(fā)。Logixview功能庫(kù)為客戶提供常用的HMI控件和Modbus RTU/TCP等通訊控件。輕松開(kāi)發(fā)人機(jī)界面可以采用Sql ce開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，大容量變量通訊和量存儲(chǔ)，充分發(fā)揮PAC的大容量數(shù)據(jù)處理功能。
二、 技術(shù)實(shí)現(xiàn)：
繞線工藝一：

繞線工藝二：

3.1 二次開(kāi)發(fā)功能：
      本系統(tǒng)采用了流程控制的開(kāi)發(fā)模式，即系統(tǒng)將執(zhí)行動(dòng)作分割為18個(gè)局部動(dòng)作和4組標(biāo)準(zhǔn)的繞線方式，運(yùn)行時(shí)按照“工序1 工序2 …  工序n＂的順序依次執(zhí)行各個(gè)工序相應(yīng)的動(dòng)作。任意工序上的動(dòng)作可以選擇任意的局部動(dòng)作或繞線方式，友好的人機(jī)界面可以適應(yīng)用戶靈活的編輯特有的工藝或者秘密加工工藝。用戶通過(guò)對(duì)各個(gè)動(dòng)作的二次程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)特殊工藝的二次開(kāi)發(fā)。由于基于PAC開(kāi)發(fā)，操作人員只需要在觸摸屏上簡(jiǎn)單點(diǎn)擊選擇，設(shè)定一下參數(shù)即可，而無(wú)需重新學(xué)習(xí)復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。降低了操作人員的技術(shù)要求，從而在增強(qiáng)系統(tǒng)的柔性的同時(shí)，降低了工廠的人力成本。

圖５動(dòng)作編輯畫(huà)面

3.2 大容量數(shù)據(jù)處理：
      通過(guò)Modbus TCP在上下位機(jī)（在Adam-5550內(nèi)部人為分割成兩個(gè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)內(nèi)核充當(dāng)下位機(jī)，WindowsCE系統(tǒng)充當(dāng)上位機(jī)）傳輸近4000個(gè)Real型數(shù)據(jù)。在上位通過(guò)SQL for CE的數(shù)據(jù)庫(kù)處理，充分發(fā)揮PAC的能力，保障了滿足繁瑣加工工藝的要求，以保證更好的產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)Adam-5550預(yù)留的兩個(gè)以太網(wǎng)口，以及４個(gè)串口同樣通過(guò)MODBUS可以與第三方設(shè)備進(jìn)行通訊，保證了程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性，也為之后實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息系統(tǒng)或者功能擴(kuò)展留好的接口。
3.3 典型動(dòng)作工藝：
      整個(gè)系統(tǒng)包括統(tǒng)管十二軸多軸數(shù)同步繞線運(yùn)動(dòng)，可以同時(shí)繞四到八組定子電機(jī)，每一組控制16個(gè)氣缸的動(dòng)作，延時(shí)，扁平電纜，飛叉，四種繞線方式，分度，漲力等２２個(gè)動(dòng)作，客戶可以通過(guò)編輯這２２個(gè)動(dòng)作的順序與各動(dòng)作的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的工藝（如圖６）。并且允許客戶使用循環(huán)嵌套的方式編輯重復(fù)的動(dòng)作，這樣就大大地增加了客戶工藝的自由度。也完全消除了最終客戶害怕自己的繞線工藝被設(shè)備廠商獲悉的陰影。

圖6 工藝畫(huà)面

      為了適應(yīng)外轉(zhuǎn)子式定子繞線特殊的加工工藝，集成了極繞、前后空、層繞等多種繞線方式。如圖８所示。使用IEC61131/3，將復(fù)雜的多軸連動(dòng)，插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的功能塊參數(shù)設(shè)置的方式實(shí)現(xiàn)，極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了很大的提高。如圖７所示：

圖７運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)方式

圖８　典型的三種繞線方式

3.4 配方功能：
      設(shè)置了配方編輯和存取功能，用戶可以根據(jù)不同的加工工藝，可以編輯無(wú)限多的配方檔，并支持在線傳輸或者U盤(pán)導(dǎo)入功能。只要一次編輯，即可無(wú)限調(diào)用，大大節(jié)約了用戶的時(shí)間和測(cè)試成本，以及對(duì)工藝的管理更清晰、更保密。見(jiàn)圖６。
3.5 測(cè)試功能:
      完整的測(cè)試接口，支持IO在線測(cè)試功能。加上直觀的人機(jī)畫(huà)面，可以手動(dòng)強(qiáng)制測(cè)試判斷各輸入輸出的正確性。各運(yùn)動(dòng)軸的在線調(diào)試功能，直觀的顯示各軸當(dāng)前的坐標(biāo)。見(jiàn)圖９。
      設(shè)置了扁平電纜軸軟限位功能，保證模具和設(shè)備的安全，節(jié)省了維護(hù)成本。
      報(bào)警功能，自動(dòng)顯示系統(tǒng)狀態(tài)出錯(cuò)的信息，精確到某個(gè)氣缸沒(méi)有到位的報(bào)警信息，大大節(jié)約了使用者對(duì)設(shè)備的維護(hù)時(shí)間和成本。

圖９　測(cè)試畫(huà)面

四、結(jié)束語(yǔ)：
      采用PAC的架構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)控自動(dòng)繞線生產(chǎn)線，即具有工業(yè)PC強(qiáng)大的運(yùn)算能力，又具有PLC的高可靠性保證適合工廠的震動(dòng)、溫度、連續(xù)生產(chǎn)等苛刻要求，藉由AMONet分散式擴(kuò)充系統(tǒng)具備易更新維護(hù)，易配線等特點(diǎn)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)充與距離無(wú)限延伸。
      直觀簡(jiǎn)潔的配方設(shè)定功能，無(wú)限量的配方存取，簡(jiǎn)單的操作接口，極大地降低了用戶工藝的開(kāi)發(fā)和管理成本，多種加工工藝可隨意自由組合實(shí)現(xiàn)的二次便捷程序設(shè)計(jì)功能。
      具備SQL資料庫(kù)的收集與分析，將生產(chǎn)結(jié)果完整記錄下來(lái)，所使用的系統(tǒng)需具備遠(yuǎn)程維護(hù)操作與遠(yuǎn)程更新等功能即滿足用戶的多樣需求。