摘 要：本文針對(duì)等離子熔射過(guò)程中多工作單元相互協(xié)調(diào)和工業(yè)過(guò)程復(fù)雜、非線性、強(qiáng)干擾特點(diǎn)，采用西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制核心，利用PC作為上位機(jī)執(zhí)行射流圖像采集與處理、過(guò)程監(jiān)控、工藝優(yōu)化與加工策略調(diào)整等，最后通過(guò)OPC協(xié)議建立PC與PLC之間數(shù)據(jù)通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，保證了等離子熔射成形性和最終皮膜質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：等離子熔射;PC+PLC;OPC;控制系統(tǒng);設(shè)計(jì) Abstract: To solve the question that the process of plasma spray is complex, nonlinear, uncertainty and adaptive distribute control required by the whole working units, Siemens S7-300 PLC is chose as the center control unit of the local devices, and also PC is selected for image gathering and processing of plasma jet, process monitoring, running of optimization algorithm and regulating of spraying strategies. Finally, OPC protocol is applied for the data communication between PC and PLC. The system is proved to be robust with respect to significant variations in the operating conditions by experimental results, hence it can improve the formability and finally coatings quality of plasma spray. Keywords: Plasma spray; PC+PLC; OPC; Control system; Design 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(fù)合材料的特點(diǎn)在表面改性、功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應(yīng)用[1-2]。為了保證熔射皮膜成形性與成形質(zhì)量，必須在數(shù)字圖像處理、過(guò)程控制、人工智能等方法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成控制與工藝優(yōu)化。當(dāng)前國(guó)際上幾大熱噴涂設(shè)備和材料生產(chǎn)廠家，如英國(guó)Metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美國(guó)Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)+過(guò)程控制的等離子熔射系統(tǒng)。但是由于國(guó)際上相關(guān)熔射設(shè)備價(jià)格昂貴，不能引進(jìn)到國(guó)內(nèi)每一個(gè)加工車間或者科研院所，因此需要自主開(kāi)發(fā)適用于特定工藝的熔射過(guò)程檢測(cè)與控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)已有基于單片機(jī)、微機(jī)、PLC等進(jìn)行熔射控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究和報(bào)道[3]，然而如何集成PC機(jī)優(yōu)勢(shì)以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍需更加深入的研究。 　　本文基于PC+PLC開(kāi)發(fā)等離子熔射控制系統(tǒng),采用開(kāi)放式OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)二者之間通訊，并在PC中執(zhí)行機(jī)器人路徑規(guī)劃、在線監(jiān)控與熔射過(guò)程數(shù)據(jù)管理等。結(jié)合PLC現(xiàn)場(chǎng)控制穩(wěn)定性和計(jì)算機(jī)過(guò)程運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，來(lái)保證熔射過(guò)程穩(wěn)定性與過(guò)程控制實(shí)時(shí)性，進(jìn)而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質(zhì)量應(yīng)用。 2 等離子熔射自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　2.1 系統(tǒng)組成和工作原理 　　基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理如圖1所示。PC主要完成對(duì)實(shí)體進(jìn)行三維造型、切片、最后生成機(jī)器人能夠識(shí)別的機(jī)器人路徑代碼，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋信息進(jìn)行路徑調(diào)整，同時(shí)也對(duì)整個(gè)熔射過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，采樣主要工藝參數(shù)并保存到加工過(guò)程文檔中。PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和整個(gè)等離子弧發(fā)生子系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后傳送到上位機(jī)PC中。 　　2.2 PC與PLC功能分配 　　在等離子熔射過(guò)程中，環(huán)境惡劣，噪音等污染嚴(yán)重，干擾強(qiáng)，系統(tǒng)工作周期長(zhǎng)。因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(lái)保證系統(tǒng)可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實(shí)現(xiàn)模擬量采樣與輸出和與上位機(jī)之間通訊。同時(shí)PLC系統(tǒng)還配備了西門子專用穩(wěn)壓電源，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免與整個(gè)系統(tǒng)共用電源產(chǎn)生干擾。 　　由于PLC無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控圖表顯示、圖像處理和復(fù)雜算法設(shè)計(jì)，操作人員也不能直觀了解現(xiàn)場(chǎng)狀況[4]。為了彌補(bǔ)以上不足，系統(tǒng)增加PC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)運(yùn)算，其主要任務(wù)是獲取機(jī)器人狀態(tài)信息和皮膜溫度采樣信息，根據(jù)設(shè)定工藝優(yōu)化算法執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)熔射路徑調(diào)節(jié);對(duì)等離子射流檢測(cè)圖像進(jìn)行處理，反饋調(diào)節(jié)信息至PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子射流發(fā)生裝置調(diào)控;同時(shí)能對(duì)系統(tǒng)故障做出及時(shí)報(bào)警，并能采取相應(yīng)應(yīng)急處理措施和加工現(xiàn)場(chǎng)斷點(diǎn)保護(hù)等。 [align=center] 圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理圖[/align] 3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　3.1 控制軟件設(shè)計(jì) 　　控制軟件系統(tǒng)主要功能包括：參數(shù)設(shè)定、過(guò)程監(jiān)控、工藝優(yōu)化、故障信息處理與報(bào)表系統(tǒng)等。這些部分相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)等離子熔射過(guò)程狀態(tài)和實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)故障報(bào)警和相應(yīng)處理、熔射主要工藝參數(shù)記錄和報(bào)表打印輸出功能等。 　　3.2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì) 　　OPC規(guī)范定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得COM技術(shù)適用于過(guò)程控制和制造自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域。OPC是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OLE/COM是一種客戶/服務(wù)器模式，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問(wèn)，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性，使得用戶完全從低層開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)[5-6]。 　　OPC客戶端軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其客戶端程序開(kāi)發(fā)目的是基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間通訊，通過(guò)PC機(jī)直接讀寫(xiě)PLC中變量，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度，保證熔射工藝優(yōu)化算法的運(yùn)算結(jié)果及時(shí)傳送到PLC現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，從而能夠充分地利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和豐富的軟件資源。 　　3.3 PLC運(yùn)行程序設(shè)計(jì) 　　等離子熔射系統(tǒng)由西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，整個(gè)工藝過(guò)程動(dòng)作控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣。PLC內(nèi)部程序分為手動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行兩個(gè)部分，可分別響應(yīng)控制面板上按鈕動(dòng)作和上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令。 　　PLC程序采用Step7進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要過(guò)程包括：首先在Step7中建立一個(gè)新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根據(jù)PLC硬件配置及模板物理安裝位置進(jìn)行硬件組態(tài)。其次插入Simatic PC Station，在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI網(wǎng)絡(luò)建立PC Station與Simatic 300 Station之間網(wǎng)絡(luò)連接。MPI網(wǎng)絡(luò)建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU單元內(nèi)設(shè)計(jì)的所有的數(shù)字量、模擬量和數(shù)據(jù)塊等各種變量?；贛PI方式進(jìn)行組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖3所示。最后基于SimaticNet軟件建立名稱Spray的OPC服務(wù)器，這樣就可以通過(guò)OPC客戶端程序訪問(wèn)PLC中變量。 [align=center] 圖2 OPC客戶端程序設(shè)計(jì)流程圖 圖3 基于MPI方式組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接圖[/align] 　　PLC中運(yùn)行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模塊包括系統(tǒng)主控模塊OB1，負(fù)責(zé)調(diào)用其他功能塊等。然后分別設(shè)計(jì)針對(duì)送粉器控制、工作轉(zhuǎn)臺(tái)控制、機(jī)器人故障處理、系統(tǒng)故障處理等功能塊，供主控塊調(diào)用。為了確保PLC程序安全執(zhí)行，必須增加對(duì)象塊OB80、OB82、OB85分別實(shí)現(xiàn)對(duì)模板診斷錯(cuò)誤和超時(shí)錯(cuò)誤處理，OB121和OB122響應(yīng)同步錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以按照變量分類或者針對(duì)某一功能塊設(shè)計(jì)專用數(shù)據(jù)塊，將控制系統(tǒng)中的變量統(tǒng)一分組管理。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　本文開(kāi)發(fā)了一套基于PC+PLC等離子熔射自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，能夠適應(yīng)等離子熔射工藝需求，為該工藝由技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力奠定了一定基礎(chǔ)。同時(shí)PC作為上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面與有效的系統(tǒng)監(jiān)控和管理，PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠現(xiàn)場(chǎng)控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。該控制系統(tǒng)可以方便地與機(jī)器人、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者生產(chǎn)線等配套組成等離子熔射系統(tǒng)。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文結(jié)合PC+PLC進(jìn)行等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，集成了PLC在惡劣的熔射環(huán)境下性能穩(wěn)定的特點(diǎn)和PC能夠進(jìn)行圖像處理與復(fù)雜算法運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的通訊，保證了過(guò)程控制中多變量信息采集、傳輸和處理的實(shí)時(shí)性。該自動(dòng)控制系統(tǒng)為提高等離子熔射皮膜成形性和成形質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]張海鷗,韓光超,王桂蘭.快速模具制造技術(shù)[J],中國(guó)機(jī)械工程,2002, 13（22）:1903-1906. 　　[2]Sofiane B, Ghislain M, Patrick G, et al. 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