基于PC／1 04与PLC的 激光切割机控制器设计.pdf

2 0 1 0 年第1 O 期 控制与检测 文 章 编 号 1 0 012 2 6 5 2 0 1 0 1 00 0 4 10 3 基于 P C ／ 1 0 4与 P L C的 激光切 割机 控制器设计 庞 国安 ， 岳 喜 顺 。 华 南理 工 大 学 自动 化科 学 与工 程 学院 ， 广 J ,r、 』 5 1 0 6 4 1 摘 要 随 着电池 行 业的 快速 发 展 ， 电池 的各 种 需 求 量 越 来越 大 ， 同 时制 造 电 池 的 工 艺 要 求 亦越 来 越 高。该 文章 提 出了一种 基 于 P C ／ 1 0 4与 P L C的动 力 电池 激光 静 态极 片切 割 控 制 器设 计 方案 ， 根 据 对 实时性 高 的要 求 为标 准 对切 割 系统进 行 任 务 分 解 ， 以功 能 应 用作 为 目的 对控 制 系统 进行 模 块化 设 计 。 详 细 阐述 了各模 块的 实现 功 能及 功 能模 块 间的 通信 机制 和 多电机 运 动控 制 的 实现 方 式 。应 用 表 明该 文章提 出的控 制 方 案 完全 能达 到预期 效 果 ， 能 够 实现 高精 度 的控 制 。 关键 词 分解 任务 ； 实时性 ； 激 光 ； 共 享 内存 ； R C S ／ N ML 中 图分类 号 T H1 6； T G6 5 文献 标识 码 A De s i gn o f Co nt r o l l e r Bas e o n PC 1 0 4 a nd PLC f or La s e r Cut t i ng M ac hi ne PANG Gu o a n ，YUE Xi s h u n C o l l e g e o f Au t o ma t i o n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ．S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a Abs t r a c t W i t h t he f a s t de v e l o pme n t o f t h e b a t t e r y i n d u s t r y， b a t t e r i e s a r e i n l a r g e d e ma nd ， a n d t h e t e c h n i c a l r e q u i e ms o f ma k i ng ba t t e r i e s i s hi g h e r a n d h i g h e r ．I n t hi s pa pe r ，i t pu t f o r wa r d s a d e s i g n i n g pr o g r a m o f h y‘ br i d c o n t r o l l e r b a s e o n PC 1 0 4 a n d PLC f o r p o we r ba t t e r y l a s e r s t a t i c p o l e p i e c e c u t t i n g ma c h i n e ．I t d e c o m- p os e s t h e t a s ks o f t he c u t t i ng s y s t e m wi t h t h e s t a n d a r d o f t h e hi g h i n s t a n t a n e i t y r e q u i e ms a n d ma k e s mo d u -- l a r d e s i g n o n t h e c o n t r o l l i ng s ys t e m wi t h t he pu r pos e o f t h e f u n c t i o n a p pl i c a t i o n， I l l u s t r a t i n g d e t a i l e d t he r e - a l i z a t i o n f u nc t i o ns o f mo d u l e s a s we l l a s t h e r e a l i z a t i o n me t ho d s o f t he c o mmu n i c a t i o n me c h a n i s m b e t we e n mo d u l e s a n d t h e mul t i - ma c hi n e s ys t e m mo v i n g c o n t r o 1 ．Ap pl i c a t i o n s s h o we d t h a t t he c o nt r o l l i n g pr o gra m r a i s e d b y t h i s pa pe r c o mpl e t e l y c a n a c h i e v e t he e x pe c t e d e f f e c t s ， r e a l i zi n g t he hi g h- pr e c i s i o n c o n t r o 1 ． Ke y wor ds d e c o mp os e t a s k；r e a l - t i me ；l a s e r ；s ha r e d me mo r y； RCS ／NM L O 引 言 近 年来 ， 随 着 经 济 的 发 展 ， 发 展 新 能 源 汽 车 、 节 能 环保 的 汽 车 、 电动 汽 车 是 一 个 大 趋 势 。 而 动 力 电 池是 新 能源 汽车 的核 “ 心 ”。动 力 电池 的 工 艺 复杂 程 度也 越来 越 高 ， 采 用 激 光 切 割 极 片 便 是 其 中 的 一 种 工艺 过程 。 由于 动 力 电 池 工 艺 的要 求 ， 对 激 光 切 割 的精 度要 求非 常 高 ， 在 1 l T l m之 内 ， 这就 需要 采 用一 种 控制 周期 短 ， 可 以 实 现 高 精 度 运 动 控 制 的 系统 来 完 成 。而现有 的激光 控 制 系 统 的实 现 完 全 是 运行 在通 用计算 机 上 的的标 准应 用 程 序 ， 这 种 P C机 模 式 的激 光 切割 控制 系 统 不 能 很 好 的保 证 实 时性 和 可 靠 性 。 本 文提 出了一 种 基 于 L i n u x的 动 力 电 池 激 光 静 态 极 片切割 控制 系 统 的 软 件设 计 。 以 R T L i n u x为运 行 系 统进 行模 块 化 编 程 ， 实 现 切 割 控 制 系统 任 务 的 最 优 化 分解 ， 采 用 不 同 的模 块 进 行 伺 服 系 统 控 制 和 逻 辑 控 制 ， 采用 R C S ／ N ML及 共 享 内存 机制 实现 模块 间的 通 信 ， 保 证 了 系 统 的 实 时 性 ， 提 高 了 系 统 重 构 的柔 性 ， 增加 了系统 的可 靠性 。 1 系统 设 计 1 ． 1 系统 的 总体 设计 方 案 由于 P C ／ 1 0 4具 有 运 行 速 度 快 、 外 围 接 口丰 富 、 价格 低廉 ， 支 持实 时 操作 系统 等 显 著 特 点 ， 本 文 所 设 计 的 切 割 控 制 系统 采 用 嵌 入 式 工 业 控 制 器 P C ／ 1 0 4 和 F P G A组 成 及外 围 电路 构 成 专用 激 光 控 制器 ， P L C 为 辅 助 控 制器 ， C P L D E P M1 2 7 0 作 为 I ／ O扩展 模 块 的系统 设计 方 案 。专用 激 光 控 制 器 主 要 实现 对 激 光 头 的运 动控 制 及对 激 光 的 控 制 ， 通 过 对 x轴 、 y轴 与 收 稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 6 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 6 0 8 7 3 0 7 8 作者简介 庞国安 1 9 8 4 一 ， 男 ， 广西 玉林 博白人 ， 华 南理 T大学 自动化 科学 与工 程学 院硕士 ， 主要研 究方 向嵌入 式控 制系统 ， Em a i l x i a i a n1 6 8 q q． c o r n。 控 制 与检 测 组合机床与自动化加工技术 z轴 电机 的三轴联 动控 制来实 现其运 动控 制 ， 对激 光 进行开 关及 功 率 频 率 调 节 控 制 ； P L C辅 助 控 制 器 主 要是 对 汽 缸 的 I O控 制 。F P G A 主要 完 成 将 P C ／ 1 0 4 总线 的数 据转 换为 伺 服及 步进 电机 驱 动器 所需 要 的 串行脉 冲 、 方 向信号 ， 并 记 录 电机 驱动 器 已发 送 的 脉 冲个数 等 ； C P L D作 为 系统 的 I ／ 0扩 展 模 块 ， 解 决 了 P C ／ 1 0 4内部 I ／ 0 引 脚 不 够 的 问 题 ， 专 用 控 制 器 与 P L C之 间 通 过 R S 4 8 5串 口进 行 通 信 。基 于 P C ／ 1 0 4 和 P L C的激光 切 割控 制 系统 是 以任 务分 解 为 基 础 ， 采用基 于嵌入 式 R T L i n u x实 时 操 作 系统 的 方法 来 实 现 。利 用 R T L i n u x开放性 、 模块 化和 可扩展 性系 统结 构特性 和多线 程／ 多任 务 系统 环境 ， 将 复 杂 的 电机 控 制任务 交 由专 用 控 制 器模 块 完 成 ， 将 气 缸 电 磁 阀控 制交 由 P L C控 制 ， 从 而 达到 系 统控 制 的 目的 。保 证 系统的实时性 ， 提高性能的同时使故障风险也相对 分散 。系统 的结构 图如 图 1所示 。 A h 广1 藏殖豳 电 机 控 制 输 入 输 出 动 激 光 控 制 电池极片切割平台 图 1系 统 结 构 图 1 ． 2 系统 软件 实现及 模块 间通信 该控制 系统 软件实现可分为三个层 次和 四个功能 模块 ， 三个层 次 为用户 交互层 、 任务分 配解 析层 、 功能 实现层 ， 四个 功能模块分别为运动控制模 块 、 任务 管理 模块 、 I ／ 0控制模块 、 用 户界面模块 。如 图 2所示 。 人机界面 I l N ML N ML 彳 产 f 朝 八 眦 运 动 f 位 置 控f 电 机 ／ ＼ l 软 p 【c 模 块 e {1 0 接 口 模 块 l 插 补 I 制 模 块l 驱动 H A L I 模块 电 机模 块 ＼ ／ I O 模 块 I 堡 I 图 2系 统软 件 架 构 任务管 理模块 同用户 界 面模 块 之 间 的通 信是 通 过 R C S软件 库 R C S ／ N M L 中性 消 息语 言 来 实 现 的。 N ML是 基 于 C M S通 信 控 制 系 统 的。 它 们是 一 种 独 立于计算 机 控 制 系 统 的 中性语 言 ， 能 够 使 各 模 块 之 间跨平 台运 行 。每 个模 块 都 会有 两个 缓 冲器 ， 一 个 是命令 缓冲器 ， 另一 个 是状 态 缓 冲器 ， 命 令 缓 冲器 是 用 于存 储上 级模 块 对 下级 模 块 的发 送 命 令 ， 而 状 态 缓 冲器是 用于 下级 模块 对 上级 模 块 的状 态 反馈 。界 ．42 ． 面与任务管理模块之间采用 R c s ／ N ML方式通信界 面模块 跨平 台运 行 提 供 了 基础 ， 这 又 可 以很 大 程 度 上解决了界面设计的周期性与难度 ， 因为总体来说 ， 在 l i n u x 下 的界 面设计 目前 还 比不 上 w i n d o w s 下 的界 面设计 方便 与快 捷 。这 是本 系统 设计 的一个 创 新 点 之处 ， 即切 割系统 能 够跨 平 台运 行 界 面 ， 这样 能 够集 目前最 普遍 的 w i n d o w s和 工业 控 制 领 域 广 泛 使 用 的 r t l i n u x系统 的优 点于 一体 。 运动控 制模块与任务 管理模块 间的通信则 采用的 是 R T L i n u x的 S y s t e m I P C V中的共享 内存 的方 式 ， 运 动控制模 块是激光 切割 控制 系统 的核心模 块 ， 也 是整 个控制系统中要求实时性最高的模块， 它在很大程度 上决定着 整个 切割 控制 系统 的精 度 和速度 ， 由于运动 控制模 块运 行在 内核 中， 要求 较 高的通信 速率， 而 N ML库无 法在 内核 中运行 ， 故任 务 管理模块 与运 动控 制模块 间通信 是通过共享 内存 的方式实现 。 任 务 管理模 块 同 I O控 制 模 块 采 之 间 的通 信 采 用 的是 另一 种 方 式 ， 它 直 接 通 过 硬 件 抽象 层 即 H A L 来实现两个模块之间的通信 ， 同时 1 0模块与电机模 块之间的通 信也 是采用 H A L方式来 实现通 信 的， H A L是硬 件抽 象 层 的 英 文 首 字母 简 称 ， 它 在软 件 中 实现 的方 式是通 过 构 建 HA L构件 ， 使 其 成 为 软件 中 的一 个封装 好 的 具 有很 多 引 脚 的 “ 芯 片 ” ， 模 块 问 的 通信 只要 在构建 好 的“ 芯 片 ” 上连 接相 对 应 的引脚 即 可实 现 。同 时 HA L可 以实 现 软 件 与 硬 件 直 接 的 连 接 ， H A L中分别 构建好 硬 件 引 脚 接 口和 软件 引脚 接 口， 然 后 通 过 一 个 脚 本语 言 来 实 现他 们 直 接 的 “ 接 线 ” 即可完 成 。这 是 本 论 文 的 软 件 设 计 的 一个 创新 点 ， 因为采用 H A L来 可 以 增加 软件 的通 用性 及 极 大 的简化 了软 件的复 杂性 。 1 ． 3各 功能模 块 的介绍 1 ． 3 ． 1 界 面功 能模块 该模块是整个实时控制系 统的最高层， 它将 向 它的下级模块 任务解析模块 写入用户操作命令 ， 并从下级 模块 中读取 下级模 块反馈 回来 的系统状 态 。该模块 功能 主要 是 提供 友 好 的 用户 操作 界 面及 显示 各种状 态 功 能 ， 用 户 可 以通 过 这 个 界 面 输 入 各 种 控 制命 令 ， 来完 成各 种 动 作 过程 ， 比如 可分 别 手 动 控 制 三轴 电机 ， 通 过 输 入单 条 G 代码 来 控 制 三 轴 电 机 ， 或 者 自动运行 完整 G代码 程 序来 切 割极 片 形状 。 也 可 以 由此 获 得 在 切 割 过 程 中 的 一 些 实 时 反 馈 信 息 ， 比如 切 割 图形 及 三 轴 的 运 动轨 迹 的 实 时 显 示 。 在本 系统 中界 面模 块 的 程序 架 构 图如 图 3所 示 。本 系统 界 面主要 采用 t c h k来 编 写 ， 利用 t c l 在 C 语 言 中 的扩 展 函数 t c l c r e a t e C o m ma n d i n t e r p ， ” s e l f d e fi n e g u i c o m ma n d ” ， t c l A p i ， C l i e n D a t a N U L L ， T c l C m d D e l e t e P r o N U L L 进行 命 令 扩 展或 系统 状 态 反馈 。 输 入 输 出 ‘ ， 电 机 控 制 2 0 1 0 年第1 0 期 控 制与检 测 根 据 界面 命 令 及 G 代码 信 息 经 过 R C S ／ N ML写 入 到 任 务管 理模 块 去 ， 然 后 经 过 其 解 析 再 经 过 共 享 内存 传 到相应 的任务 模块 中去完 成相 对应 的动作 。 图 3界 面 程 序 架 构 图 该模 块在 整个控 制 系统 之 中起 到 一种 中介 作 用 ， 它只是对 上级模块 传 来 的命 令进 行 解 析 ， 并 把解 析 后 的命令发 送到其相 应 的下 级 模块 之 中去 ， 例 如在 本 控 制系统 中 ， 解 析从上级传 来 的命 令若是 1 0模 块的命 令 则发 送到 I O模块 与任务管理模 块 的共 享 内存 中， 若 是 运 动模 块则 发送到运 动控制模 块与任务 管理模 块 的共 享 内存之 中。另外该模 块还对 下级模块 从共享 内存 中 传 上来 的各种 反馈状 态信息及 时 的解 析给它 的上级 模 块界 面模块之 中去 ， 操作 者 根据 界 面模 块 显示 的反馈 信息来 执行相对 应下一 步 的动作 。 1 ． 3 ． 2运 动控 制 功能 模块 该模 块 主 要 实 现 运 动 控 制 ， 其 首 先 对 该 模 块 中 的命 令缓 冲器 中获 得 上 级 传 来 的命 令 进 行 解 释 ， 把 它 转化成 具 体 的 电机 位 置 控 制 命 令 ， 然 后 通 过 调 用 运动 插 补模 块 ， 把 最 终 的 目标 位 置 分 解 成 若 干 个 中 间 点的位 置 ， 再通 过 位 置 控制 模 块 ， 根 据 加 减 速 原 理 划分 每一 次 要 发 送 给 电 机 的脉 冲个 数 ， 把 结 果 送 给 电机 驱 动模块 ， 最 终 实现 驱动 电机 的效 果 。 1 ． 3 ． 3 1 0功 能模 块 该模 块 主要 是 通 过 软 P L C模 块 对 各 种 1 0 信 号 量进 行逻 辑处 理 。如 该 控 制 系 统 中 的专 用 控 制 器 与 P L C的通讯 I O点 、 运动 控 制 过 程 的各 个 动 作 流 程 的 逻辑 处理 。 1 ． 3 ． 4硬 件模块 该模 块实 际上 就 是 软 件 驱 动 执 行 机 构 的 驱 动 ， 它直接 驱 动执行 机 构 。 2 电机运动控 制方法的实现 切 割 系统运 动 控制 部 分 及 硬 件层 的操 作 编 写成 内核模 块 ， 加入 先进 的 电机 控 制 算法 嵌 入 到 R T L i n u x 内核 中 ， 保 证 了 高精 度 实 时性 能 。运 动 控 制 模 块 以 1 ms 周 期 硬件 定 时 中 断 ， 根 据 任 务 管 理 模 块 从 G代 码 解析 模块 中获 得 的 的 运 动 指 令 ， 控 制 系 统 相 应 动 作 ， 主要 完成 对 激光 头 的位 置 控 制 、 包 括 对 x Y z轴 电机 的位置 采样 、 计 算 轨 迹 值 、 插 补 以及 计 算 给伺 服 的输 出值等 控制 。在 运动 控 制 器 中还设 计 了可 编 程 的 软 限 、 硬 限和 回零 开 关 的 接 口、 可选 择 的速 度 和加 速 度值 、 单 轴点 动 连 续 ， 增 量 等 多种 控 制方 式 。为 了配合 运 动控 制 系 统 ， 还 编 写 一 些 辅 助 函数 ， 如 急 停 处理 ， 编码 器 反馈 ， 通用 开关 量 的输 入输 出等 。 3 激光专用控 制器与 P L C协 同运动 的实现 P L C与 专 用 控 制 器 协 同 运 行 时 ， 则 需 设 计 好 其 协议 a 、 命 令 的定义 当 P L C控 制 将极 片 准 备 至切 割 位置 时 ， 需 要 发开 始 切 割指 令 给 激 光 专用 控 制 器 ， 让 其 自动进 行 极 片 切割 流 程 ； b 、 状 态 的定 义 在 控制 过 程 中 ， 需要 根 据 相 互 流 程 完 成 的状 态 来 判 断 是 否 进 行 下 一个 流 程 动 作 。 当激 光 初 始 化 完 成 时 ， 发 送 就 绪 状 态位 给 P L C； 当激 光切 割 完 毕 时 ， 需 发 完 成 状 态 给 P L C ， 让 其准 备将 切好 的极 片吸 回来并 进行 下 一个 拉片 流程 。 这 样 ， P L C主控 整个 控制 对 象 的流 程 逻 辑 过 程 、 专 用控 制 器 负 责 激 光 头 的 三 轴 复 杂 高 精 度 运 动 控 制 ， 从 而实 现 了动 力 电池 激 光 静 态 极 片切 割 嵌 入 式 混 合控 制 系统 。 4 结束语 基 于 P C ／ 1 0 4和 P L C的激 光 控 制 器 能 够 实 现 高 速 高精 度 的 运 动 控 制 ， 具 备 良好 的 运 动 控 制 性 能 。 采用实时 R T L i n u x 操作系统 ， 使得系统能很好地进行 多任务处理 ， 并保证 了系统的实时性 ， 为具有高精度 运动 控制 器 的设 计 提 供 了一 种 良好 的解 决 方 案 ， 缩 短 了系统 的开发周 期 ，简化 了系 统重 构 的流 程 ， 且增 加 了系统 的可靠 性 。在 运 动 控 制领 域 具 有 广 泛 的应 用前 景 。该 系统 成 功地 应 用 于 深圳 吉 阳 自动 化公 司 的 动力 电池 激光 静 态 极 片切 割 机 上 ，控 制 切 割精 度 在 1 m m 之 内 ， 完 全 达到期 望 的控 制效 果 。 [ 参考文献 ] 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