车轮压轧线全液压重载机械手自动控制系统

张世友

（马钢股份有限公司自动化工程公司，安徽马鞍山 243011）

1 前言

在马钢热轧车轮系统中，从加热炉到除鳞机、压机、轧机、冷床等的传递是由机械手来完成的。马钢车轮公司2＃线的机械手全部由德国GLAMA 公司生产制造，其电气控制系统采用西门子工控机作为PC 机，附加特殊功能板进行控制，程序编写完成后打包成可执行文件。在生产维护过程中，一旦出现技术问题将很难得到技术支持，这样将直接影响生产和效益。全液压重载机械手在电气控制方面国内没有成功范例，国外在技术方面不公开，技术支撑成为现有机械手系统维护的瓶颈，定位精度高成为国外厂商漫天要价的法码。马钢公司为了摆脱国外厂商的制约，决定整个机械手由马钢公司自己设计制造，机械部分由马钢第二机制公司设计制造，电气自动控制由马钢自动化工程公司负责。

本着系统结构紧凑、功能灵活、成本低廉、维护简单等原则，这个自动控制系统主要采用西门子S7-300 PLC、UMAC 控制器和HMI（人接口计算机）配合工作完成该项目，实现机械手控制要求的所有控制功能。

2 机械手功能介绍

该机械手的机械结构为四联杆机构,由液压比例伺服阀驱动,实现手臂的伸缩、手臂的升降、机座的旋转、夹钳开闭、钳头旋转等一系列动作，完成将重达700 kg 的坯料在生产设备之间传递；为了提高产品的合格率和品质，要求个别机械手的重复综合精度±1mm,这对工件重量达700 kg，运动距离长达5 m 的机械手来说，要求极其苛刻。

机械手主要有如下三种操作模式：紧急手动摸式、手动摸式和自动模式，操作模式可以通过操作台按钮或HMI 画面随时切换。

2.1 紧急手动模式

在紧急手动方式下，机械化手的动作不受任何限制，各个运动轴可以在机械允许运动范围了自由运动，这时机械手的安全保护功能全部解除，设备的安全由操作人员负责，动作速度可以通过HMI 设定允许输出最大电压来人为控制。这时控制信号由S7-300 PLC 通过模拟量模板给出。

2.2 手动模式

在手动方式下，机械化的动作要受到位置参考表中各位置的设定值的限制，为了保证设备的安全，机械手只有C 轴（机座旋转轴）处于位置参考表中C轴的设定范围内才允许伸出、升降和夹钳开闭动作；在C 轴不处与位置参考表的任何位置时，机械手只能旋转，不允许有其它动作；在机械手臂伸出时机座不允许旋转。这时控制信号也是由S7-300 PLC 通过模拟量模板给出。

2.3 自动模式

在自动模式下，将HMI 换面上编制的机械手动作顺序程序编译成相应的UMAC 运动程序，下载到UMAC 控制器中，UMAC 控制器根据相应的运动程序，输出相应的控制信号，控制机械手各个轴运动的加速度、速度和距离，完成机械手整个动作的控制。同时机械手的安全连锁仍然有效，UMAC 控制根据机械手当前位置和位置参考表中的位置进行比较，决定机械手下一动作的条件是否满足，如不满足，机械化将停在当前位置，等待人工处理。

3 系统的硬件及网络结构

本系统硬件主要由以下部分组成：一套西门子S7-300 PLC 、两套美国DELTA TAU 公司的UMAC 运动控制器、一台西门子Rack 547B 工业计算机组成,控制两台机械手,其中两台机械手的公共液压站、操作台操作的逻辑控制和机械手的手动功能全部由一套S7-300 PLC 完成；两台机械手的自动运动控制由两套UMAC 控制器分别完成，HMI 操作画面在一台工业计算机上运行两套《机械手控制系统V1.0》软件，通过操作台上的按钮进行切换分别显示不同机械手的操作画面实现，系统网络结构图如图1。

图1 系统网络结构图

3.1 西门子S7-300PLC部分

S7-300PLC 主要有PS 电源模板、CPU 模板、CP模板等组成主站和ET200 从站通过Profibus-DP 网络组成，完成机械手手动控制和液压站的启动停止控制。

3.2 UMAC 运动控制器部分

UMAC 运动控制器是美国DELTA TAU 公司生产的多轴运动控制器，是世界上功能最强大、计算速度最快、质量最可靠的运动控制产品之一。它的处理器采用Motorola DSP56303 系列数字信号处理器（160 MHz）。控制器外型呈3U 框架结构，CPU 卡可以通过TCP／IP 协议或UDP 协议与上位机通讯，也可以连接到网络上通过网络进行控制，另外还支持USB、串口以及光纤等传输方式。UMAC 具有灵活的编程语言，最多可控制32 轴同时运动，最多可设置16 个坐标系，具有优秀的直线、圆弧插补、S 曲线加减速、伺服PID 控制、PLC 控制能力并提供各种控制命令、函数。基于UMAC 的强大功能，它被广泛用于机器人、食品加工、机床、印刷、物流输送等各类自动化设备中。

该UMAC 控制器主要由下几个模块组成：电源、CPU 卡、ACC-24E2A 轴卡、ACC-72E（Profibus）、ACC-53E（SSI 绝对值编码器）卡等。该系统中轴卡采用的ACC-24E2A 轴卡是一种输出信号为-10V～+10V 的模拟量输出卡，最多可控制4 轴，用于驱动机械手上的比例伺服阀；ACC-72E 用于通过Profibus 和西门子S7-300PLC 的Profibus-DP 口完成UMAC 控制和S7-300PLC CPU 的通讯，完成手自动信号、机械手位置、连锁等信号的交换；ACC-53E 用于完成机械手各个轴的SSI 编码器位置信号采集，和UMAC 控制算法形成闭环系统，实现机械手的精确定位。

3.3 工业计算机部分

工业计算机是这个机械手控制系统的中心，其主要运行Windows XP 操作系统软件和自主开发的《机械手控制系统V1.0》软件，实现对控制参数的设置和下载及运动程序的编制和编译下载。

4 软件结构及实现

机械手这个系统的软件主要有三部分组成：S7-300 PLC 逻辑控制软件、UMAC 运动控制器的PLC 程序和运动程序、工业计算机上的《机械手控制系统V1.0》软件。

4.1 S7-300PLC软件结构及实现

本控制采用一套PLC 控制两台机械手,为了使软件结构化,同时减少调试时间,将机械手所有功能都按不同功能分成不同FC 和FB 实现,主要有液压站控制FC、机械手操作模式转换FC、机械手手动控制FC、S7-300 PLC 和各机械手通讯数据发送和接受FC、机械手和相邻设备接口通讯FC、机械手报警FC、机械手和HMI 通讯FC、机械手手动限幅及位置判断FB、带S 型曲线斜坡函数发生器FB、判断和相邻设备Profibus FDL 通讯状态FB 等组成。

由于机械手和相邻设备位置较近,为了避免机械手误动作造成相邻设备和机械手的损坏,在S7300 PLC 中设置的64 个参考位置,机械手只能在这64个参考位置中的某些位置(可以根据需要在HMI 上设置)具有伸缩、升降和夹钳开闭动作做，在其他位置，机械手只能在手臂缩回的情况下作旋转动作，所有这些功能都是由机械手手动限幅和位置判断FB配合机械手手动控制FC 实现。

为了使机械手的动作比较柔和，减小机械冲击，在加减速过程中，设计了S 形加速曲线，速度给定有S 形曲线斜坡发生器FB 根据给定速度、加减速时间和S 形加速时间生成，通过比例阀控制机械手油缸的给油流量，从而控制机械手的运动速度。

4.2 UMAC软件结构及实现

UMAC 运动控制器重主要有三种类型的程序：PLCC 程序、PLC 程序和Program 运动程序，其中PLCC 程序是将编程软件PEWinPro32 软件中编制的程序经过编译生成机器码然后下装到UMAC 运动控制器中执行，因执行的是机器码，PLCC 程序占用内存小，有较高的执行效率和较快的执行速度，但不能上装到PEWINPRo32 中，PLCC0～PLCC31 共32个程序；PLC 程序是将PEWinPro32 软件中编制的程序直接以文本的形式下装到UMAC 运动控制器中，由UMAC 控制器解释执行，其能上装到PEWINPRo32 中；PLCC 程序和PLC 程序是循环扫描执行，主要完成逻辑运算和数学计算。

Program 运动控制程序主要完成机械运动的控制，其中每一个机械手运动和UMAC 运动控制器中的一个轴对应，几个相关的轴可以组成一个坐标系，通过设置相应的I 参数，可对每个坐标系的特性进行控制；每个轴和UMAC 运动控制器中的电机对应，通过设置相关的I 参数可对每个动作的特性进行控制。Program 运动程序由相关人员在PEWINPRo32 软件中编制或由其它软件根据一定规则自动生成，下装到UMAC 控制器中，由UMAC 解释执行的。

在机械手控制中，为减小CPU 的负荷，提高控制精度，所有的逻辑运算和数学计算全部采用PLCC程序，主要有三个PLCC 程序，PLCC0 主要完成HMI数据的更新和UMAC 和S7300PLC 通讯数据的刷新；PLCC1 主要根据S7-300 PLC 发送给UMAC 的各个轴的前后位置限定值判断下一动作是否允许执行；PLCC2 实现运动模式的切换、暂停功能的实现、紧急缩回功能的实现、Program 运动程序的启动和停止等。

为了消除各个轴之间的相互影响，将机械手的6 个轴分配在6 个坐标系统内，每个坐标系只有一个轴，这样各个轴就可以任意运动不受其它轴的影响，可以实现几个轴在同时独立运动或某一轴运动到一定位置其它轴开始运动等功能。

因机械手的动作较多、动作顺序变化较大，通常的固定式程序已不能满足工艺要求，为了能够适应工艺要求，采用了由HMI 根据不同工艺由工艺操作人员在HMI 操作画面中根据生产工艺和自行开发的动作指令编制生产动作程序，由HMI 将动作程序编译生成和UMAC 6 个不同坐标系对应的6 个Program 运动程序，根据UMAC 的以太网通讯协议，下载到UMAC 的程序缓冲区内，由UMAC 解释执行，控制机械手产生相应动作。

4.3 HMI计算机软件及结构

HMI 计算机运行的是自主开发的软件《机械手控制系统V1.0》,该软件通过TCP/IP 协议直接与西门子S7-300 PLC 和UMAC 控制器实现高效通讯；该软件主要完成系统配置的修改、系统状态的监视、系统报警事件的产生和记录、运动曲线的实时监视、用户权限的系统管理、运动程序的编制和下装、运动参数的修改和保存等。

为了使机械手能够根据生产工艺的要求灵活改变机械手的动作，设计了大约80 条左右的机械手动作指令，这些指令都是生产工艺人员可读的；工艺人员可以根据生产工艺对应的机械手的动作要求和相应的语法规则编制机械手动作程序，程序编制好后可以保存到磁盘上。

由于在HMI 上编制的机械手动作程序UMAC运动控制器是不能够执行，UMAC 控制器只能执行按照UMAC 运动程序语法规则编制的程序；为了使HMI 所编制的机械手动作程序能够被UMAC 控制器执行，在HMI 软件中实现了将机械手动作程序按照UMAC 运动程序语法要求编译成UMAC 的运动控制程序的编译功能，然后根据UMAC 的通讯协议，将语法检查无误的程序下载到UMAC 程序缓冲区中，并进行保存。因机械手动作指令较少，且意义明确，一般电气维护或生产工艺人员都可以编制机械手动作程序，然后由HMI 中编译模块和下载模块将UMAC 能够运行的程序下载到UMAC 中；这样机械手的动作顺序就可以根据生产要求做非常灵活的调整，节省了大量的人力和物力，同时使整个机械手的通用型大大增强了，运动程序生成流程如图2。

图2 运动程序生成流程

在编程机械手控制系统中，考虑到机械手正常运行过程中通常只会在几个位置之间作往复运动，同时随着机械摩损，目标位置会发生偏移，运行一段时间后需要对目标位置的编码器值进行重新校正；本方案设计了参考位置功能，在UMAC 运动控制器中设计了一张参考位置数据表，该表和HMI 上相应的表对应，同时配合相应的机械手动作指令完成参考运动的功能。在机械手位置发生偏移时，只需要在HMI 的位置参考表中改变相应的参考位置，就可以使机械手的目标位置发生变化，不需要修改机械手动作程序，使系统的维护更为简单，操作非常灵活。

5 结束语

自2008 年11 月投产以来，根据生产的要求对机械手控制系统作了部分调整，目前各项功能全部满足生产需要，部分性能指标已经超越了德国GLAMA 公司产品，完全可以替代进口，为马钢公司节约了大量外汇，产生了巨大的经济效益和社会效益；同时为类似项目的实施积累了宝贵经验和锻炼了人才队伍。

[1]Delta tau Data System，Inc.Turbo PMAC USER MANUAL April 1998

[2]Delta tau Data System,Inc.Turbo PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL April 1998