基于CoDeSys的可重构的焊接自动化控制器

陈树君，张二永，卢振洋，白立来

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

0 前言

随着工业自动化的快速发展，自动化控制结构的多变性和多应用性对运动控制器的灵活性、响应时间、控制精度等方面提出了更高的要求，控制器对可重构性、实时性、高精度的要求越来越高。可重构制造系统概念的提出，对控制体系结构提出了新的发展方向，开放式可重构控制系统体系结构已成为当今自动化控制技术的研究方向[1]。

可重构技术是指利用可重用的软硬件资源，根据不同的应用需求，灵活地改变自身体系结构的设计方法。可重构控制器作为可重构制造系统的执行系统，对其自身快速重构的能力、智能性以及良好的通信能力都有较高的要求。基于PC机的开放式可重构控制结构，能够满足并实现工业自动化领域控制系统开放性和柔性的要求，完成比较复杂的控制任务，其主要特征包括模块化、可操作性、可重构性、可移植性、可扩展性和可交换性。其硬件以总线和网络为基础的模块化拓扑结构，使其在重构时仅需要改变部分模块的配置，即可完成重构任务，有利于系统的集成、维护、扩展和向新技术迁移[2-4]。

本研究结合CoDeSys软件和EtherCAT技术构建可重构控制器，实现对焊接运动平台的控制和对焊接电源的智能控制。重构了基于焊接操作机和变位机的五轴运动平台，变极性等离子焊接电源的工艺参数智能控制平台，使得研究设计的开放式可重构控制器的软硬件构建方法得到了初步的实现，它是可重构控制器的一种实际应用体现。

1 可重构控制器系统结构

可重构控制器的实现以CoDeSys开发系统和EtherCAT实时以太网技术为基础，搭建智能控制器的硬软件开发平台。充分利用软硬件的可重构性，实现模块配置和任务执行。

1.1 开发系统和实时以太网技术

系统采用德国3S(SmartSoftware SolutionsGmbH)公司的CoDeSys嵌入式软PLC系统作为上层用户应用程序的开发系统。CoDeSys是基于IEC61131-3标准，适用于工业控制器和PLC组件的编程工具[5]。它支持IEC61131-3标准中的五种编程语言，即指令表语言（IL）、功能块图（FBD）、梯形图（LD）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）。CoDeSys的最大优点在于它把逻辑控制、运动控制和可视化集成于一体，不需要其他的组态软件就可以轻松实现可视化。其中CoDeSys Soft Motion软件包可将PLC逻辑控制和运动控制（Motion Contro1）合二为一，完美地实现从单轴运动到复杂的多轴轨迹插补的编程和控制。

实时工业以太网EtherCAT是德国Beckhoff公司新开发的一种实时总线技术。其性能优越，不但能解决智能设备间的实时数据交换及高效传输采样数据，甚至能满足基于PC机实时控制的技术要求[6]。将CoDeSys软PLC安装到PC，就构成了基于

IEC61131-3标准的实时运行内核，通过以太网和倍福总线模块通讯，将开发系统和实时运行系统构建成可重构控制系统，能够完成程序的编写编译、下载、调试、运行等。

1.2 可重构系统总体框架

可重构系统的体系结构决定它可以柔性的集成软硬件的组元结构，使系统在控制程序核心处理层和硬件执行控制层都得到最大限度的模块重用。可重构体系的基本构成是：通信接口模块、程序处理模块和执行接口模块，这三大模块决定了控制器的通信能力、信息处理能力和根据任务要求的底层执行能力。

本系统采用主从式的分布式总线网络结构，基于CoDeSys的嵌入式PC作为主站，实现程序处理、人机界面设置、变量配置、硬件组态等。从站网络的构建是利用倍福EtherCAT总线模块，模块化从站节点之间可以通过总线形式任意耦合，并由总线耦合器连接到控制系统的主站，形成分布式结构。系统总体结构如图1所示，主要包括：嵌入式计算机、总线耦合器、以太网总线、伺服控制从站、设备I/O从站、智能通信从站等部分。主站计算机通过实时以太网对从站节点上的设备进行分布式控制、集中式管理和模块化重构，以便根据需求增添或减少节点设备，这种硬件基于网络的模块化结构，能够适应系统的快速、柔性化集成和扩展，大大提高了控制系统的开放性和柔性。

2 可重构自动化焊接控制器硬件平台

智能控制器的重构主要分为运动控制平台和焊接电源智能控制平台，自动化控制器硬件组成如图2所示。运动控制平台的基本结构是三维龙门式焊接操作机和二维翻转旋转变位机，控制器输出对步进电机的控制信号；焊接电源的智能控制平台是针对变极性等离子焊接电源的控制核心MSP430F449单片机，通过RS485通讯接口对单片机的工艺参数控制。此外添加了一些辅助I/O功能，用于以实现运动平台轴控制的回原点操作、限位功能、焊接电源智能控制的焊接信号、故障报警等。

图1 可重构控制系统结构

2.1 运动控制的硬件组成

（1）EK1100总线耦合控制器。它将总线上的100 BASE-TX以太网信号传输给处理器，并将执行信号分布到执行器的执行端。

（2）EL2521-0024高速脉冲模块。它产生步进电机驱动脉冲和方向控制信号，控制执行电机的运动。

（3）EL1004数字量输入模块。主要用于电机执行机构的零位信号、限位信号以及附加的I/O控制。

（4）执行电机及驱动器，采用MOTEC步进系统，三相混合式步进电机SM397（3个）和SM3910（2个），配套驱动器STD3-60-58，其具有精度高、噪声低、运行平稳、性能可靠、启动频率高、高速扭矩大等特点。

2.2 焊接电源控制的硬件组成

（1）EL6021串行端子接口模块。可以控制带有RS485/RS422接口的设备。

图2 焊接自动控制器硬件组成

（2）EL2004数字量输出模块。主要用于电源启停信号、保护气开关等的控制。

（3）MSP430F449单片机。它是变极性等离子焊接电源的控制核心，控制电路部分主要由A/D和D/A模块、RS232和RS485通信模块、开关量的输入/输出模块、PWM驱动模块等组成，控制器中主要是通过RS485串行通讯接口实现通讯。

3 可重构自动化焊接控制器软件设计

根据控制器的运动控制平台和焊接电源智能控制平台，软件开发也是基于这两方面进行设计规划，设计思想要基于焊接装备的功能需求，如：焊缝形状和焊接速度，焊接轨迹的示教功能，焊接工程实时调整功能，焊接工艺参数的分段设定，参数调整功能等。并且要设计出易设置、易操作、易观察监控的人机界面，以方便地结合运动控制和焊接工艺实现自动化焊接的目的。

3.1 运动平台的软件设计

控制器的运动功能：运动功能采用模块化设计思想，先设计各个功能模块，最后再将所有功能模块整合规划，形成控制系统。按照控制模式可分为点动控制模式、自动控制模式和示教模式；按照运动方式分为相对运动和绝对运动控制。此外也包括一些速度和状态监测等功能，设计中应用了大量的可重用功能块，如SMC_HOMING、MC_Power、MC_RESET、MC_STOP、MC_SetPosition、MC_MoveVelocity等。软件设计的功能开发如图3所示。

在五轴运动控制程序中，核心部分是CNC程序，是完成插补运动控制的关键。软件设计用到CNC插补程序模块：SMC_Interpolator、SMC_TRAFOF、SMC_ControlAxisByPos、SMC_NCDecod er、SMC_Check Velocity等。插补执行流程如图4所示。

图4 插补执行流程

控制器的焊接过程实时调整：焊接过程中，根据焊接工艺需要和焊缝位置的偏离，要对焊接轨迹和焊接速度实时调整，在插补路径已经规划好的模式下，可以对焊接速度进行实时微调。在联动控制模式下，对焊接轨迹和焊接速度进行实时微调。

3.2 焊接电源控制平台的软件设计

焊接电源控制的软件设计是应用总线模块EL6021对单片机的RS485接口实现串行通讯，因此在控制器的软件平台和单片机控制程序中做相应的设计和编程。控制器通过总线端子EL6021的RS485接口，按照数据传输协议，将有效数据发送到焊接电源MSP430单片机的RS485接口，接收到的数据经过单片机的数据提取并处理，实现对变极性等离子电源的控制[7]。

焊接电源参数传输的数据共有22个字节，第一字节为起始字节，第二字节开始为有效数据，最后两字节为CRC校验字节。传输格式如表1所示。

表1 数据传输格式

焊接程序的分段设计。焊接过程中，针对等离子焊接工艺，要对焊接程序参数进行分段设置，包含准备段、初始段、上升段、工作段1、工作段n、下降段、收弧段、延时段，将程序段分为N个状态机：case1，case2…case n，每个状态机当中的参数都可以进行设定，焊接程序段的顺序执行通过执行时间设定或者段执行开关进行控制，使得焊接电源对焊接工艺的应用加灵活。

4 性能试验

针对重构成的焊接自动化控制器，性能试验主要是测试搭建的系统的运动控制性能和焊接电源控制功能。检验软件设计的功能是否能够准确的实现、系统运行的实时性、执行精度、运动可靠性、参数传输的准确性、适宜操作性等。

4.1 系统实时性分析

Wireshark是一个网络封包分析软件，可以用来监听在网络上被传送的报文，撷取网络封包，并尽可能显示出最为详细的网络封包资料，网络封包分析软件的功能可想像成“电工技师使用电表来量测电流、电压、电阻”的工作，只是将场景移植到网络上，并将电线替换成网络线[8]。实时报文截图如图5所示，由时间分析项可以看出，循环周期2.97 ms，报文延时86 μs，表明主从站具有很好的实时性。

4.2 运动功能试验

结合焊接自动化控制器，将主从站和运动执行装置连接起来。在可视化界面可以试验点动运动、自动模式和示教模式、绝对运动和相对运动的控制功能。并按照平面和空间，直线和圆弧的分类，做了平面内直线和圆弧轨迹、空间直线和圆弧的运动轨迹实验，以验证运动轨迹的准确性和精度。

图5 Wireshark抓取的报文信息

Text-1是平面轨迹的G代码指令，在控制程序中自动生成的运动轨迹如图6a所示，采集各轴运动轨迹位置数据，并利用MATLAB合成各轴的运动轨迹，如图6b所示。

图6 平面运动轨迹实验对比

Text-2是空间轨迹的G代码指令，由于三维空间轨迹不便观察，因此将其运动轨迹投影到二维坐标平面内。图7a、图8a和图9a分别对应空间运动轨迹在X-Y坐标平面、X-Z坐标平面和Y-Z坐标平面的轨迹投影。而利用MATLAB合成各轴的运动轨迹如图7b、图8b和图9b所示。由平面轨迹和空间轨迹两组实验对比可以看出，控制系统的轨迹控制较准确。

图7 空间运动轨迹在X-Y平面投影对比

图8 空间运动轨迹在X-Z平面投影对比

图9 空间运动轨迹在Z-Y平面投影对比

图10 焊接参数设定界面

图11 串口调试工具显示参数传输情况

4.3 焊接电源控制试验

焊接参数控制试验主要检测控制器对焊接参数数据传输的准确性和焊接程序分段执行的控制功能。焊接电源设定参数包括：DCEN电流、DCEP电流、DCEN时间、DCEP时间、预先送气时间、延时送气时间、初始电流、填充电流、上升时间、下降时间、离子气流量等。试验中设置界面和参数值如图10所示。使用串口工具可以看出（见图11），显示窗口将十进制数值转化为十六进制，第一次接收数据与图10所示一致，第二次接收的数据也与设定值一致（只将第一次传输数据的DCEN电流、DCEP电流、DCEN时间、DCEP时间四个参数进行修改，从十进制数值 120、150、21、4 改为 150、180、20、5，对应的十六进制数值从 78、96、15、4 改为 96、B4、14、5），符合数据传输协议格式，观察等离子焊接电源的液晶屏，也与实际设定数据一致，并在更改参数值后刷屏显示。

5 结论

（1）搭建了基于CoDeSys的可重构的焊接自动化控制器，设计开发了控制器的软硬件平台，应用Wireshark对控制网路进行了分析和研究，表明基于EtherCAT实时以太网的重构控制器有着良好的响应速度和实时性。

（2）试验表明控制器人机界面合理，可以实现运动平台单轴运动、多轴插补运动等功能，基本满足对运动轨迹的控制，结合执行机构可达±0.5 mm的控制精度。

（3）通过倍福端子模块EL6021，能够对变极性等离子焊接电源进行智能控制。完成程序段的设定和参数修改功能。

[1]周祖德，魏仁选，陈幼平.开放式控制系统的现状、趋势与对策[J].中国机械工程，1999，10（10）：1090-1093.

[2]文立伟，王永章.基于开放结构控制器的可重构数控系统[J].计算机集成制造系统，2003，9（11）：1018-1022.

[3]吴 君，殷跃红.可重构控制器的硬件架构[J].机械与电子，2011（3）：57-61.

[4]蔡宗琰，严新民.可重构制造系统的可重构控制器[J].计算机工程与应用，2003（5）：148-150.

[5]王丽丽，康存锋，马春敏，等.基于CoDeSys的嵌入式软PLC 系统的设计与实现[J].现代制造工程，2007（3）：54-56.

[6]Beckhoff G.EtherCAT：The Ethernet Fieldbus[Z].EtherCAT Technology Group，2006.

[7]陈树君，潘冰心.基于现场总线技术的焊接电源网络控制[D].北京：北京工业大学，2009.

[8]康存锋，林志磊，马春敏，等.基于TwinCAT主站的Ether-CAT实时以太网分析与研究[J].现代制造工程，2010（11）：16-18.