基于MODBUS TCP的全自动弯管生产线控制系统设计

周舟

（中国船舶重工集团有限公司 第八研究院，江苏 扬州 225000）

0 引言

早期的弯管机主要通过继电器和机械传动的功能组合实现控制和运动，需要操作经验对弯管设备进行操作完成弯管工艺流程，因此，人为造成的误差也就不可避免。同时，不仅增加了生产成本，而且在弯管过程中的人工操作严重影响了弯管机的工作效率。随着工业发展需求，各行业对管材的质量和弯曲精度的要求也有所提高。液压弯管机具备运行平稳、基本结构简单、运行噪声小等特点，在生产中逐渐取代机械传动结构的弯管机[1]。半自动弯管机中的弯管轴可以实现对弯角的自动控制，极大改善了效率，同时保证了管件弯曲部分的受力均匀性，提高了管材使用寿命。自动弯管机增加了辅助性的自动送料，同时相比于半自动弯管机可以实现空间自动转角功能，可以更好地适应大型工厂中大批量、多规格的生产，推动了管材加工行业的发展和相关产业的进步[2-3]。自动弯管机的传动结构依然使用液压的形式[4-5]。虽然相比于人工其传动相对稳定，但也无法满足现代生产的多样化、定制化等需求。尤其在航空业、管道运输业等要求管件精度高、使用寿命长的领域其缺陷更加突出。全自动数控弯管机[6-7]的出现无疑填补了这一市场空白。全自动数控弯管机可以自主选择工艺流程，用户输入管材、模具、机械本体等的相关参数后可以实现自动送料、弯管等一系列动作，适用于当下生产活动中小批量、多样化、个性化的需求[8]。

本设计结合弯管机的使用需求和弯管过程的工艺流程，采用Cotex-M4 CPU为内核的微型控制芯片为控制系统的核心，结合MCGS触控一体机及伺服控制系统开发一款满足现有市场要求和用户需求的全自动四轴弯管机控制系统[9-10]。

1 基于MODBUS TCP的全自动弯管生产线控制系统总体设计

1.1 方案的确定

本设计开发了一套可以替代PLC作为全自动弯管机的控制系统。以Cotex-M4系列作为核心处理器，结合北京昆仑通泰公司开发的MCGS触摸屏系统[11]，使用KEIL5软件开发主控制系统程序，使用昆仑通态公司的开发软件MCGS TCP系列嵌入式产品开发出控制屏的操作界面[12-14]。同时，重新设计了一套适合于该系统的电气控制板块。通过与弯管机工艺及用户需求相结合实现弯管机的自动弯管、自动上料、自动取料功能。

1.2 弯管机基本工作原理

全自动四轴弯管机主要由送料小车和机头组成，如图1所示。送料小车部分又由抓料模和转角电动机组成，液压缸的推动致使抓料模的夹具夹紧，使管件在弯管过程中不至于因随意移动而影响弯管质量。转角电动机在抓料模夹紧状态下可以以管件横截面中心为圆心作垂直于Y方向空间内的任意角度旋转。当送料小车以设定速度移动到指定位置并且以设定速度旋转设定角度后，机头部分的导向夹将管件夹紧，随后主夹（即图1中的夹块）夹紧管件，此时管件嵌入弯曲模的凹槽内。夹块以一定速度向C方向弯曲设定角度，在弯管过程中管件势必会受到Y方向的拉力，可能会引起弯管处的受力不均，导致产品不合格，因此弯管时导向夹沿Y方向移动减小管件在Y方向所受的阻力，即实现辅推功能。弯曲模直径的大小决定了管件所弯的弯角弧长。至此，弯管机的基本弯管流程已经完成。

图1 全自动弯管机工作原理示意图

在实际弯管时必须结合复杂的相关工艺才能加工出符合要求的合格产品。满足上述弯管机基本动作规范和原理的同时，通过控制弯管机每个部件的动作顺序来实现相关工艺要求。全自动四轴弯管机的伺服系统驱动控制送料、转角、弯管和模座移动4个动作，保证这几个主要动作的精度，提高管件质量。其余各部分动作，如模层上下移动、抓料模、夹块、导向夹的夹紧和松开等动作均由液压系统控制。图2为弯管机局部工作原理图。

图2 全自动弯管机工作局部原理示意图

1.3 总体设计思想

运用MCGS组态软件开发出生产线的总控界面，使用MODBUS TCP作为系统的设备间通信协议，进行协议分析，通过各设备间的IP 地址完成设备间的通信连接，实现整个生产线设备间的数据传输与 交 换。 以Cotex-M4 系列作为核心处理器，使用KEIL5软件开发主控制程序。在进行上位机MCGS组态软件与下位机运动控制器进行联合调试，最后进行生产线调试。整条生产线实现的加工流程大致为：上料机与机器人配合实现自动上料→通信按钮提示上料完成→弯管机自动进行弯管→弯管完成提示按钮接通→机器人取料至传送带或放至AGV送料小车上→分析路况计算最佳行驶路径→送料→小车反馈送料完成信息并回程→循环以上操作。

2 全自动弯管生产线控制软件设计

2.1 MCGS 控制界面开发设计

由MCGS生成的用户应用系统，其结构主要由主控、设备、用户、实时数据库和运行策略5个部分组成，如图3所示。MCGS的软件界面开发其实就是对每个窗口的构建，对窗口内添加的构件的属性进行设置，对父设备与子设备的通信地址进行设置及脚本程序的开发。图4所示为用户界面总控窗口。

低调，是一种品格，一种姿态，一种风度，一种修养，一种胸襟，一种智慧……是做人的最佳姿态。山峰不显摆自己的高度，并不影响它耸立云端；大海不显摆自己的深度，并不影响它容纳百川；大地不显摆自己的厚度，并不影响她承载万物……

图3 MCGS用户系统

图4 用户界面总控窗口

图5所示为在设备窗口添加的上料机、机器人、弯管机3个子设备，单击各子设备可对IP通信属性进行设置。

图5 设备窗口

图6所示为实时数据库窗口，实时数据库为MCGS系统的核心，同时也承担着整个系统的数据处理中心的重要角色，系统的各个部分将实时数据库作为公用区用来进行交换数据，实现各个动作的协调与信息的互换。

图6 实时数据库窗口

图7所示为运行策略窗口，通过在窗口内添加“策略组态”定义循环策略块，将一个顺序进行的监控系统变为一个运行流程自动控制的系统。

图7 运行策略窗口

2.2 通信脚本程序开发

脚本程序是MCGS组态软件的内置编程语言引擎，更加灵活地解决常规组态方法难以解决的一些控制与计算问题。列举一小段程序：

程序主要使用if then的循环语句，易懂。其中!BitTest表示字节检测，用来检测字节是否为1，! BitSet是字节不为1的情况下将字节至1的命令。将整个系统程序保存到运行策略窗口的脚本程序中即可运行。

3 运动控制器的程序设计

本次设计采用STM32F407VGT6芯片作为整个控制系统的核心控制器。STM32F407VGT6是一款基于Cortex-M4处理器的控制芯片。Cortex-M4是一款ARM公司的一款芯片，全自动弯管机控制器程序设计采用的是计算机C语言，使用Keil uVision5软件开发设计程序。

3.1 主要程序函数

本设计的运动控制器中主要的程序函数为控件响应函数与自动控制运行程序函数。

每一类控件都有一个控件响应函数，这些响应函数都在其相应的控件类型下调用，为程序运行节约时间和资源。本次全自动弯管机程序主要应用了触摸屏控件类型中的按钮控件、文本控件和图标控件。每个界面窗口都有一个screen_id，每一个控件都有一个control_id，当一个界面的控件按下时，响应它的窗口画面id和控件id就会响应，调用需要的动作命令完成动作。

自动控制运行程序函数，本次设计中自动控制程序部分的主要特点是逻辑性强。它与弯管机的弯管工艺、用户需求及机械实际运动情况息息相关。本次设计自动执行程序主要由autoprocess（）、piece_process（）和auto_start（）三个函数组成。

3.2 运动控制器与MCGS通信与响应原理

本设计使用的Cotex-M4为核心的运动控制器包含MBAP报文接受函数与MBAP发送函数，先后接收触摸屏发送的数据报文进行处理与回应报文数据给触摸屏。

运动控制器编写MODBUS SERVER程序，完成以下功能达到上位机触摸屏与下位机运动控制器的连接调试：1）运动控制器接受触摸屏基于MODBUS TCP协议发送的数据帧MBAP报文；2）分析数据帧识别触摸屏提出的不同功能；3）调用子函数处理功能；4）发送报文数据反馈给MCGS触摸屏。

4 MODBUS TCP通信协议

4.1 MODBUS TCP协议分析

MODBUS 通信协议采用的是主从通信模式。具有传输速率更快、处理MODBUS 能力更强的优点。MODBUS通信的实现是采用客户机与服务机之间基于MODBUS请求、证实、指示、响应4个类型报文进行通信[12-14]。

本设计中MCGS组态软件启动相应的任务类型产生请求，运动控制器接受来自MCGS的指示完成指示的任务并且作出响应。MCGS组态软件再将反馈的运动控制器的响应映射到相应的任务请求上，完成证实。

MBAP报文头是MODBUS TCP协议的特色与关键。MBAP共7个字节的长度，各自包含特殊意义，如表1所示。

表1 MBAP 报文头格式

4.2 MODBUS TCP 设备间通信参数属性设置

本设计使用的是莫迪康MODBUS TCP通信, 用于MCGS软件通过MODBUS TCP协议读写各种寄存器的数据；MODBUS TCP通信原理的流程图如图8所示。

图8 MODBUS TCP通信的原理流程图

完成数据的输入输出。驱动类型是以以太网连接的子设备挂在“通用TCP IP 父设备”下来工作的。通信协议为MODBUS TCP IP协议。本设计采用一主多从的通信方式，MCGS组态软件为主，机器人、上料机、弯管机为从。图9所示为父设备上位机的TCP/IP地址属性设置。

图9 父设备TCP/IP属性设置

4.3 AGV小车与MCGS的TCP/IP通信模块设计

AGV小车与MCGS组态软件的通信采用的是无线通信模块，整个无线通信模块是由主机（弯管 器 上 的MCGS）、无线转换器、AGV构成一个小型局域网。按照MODBUS TCP/IP协议，通过各自IP地址实现以太网通信达成数据的交换。

5 生产线系统调试

5.1 调试思路

本系统主要调试设计MCGS 用户界面的菜单控制界面是否有错误，设备响应是否按照程序设置顺序。在系统整体通信运行之前，首先对上料机、弯管机、机器人这些子设备的自身属性进行测试，首先要确保子设备的自身工作正常，子设备的动力系统、通信系统、硬件设备的正常运行。检测设备窗口的子设备与父设备的属性设置是否正确。

5.2 调试与优化

调试过程中有出现子设备响应迟钝的情况，分析原因可能是动作响应程序的不完善，也可能是运动控制器对MODBUS TCP协议报文数据帧的读取分析程序的迟钝。

6 结语

本次研究的全自动弯管机生产线系统采用以STM32F407芯片为核心的运动控制器的伺服系统、北京昆仑通泰公司MCGS触摸屏软元件控制、上下位机人机交互系统、AGV运输系统、MODBUS TCP通信协议，组成了一个完整的基于MODBUS TCP的全自动弯管生产线控制系统。进行了严格的测试实验，来验证系统运行的可行性、稳定性，考察触摸屏软元件控制是否及时响应，机器手上下料环节的动作行程是否准确，AGV运输小车运动是否准确且稳定，采用MODBUS TCP协议构建生产线各设备间的通信是否实现生产线设备间数据的高速、稳定传输。得出结果与预期设想相符合，达到预期设计的基本要求。可实现生产线各个设备间的可靠通信。最后进行了全自动弯管生产线上位机与下位机的联合调试。试验显示，所设计的控制系统能够实现弯管机的自动弯管控制。后续的运输小车系统的路径规划算法与自动避障功能的算法选择与优化仍需要进一步深入研究。