CN104281086A - 一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于技术的软PLC自动氩弧焊接控制系统。采用安装有软件的工控机1作为主控制器，伺服驱动器4作为执行单元，主控制器与执行单元之间采用总线3进行信息传递，执行相应的命令。由作为网络主站单元，伺服驱动器4作为从站单元。通信协议在控制系统信息交换过程中保证数据和命令的可靠传送，从而实现对焊机柔性控制，确保焊缝一致性，提高焊接质量。基于技术组成焊机控制系统，采用总线完成通信，使得系统在可靠性、抗干扰性、实时性、通用性、时效性等方面都有显著提高。

Description

一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于EtherCAT通信协议的软PLC自动氩弧焊接控制系统，将其应用于氩弧焊机自动控制，属于制造业自动化领域。
背景技术
随着通信技术与网络控制技术的发展，自动化控制系统对实时性、开放性和高可靠性要求越来越高。作为第五代控制系统，FCS(现场总线控制系统)克服了DCS(集散控制系统)兼容性差、传输故障率高等缺点，以其开放性、精度高、数字化、维护方便、多点通信等特点迅速在自动化系统领域得到发展。
近些年来，随着计算机和自动控制技术的快速发展，焊机已从传统的分立元件控制向集成化、数字化和智能化控制方向转变，以适应焊接技术不断发展的需要。
在焊接行业，现场总线技术也成为了焊接自动化发展的关键。传统以太网采用CSMAD/CD(带冲突检测的载波监听多路访问技术)控制方式不具有实时性，且多轴控制同步性能较差。德国BECKHOFF研发了一种实时以太网技术EtherCAT，用MAC(主从模式介质访问机制)控制方式。逻辑环结构使得主站可判断从站的实时性，并得出具体时间偏移值。分布时钟技术可根据时间偏移值进行修正和补偿，达到设备间的高精度同步性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于EtherCAT通信协议的软PLC自动氩弧焊接控制系统，以解决现有氩弧焊接控制系统信息传输过程中误差率高，兼容性差等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述系统包含系统层、控制层、执行层，系统层和控制层通过EtherCAT总线进行数据传递和通信，控制层和执行层之间由电机动力线5和电机反馈线6进行命令传递和信息反馈；
所述系统层包括工控机1和与工控机1相连的EtherCAT网卡2，所述控制层包括伺服驱动器4、交换机10、触摸屏11、各功能模块9，所述执行层包括伺服电机7、编码器8、其它I/O设备12；
伺服驱动器4、交换机10、各功能模块9通过EtherCAT总线3与EtherCAT网卡2上的通信接口相连；
触摸屏11、其它I/O设备12连接交换机10，通过交换机10与主控机1通信；
伺服电机7通过电机动力线5控制伺服驱动器4；
编码器8通过电机反馈线6与伺服驱动器4相连，编码器8通过电机反馈线6实时将伺服电机7运行情况反馈给伺服驱动器4。
所述工控机1上安装TwinCAT软件，安装有TwinCAT软件的工控机1作为EtherCAT通信的主站，所述伺服驱动器4作为EtherCAT通信系统的从站。
所述EtherCAT通信的通信过程为：主站将下行报文传递给每一个从站，从站找到自己的子报文，对其进行处理并记录报文寻址次数，再将报文信息从最末位置的从站作为上行报文传回主站。
所述各功能模块9包含数字量输入输出模块、模拟量输入模块，用于将采集到的数据信息传递给工控机1，或者将工控机1发出的命令传递给伺服驱动系统，所述伺服驱动系统包括伺服驱动器5和伺服电机7。
所述系统包括三台伺服驱动器5，每个伺服驱动器5上均连接伺服电机7和编码器8，用于带动焊机完成焊接命令。
所述系统能够通过EtherCAT总线连接不少于1台的交换机10，通过交换机10与触摸屏11、交换机10上连接的其它I/O设备12进行通信。
所述伺服驱动器4为施耐德伺服驱动器，包含三台伺服驱动器4。
所述伺服电机7为施耐德伺服电机，包含三台伺服电机7。
本发明的有益效果：采用EtherCAT总线完成信息传递、简化了系统硬件结构、降低了系统成本、增强了系统扩展能力，使得系统信息传递效率高，误差率低，提高了系统普适性，实现对焊机柔性控制，确保焊缝一致性，提高焊接质量，并且使使得系统在可靠性、抗干扰性、实时性、通用性、时效性等方面都有显著提高。
附图说明
图1为本发明的系统构成图。
图2为EtherCAT网络控制系统示意图。
图3为EtherCAT网络主从站运行原理图。
其中，1.工控机；2.网卡；3、EtherCAT总线；4.伺服驱动器；5.电机动力线；6.电机反馈线；7.伺服电机；8.编码器；9.各功能模块；10.交换机；11.触摸屏；12.其他IO设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于EtherCAT通信协议的软PLC自动氩弧焊接控制系统，如图1所示，系统包含系统层、控制层、执行层，其中系统层和控制层之间的数据传递和通信由遵循EtherCAT通信协议的网线完成，控制层和执行层之间的命令传递和信息反馈由电机动力线5和电机反馈线6完成。
系统层包括工控机1和与工控机1相连的EtherCAT网卡2，控制层包括伺服驱动器4、交换机10、触摸屏11、各功能模块9，执行层包括伺服电机7、编码器8、其它I/O设备12；
其中，伺服驱动器4、交换机10、各功能模块9通过EtherCAT总线3与EtherCAT网卡2上的通信接口相连，触摸屏11、其它I/O设备12连接交换机10，通过交换机10与主控机1通信；伺服电机7通过电机动力线5控制伺服驱动器4；编码器8通过电机反馈线6与伺服驱动器4相连。
工控机1中安装TwinCAT软件，TwinCAT软件又称为软PLC或嵌入式PLC，安装TwinCAT软件实现PLC功能，完成对系统的控制、程序的编译执行和其他命令处理功能，本发明的系统中采用TwinCAT，其直接通过通信接口，遵循EtherCAT通信协议传输信号，使通信效率大大提高，加快程序运行。
本发明的通信过程如图2所示，信息传递通过EtherCAT网络进行，EtherCAT网络作为媒介，完成信息传递，工控机1将命令传递到EtherCAT网络，执行机构和检测机构同样通过网络获取命令并将执行情况反馈到EtherCAT网络中；执行机构是指伺服驱动系统，包括伺服驱动器5和伺服电机7，执行工控机1发出的命令，带动被控对象氩弧焊机执行相应的命令；检测机构包括各种传感器及反馈装置，负责将系统中各种执行部件的运行情况传递给工控机。
本发明的一些实施例中，采用施耐德伺服驱动器LXM32MD12N4作为伺服驱动器5，伺服电机7为采用BMH1001P11A2A，伺服驱动器4通过电机动力线5完成对伺服电机7的控制，编码器8实时反馈电机运行情况，通过电机反馈线6将信息传递回伺服驱动器4。
本发明的系统包括三台伺服驱动器5，每个伺服驱动器5上均连接伺服电机7和编码器8，用于带动焊机完成焊接命令，实现对氩弧焊机控制。
本发明的系统具有很强的可扩展性：
(1)EtherCAT通信总线上连接的交换机10可以扩展，若系统中需通信设备数量过多，则只需在系统中添加交换机10，各设备之间通过交换机10进行数据传递；
(2)其他I/O设备12作为本系统功能的扩展，可添加各种支持RJ45接口I/O设备，如工业相机CCD，对焊缝进行实时监控，实现信息传递和系统功能扩展。
本发明中的各功能模块9包含数字量输入模块EL1008、数字量输出模块EL2008、EtherCAT模块EK1110；模拟量输入模块KL3042等，用于将采集到的数据信息传递给工控机1，或者将工控机1发出的命令传递给执行层，完成系统中检测机构对系统运行情况和控制器对执行机构运行命令传递。
本发明的系统中，触摸屏11完成系统实时运行情况监视，实现对系统焊接参数输入和对系统的执行状况控制。
在本发明中，将安装有TwinCAT软件的工控机1作为EtherCAT通信的主站，所述伺服驱动器4作为EtherCAT通信系统的从站。工控机1安装有EtherCAT网卡2，可实现对符合EtherCAT通信协议的命令进行识别与处理，并可与其从站、通信设备通过接口RJ45进行通信。
在EtherCAT网络中，资料帧会一直采用隐含式寻址进行高速传输，只有当遇到所寻址单元时，才会进行数据处理，并向下一个节点传递，一帧资料可供整个网络使用。如图3所示，本发明的EtherCAT通信网络中，下行报文从主站开始进行传递给每一个从站，从站寻找到属于自己子报文，对其进行处理，WKC(Working Count)工作计数器记录此报文寻址次数，所有从站将下行报文处理完毕后，交由最末位置上从站，将处理过的数据信息作为上行报文传递回主站，表示此次通信结束。EtherCAT采用分布式时钟技术将时间精度提高到一个高级别，基本上接近IEEE1588的标准。主站可以监督与修正各从站时间偏移，系统时间以ns计，使系统的信息传递效率高，误差率低。
从站与主站要完成通信，需对硬件设备和各从站设备进行配置。在配置从站之前，要获得施耐德伺服描述文件(.xml)，将其复制到“C:\TwinCAT\IO\EtherCAT”目录下，系统管理器进行硬件扫描时，就可识别该设备，进行从站参数配置，完成I/O组态，使得主从站间可进行通信。主站主要负责解析XML文件、配置网络、调度任务，管理各从站运行状态，配置系统参数，控制网络运行和通信，完成主从站之间数据交换。
在实施例的具体运行过程中，本发明的实施过程需要通过调试，在TwinCAT软件中System manager中组态模块有实时运行组态、NC组态、PLC组态、I/O组态组成，系统调试步骤：
1、伺服电机调试：在系统硬件安装完毕后，需要先对各个轴进行运行调试。施耐德伺服驱动系统用LexiumCT进行调试和运行测试，设置电机参数，确定伺服系统可正常运行后，将参数保存到EEPROM中。
2、TwinCAT对电机调试：在NC组态中，可针对各轴所对应电机参数进行设置，通过online界面对电机进行手动、停止等操作，还可观察速度、位置等状态，Function界面可设置运动的类型，如Reversing Sequence(往返运动)、Absolute(绝对运动)、Jog(点动)等多种模式。确定伺服系统与软件连接成功，NC组态完成。
3、PLC程序调试电机：将PLC控制程序添加到系统管理器，与硬件建立I/O映射，激活配置，完成PLC组态，即可通过PLC程序实现对电机控制。通过对PLC程序在线修改，使得电机做出相应动作，如单轴运行、双轴联动等。
4、现场调试：控制程序编译成功，上电运行，针对实际运行情况及出现的问题进行适当调整，如机械传动机构存在间隙问题及焊接过程产生的偏差，修改补偿参数。
本发明所述基于EtherCAT通信协议的软PLC氩弧焊接控制系统采用安装TwinCAT软件的工控机作为主控制器，通过EtherCAT网络完成对氩弧焊机控制，各种控制命令以数字通信形式直达执行机构，传输速度快、误差率低，增强了系统开放性、经济性、普适性，且此系统鲁棒性好、结构简单，可靠性高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述系统包含系统层、控制层、执行层，系统层和控制层通过EtherCAT总线进行数据传递和通信，控制层和执行层之间由电机动力线(5)和电机反馈线(6)进行命令传递和信息反馈；
所述系统层包括工控机(1)和与工控机(1)相连的EtherCAT网卡(2)，所述控制层包括伺服驱动器(4)、交换机(10)、触摸屏(11)、各功能模块(9)，所述执行层包括伺服电机(7)、编码器(8)、其它I/O设备(12)；
伺服驱动器(4)、交换机(10)、各功能模块(9)通过EtherCAT总线(3)与EtherCAT网卡(2)上的通信接口相连；
触摸屏(11)、其它I/O设备(12)连接交换机(10)，通过交换机(10)与主控机(1)通信；
伺服电机(7)通过电机动力线(5)控制伺服驱动器(4)；
编码器(8)通过电机反馈线(6)与伺服驱动器(4)相连，编码器(8)通过电机反馈线(6)实时将伺服电机(7)运行情况反馈给伺服驱动器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述工控机(1)上安装TwinCAT软件，安装有TwinCAT软件的工控机(1)作为EtherCAT通信的主站，所述伺服驱动器(4)作为EtherCAT通信系统的从站。
3.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述EtherCAT通信的通信过程为：主站将下行报文传递给每一个从站，从站找到自己的子报文，对其进行处理并记录报文寻址次数，再将报文信息从最末位置的从站作为上行报文传回主站。
4.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述各功能模块(9)包含数字量输入输出模块、模拟量输入模块，用于将采集到的数据信息传递给工控机(1)，或者将工控机(1)发出的命令传递给伺服驱动系统，所述伺服驱动系统包括伺服驱动器(5)和伺服电机(7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述系统包括三台伺服驱动器(5)，每个伺服驱动器(5)上均连接伺服电机(7)和编码器(8)，用于带动焊机完成焊接命令。
6.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述系统能够通过EtherCAT总线连接不少于1台的交换机(10)，通过交换机(10)与触摸屏(11)、交换机(10)上连接的其它I/O设备(12)进行通信。
7.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述伺服驱动器(4)为施耐德伺服驱动器，包含三台伺服驱动器(4)。
8.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT通信协议的自动氩弧焊接设备软PLC控制系统，其特征在于：所述伺服电机(7)为施耐德伺服电机，包含三台伺服电机(7)。
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