CN105988409A - 一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统。所述的数控系统主要包括人机界面、硬件系统和软件系统，人机界面对软PLC控制系统进行实时的监测和控制，监测主要包括显示单个工件加工的进度、加工速度、激光器功率、产量、I/O状态等，控制主要包括启停开关、设置加工速度、激光器功率、逻辑运动、三轴联动等；软PLC控制系统根据人机界面发出的指令，基于EtherCat总线通讯对分布式I/O、传感器、伺服轴、激光器、逻辑运动件进行监测和控制；开发闭环温度控制，能够实时地监测焊接点的温度，并具有报警功能。该数控系统具有集成度高、精度高、实时性好、人机界面交互性好、可靠性和可扩展性强等优点。

Description

一种基于 EtherCat 总线通讯和软 PLC 平台的数控系统

技术领域

本发明涉及一种塑料激光焊接数控系统，具体涉及一种基于EtherCat总线和软PLC平台的激光焊接数控系统，属于特种加工设备的自动化控制领域。

背景技术

在复杂数控系统中，存在布线困难、通讯协议冲突及传输速度慢等难点，严重影响柔性数控系统在自动化制造领域中的发展。EtherCAT（以太网控制自动化技术，Control Automation Technology）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。因此采用EtherCat总线通讯方式能够较好的解决上述问题。

可编程控制器PLC的应用为三大工业自动化支柱之一，几乎覆盖了所有的工业领域，成为当今世界的潮流，集成模拟量处理、高速计数、远程输入输出以及网络通信等功能；同时硬PLC也具有难以构建开放的硬件体系、通讯协议困难和人机交互性差等缺点。软PLC在硬PLC的基础上，以通用操作系统和 PC为软硬件平台，用软件实现传统硬件PLC 的控制功能，遵循了IEC61131-3的软件思想和技术标准，支持用各种语言（C/C++/CoDesys）等编写编译的模块放在PLC内部运行，集逻辑控制、运控控制、多轴联动、可视化于一体，并且可通过软件裁剪的方式选择PLC的功能，支持众多工业以太网总线，可扩张性功能强大，特别适合在复杂生产线和数控系统中的应用。

发明内容

本发明创新提出一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，数控系统主要包括人机界面、硬件系统和软件系统。人机界面对软PLC控制系统进行实时的监测和控制，监测主要包括显示单个工件加工的进度、加工速度、激光器功率、产量、I/O状态等，控制主要包括启停开关、设置加工速度、激光器功率、逻辑运动、三轴联动等；软PLC控制系统根据人机界面发出的指令，基于EtherCat总线通讯对分布式I/O、传感器、伺服轴、激光器、逻辑运动件进行监测和控制；开发闭环温度控制，能够实时地监测焊接点的温度，并具有报警功能。通过上述软PLC数控系统，达到从上到下的高度集中控制。

为了达到上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明目的是用以下方式实现的： 一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，所述的数控系统，其特征在于：基于EtherCat总线通讯和软PLC平台开发环境，软PLC控制系统根据人机界面的控制指令，通过EtherCat总线与下位机（分布式I/O、传感器、伺服轴、激光器、逻辑运动件和扩展模块）进行通讯，发出相应的控制指令，实现逻辑运动、激光器控制(功率控制、开关控制、红光控制、发光模式控制、发光波形控制、温度控制等)、NC三轴联动等，并接收传感器、激光器、逻辑运动件、伺服轴等状态信号；通过上述基于EtherCat总线和软PLC平台的数控系统，达到从上到下的高度集中控制。

所述的软PLC 数控系统由硬件系统、软件系统及人机界面组成。其中硬件系统包括CPU、存储器、通讯接口、输入输出单元、激光器、伺服轴、逻辑运动件等，硬件系统中的各个部件均通过EtherCat总线分布式联接，所有部件都使用完整的EtherCat通讯协议和通讯接口，免除系统中各个部件通讯协议冲突等难题；软件部分包括系统程序和用户程序，该PLC数控系统采用性能稳定的32位Linux操作系统，用户程序基于国际电工委员会(IEC) 制定的可编程逻辑控制器标准IEC61131-3，工业实时操作系统采用功能强大的软PLC软件编程工具CoDeSys；人机界面为数控系统的实时监测和控制界面，具有可操作性强的特点。

所述的CPU采用X86（IntelAtomD525（13W）的处理器；输入输出包括数字量I/O和模拟量I/O，其中数字量I/O用于发出和接收开关信号，模拟量I/O用于控制和监测激光器功率；NC运动控制采用4个伺服轴，其中送料和出料采用2.5KW的伺服轴，激光头的运动执行部件采用100W-200W-200W的三轴联动，使得激光器能够焊接平面和空间任意复杂曲线。

所述的工业实时操作系统基于软PLC软件编程工具CoDeSys。

与现有技术相比，本发明的效益在于：

1） 本发明采用基于EtherCat总线通讯方式，并结合分布式拓扑连接和驱动放大器，有效地解决了复制数控系统中通讯协议困难和传输效率的问题，提高系统的实时性和可靠性；

2） 本发明采用软PLC数控系统，有效地解决了硬PLC也具有难以构建开放的硬件体系、通讯协议困难和人机交互性差等缺点，并支持多种编程语言，系统开放性和可拓展性更强。

3） 本发明采用CoDeSys编程工具，不仅实现了基本的逻辑运动控制、激光器的控制及良好的人机交互功能，还能实现CNC三轴联动，使得激光器能够焊接平面、三维复杂曲线。

附图说明

图1是本发明软PLC数控系统的结构示意图。

图2是本发明激光焊接系统的工作流程图。

图3是本发明激光焊接系统的用户程序框图。

具体实施方式

如图1所示，软PLC数控系统，由硬件系统、软件系统和人机界面组成。

所述的硬件系统包括CPU、存储器、通讯接口、输入输出单元（数字量I/O、模拟量I/O）、激光器、CNC三轴联动、变频器、逻辑运动件等，硬件系统中的各个部件通过EtherCat总线连接，所有部件都使用完整的EtherCat协议和通讯接口，免除系统中各个部件通讯协议冲突等难题。

所述的硬件系统CPU采用X86（IntelAtomD525（13W）的处理器；存储容量大于32G；输入输出包括数字量I/O和模拟量I/O，其中数字量I/O用于发出和接受开关信号，模拟量I/O用于控制和测量激光器功率；激光器为自主研发高性能半导体激光器，并研发可视化焊接头光学系统，根据激光透射焊的原理，能够焊接大部分热塑性塑料；系统中有4个伺服轴，其中送料和出料采用2.5KW的伺服轴，激光头的运动执行部件采用100W-200W-200W的三轴联动，使得激光器能够焊接平面和空间任意复杂曲线。

所述的人机界面为数控系统的实时监测和控制界面，具有可操作性强的特点。实时监测系统中各个I/O状态、伺服轴状态、激光器功率、逻辑运动件等其他部件的状态，控制命令包括：启停控制、三轴联动插补路径规划、逻辑运动件的动作、激光器控制及其他基本参数设置等；并且能够记录历史产品焊接的产量、相应参数及焊接效果，方便产品追溯。

所述的软件部分包括系统程序和用户程序，该PLC数控系统采用性能稳定的32位Linux操作系统，用户程序为基于国际电工委员会(IEC) 制定的可编程逻辑控制器标准IEC61131-3，工业实时操作系统采用功能强大的软PLC软件编程工具CoDeSys。

所述的软PLC用户程序，功能强大，主要包括：（1）CNC三轴联动插补，能够解析绝大部分G代码，包括直线、圆弧、平面样条曲线和空间样条曲线等，插补精度<0.01mm；（2）激光器的控制，包括开关信号、功率控制、红光控制、发光模式控制、发光曲线控制和功率实时监测等；（3）逻辑运动控制，包括启停、送出料、气缸动作等。

所述的CoDeSys编程工具采用结构化文本，结构化文本是高级编程语言，类似于高级计算机编程语言PASCAL，采用结构化文本特别适合大中型的控制器，尤其涉及大量的模拟量运算处理及多轴联动插补。

如图2所示，软PLC数控系统的工作流程图，主要包括：启动→系统检测→上位机控制信号→复位→上料（人工）→送料→夹具装夹、升降门下降→CNC三轴联动插补、激光器控制→夹具退回、升降门上升→出料→下料（人工）。由此可见该数控系统，自动化程度非常高，只有在上料和下料需要人工完成，其余全部实现自动化，并且该系统还具有优良的报警和故障诊断功能。

如图3所示，软PLC数控系统用户程序，主要包括：系统检测、手动焊接、自动焊接、示教焊接、参数设定和温度控制。

软PLC数控系统采用红外温度传感器对焊机点进行温度控制，并将焊接点的温度实时显示在控制界面，当焊接温度点超过设定温度，实施报警。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，所述的数控系统，其特征在于：基于EtherCat总线通讯和软PLC平台开发环境，软PLC控制系统根据人机界面的控制指令，通过EtherCat总线与下位机（分布式I/O、传感器、伺服轴、激光器、逻辑运动件和扩展模块）进行通讯，发出相应的控制指令，实现逻辑运动、激光器控制(功率控制、开关控制、红光控制、发光模式控制、发光波形控制、温度控制等)、NC三轴联动等，并接收传感器、激光器、逻辑运动件、伺服轴等状态信号；通过上述基于EtherCat总线和软PLC平台的数控系统，达到从上到下的高度集中控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，其特征在于：所述的软PLC 数控系统由硬件系统、软件系统及人机界面组成；其中硬件系统包括CPU、存储器、通讯接口、输入输出单元、激光器、伺服轴、逻辑运动件等，硬件系统中的各个部件均通过EtherCat总线分布式联接，所有部件都使用完整的EtherCat通讯协议和通讯接口，免除系统中各个部件通讯协议冲突等难题；软件部分包括系统程序和用户程序，该PLC数控系统采用性能稳定的32位Linux操作系统，用户程序基于国际电工委员会(IEC) 制定的可编程逻辑控制器标准IEC61131-3，工业实时操作系统采用功能强大的软PLC软件编程工具CoDeSys；人机界面为数控系统的实时监测和控制界面，具有可操作性强的特点。

3.根据权利要求2所述的一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，其特征在于：所述的CPU采用X86（IntelAtomD525（13W）的处理器；输入输出包括数字量I/O和模拟量I/O，其中数字量I/O用于发出和接收开关信号，模拟量I/O用于控制和监测激光器功率；NC运动控制采用4个伺服轴，其中送料和出料采用2.5KW的伺服轴，激光头的运动执行部件采用100W-200W-200W的三轴联动，使得激光器能够焊接平面和空间任意复杂曲线。

4.根据权利要求2所述的一种基于EtherCat总线通讯和软PLC平台的数控系统，其特征在于：所述的工业实时操作系统基于软PLC软件编程工具CoDeSys。