CN202351658U - 基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路，包括自动生产线调度模块、电源模块、图编程接口模块、I/O接口模块和通信模块，图编程接口模块和I/O接口模块分别与自动生产线调度模块相连，通信模块实现各个模块之间的数据传递以及与电路与外部RS232串口通信；自动生产线调度模块采用嵌入式可编程芯片，执行控制程序控制生产线，完成数据处理、信号处理、任务调度、系统控制工作；图编程接口模块提供人机交互功能，并支持在线组态技术，可以根据需要选择显示内容和方式；I/O接口模块采用全隔离的输入输出接口方式；电源模块为整个电路提供工作电源具有降低控制系统生产成本，适应当前轴承加工系统控制更便捷、易修改、易扩展的需要。

Description

基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路

技术领域

本实用新型涉及轴承切削自动生产线的控制电路，尤其涉及轴承切削自动生产线专用控制电路。 

背景技术

机床工具行业作为机械装备工业的重要组成部分，在整个国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。从行业总体来看，我国机床工具行业目前正处于自1992年以来最好的发展时期，市场呈现出供不应求的良好局面。尤其是自1999年进入新的增长期以来，我国机床工具行业产值逐年增长，产品结构不断调整，产品质量日益提高。 

尽管近几年我国机床工具行业已经取得了很大进步，但在当前国内外机床市场竞争极其激烈的形势下，我国的机床工具行业则显得竞争力不强，主要表现在我国是机床消费大国还不是机床强国、机床拥有量大但水平低、产品构成依然落后、产品创新能力差、机床可靠性还有待提高等方面。滚动轴承在机床上的使用主要用于下列三个部位：主轴、滚珠丝杠和一般传动轴。 滚动轴承作为机床的基础配套件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的精度、表面质量等。因此，高性能的机床必须配用高性能的轴承。 

．轴承生产设备现状 

 精密机床轴承技术含量高、附加值高、加工难度大，世界各大轴承公司都投入了极大的精力开展精密机床轴承的开发和研制。目前，国外生产精密机床轴承的生产厂家主要有德国FAG公司、法国SNF公司、日本NSK公司、瑞典SKF公司、日本NTN公司等。 

我国轴承行业整体水平与发达国家相比存在较大差距，特别是在精密轴承的开发和研制方面，由于受加工设备、制造工艺以及相关技术的限制和制约，目前，国内能批量、配套生产精密机床轴承的生产厂家只有洛阳轴研科技股份有限公司、哈尔滨轴承集团公司等少数几家公司。 

．轴承设备控制器现状 

1）PLC

可编程控制器(PLC)是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极为广泛的应用。但作为量大面广的产品，其在控制精度、功能和价格方面存在一定的缺陷；随着技术的进步，越来越多的设备开始采用专用控制器，实现最佳性价比。

2）专用控制器 

国内轴承生产加工控制系统的研究，还处于起步阶段，整套控制系统开发、生产的企业寥寥无几，目前市场上控制器的设计和控制机械系统的开发是分离的，由于这种现状导致轴承设备控制系统技术的不协调发展，与国外产品相比较仍存在较大差距。

．控制器程序开发方式现状 

目前，轴承设备专用控制器程序普遍采用封闭式的开发模式，采用C、VHDL等高级语言编写核心控制算法，在控制器出厂时固化在EEPROM或者Flash等介质中，轴承设备生产企业无法对控制算法进行修改，无法针对终端客户的特殊需求对控制算法进行定制。当新的需求产生时，由轴承设备生产企业将需求信息传递到控制器生产厂家，控制器生产厂家根据需求编写相应的算法程序。在这种模式下，由于没有形成一种标准化的逻辑语言组件，在开发程序过程中，特别是新的控制器、新的应用模式产生时，很难高效、可靠的开发出相应的控制算法，对于迅速响应市场带来不利，市场急需一种高效、可靠的开发模式。另外，在当前这种开发模式下，控制器知识产权掌握在控制器开发商手中，轴承设备企业不具备知识产权，对于轴承加工控制系统自有品牌的构建、与国外同类产品的市场竞争产生不利影响。

发明内容

针对当前轴承设备生产企业自有技术含量低，缺少自主知识产权的技术，产品更新周期长，无法适应快速变化的市场需要以及客户的特殊性能需求，以及充分利用嵌入式系统发展过程中的硬件条件，达到少部件、高可靠性的目的，结合当前轴承控制系统发展趋势，提出基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路及系统。 

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下： 

基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路，包括自动生产线调度模块、电源模块、图编程接口模块、I/O接口模块和通信模块，所述图编程接口模块和I/O接口模块分别与自动生产线调度模块相连，所述通信模块实现各个模块之间的数据传递以及与所述电路与外部RS232串口通信；所述自动生产线调度模块采用嵌入式可编程芯片，执行控制程序控制生产线，完成数据处理、信号处理、任务调度、系统控制工作；所述图编程接口模块提供人机交互功能，并支持在线组态技术，可以根据需要选择显示内容和方式；所述I/O接口模块采用全隔离的输入输出接口方式；所述电源模块为整个电路提供工作电源。

进一步的，所述电源模块采用双隔离稳压的方式给电路供电，所述双隔离稳压的方式为稳压模块输入电压为24V+20%，产生稳定的5V，并在其后增加一层隔离稳压模块。 

本实用新型的有益效果在于：利用嵌入式SOC控制器芯片、专用控制器PLC化和智能控制技术等前沿技术，开发出符合当前市场趋势的智能化控制系统、开发开放式的控制系统软硬件平台，同时研究符合轴承加工需求的机械设备设计方法，为轴承设备制造企业降低控制系统生产成本、开发具有自主知识产权的控制系统提供支持，适应当前轴承加工系统控制更便捷、易修改、易扩展的需要。 

附图说明

图1为控制电路框图； 

图2为系统的框图；

图3为传统电源模块的示意图；

图4为本实用新型电源模块的示意图；

图5为本实用新型图编程技术的示意图；

图6为本实用新型控制程序开发模式演变图。

具体实施方式

下面将根据附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。 

基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制包括硬件系统和软件系统两个组成部分。硬件系统以智能控制器芯片为核心，结合外围功能部件，构成轴承自动生产线控制器主板，完成轴承生产线控制程序的运行，同时通过生产线机械装置，构成生产线控制系统。本实用新型在现有的技术上对控制电路及应用控制电路的系统进行改进,软件部分为自动生产线控制器的编程、调试工具，完成控制程序的开发以及程序的调试、监控运行功能。通过该技术，电气工程师可以方便在设计好的生产线上，实现对生产线运行逻辑的编程，完成针对不同轴承元件所需的不同加工工艺流程的控制需求。系统研发内容如下所述： 

1．控制系统硬件

生产线控制器主板是控制器主要部件，负责自动生产线调度程序的执行，结构框图如图1所示,硬件系统主要包括：自动生产线调度模块、电源模块、图编程接口模块、I/O接口模块和通信模块五大部分。

(1) 自动生产线调度模块 

该模块是整个系统的核心模块，采用嵌入式可编程智能芯片为核心，执行控制程序达到控制整个生产线的安全可靠运行的目的，主要完成整个系统的数据处理、信号处理、任务调度、系统控制等工作，具体包括逻辑信号处理、模拟信号处理、通信数据处理、图形显示数据处理、生产线运行管理等。

(2) 电源模块 

提供整个系统工作电源。不同于普通工业控制系统，轴承机械属于精密加工机械，各个功能部件价格昂贵，操作不当容易损坏，控制系统需要高可靠性电源，因此设计电源模块时，各模块间的供电需要进行隔离处理以提高系统的抗干扰能力，同时还应通过周波跌落，群脉冲等EMC测试从而有效保证整个控制系统有效、可靠、稳定地运行。系统采用单24V电源工作方式、抗反接电路，用以保证现场使用的方便和安全。

(3) 图编程接口模块 

提供系统人机交互，包括系统工作状态、信号显示、参数设置、报警提示等功能。该模块支持在线组态技术，用户可以根据需要选择显示内容和方式，在不退出系统运行的情况下可以直接进入组态环境并修改组态使修改后的组态直接生效，而且使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。

(4) I/O接口模块 

系统采用全隔离的输入数出接口方式，即使在大冲击、强干扰情况下，IO设备工作异常，也不至于影响核心控制模块工作，确保在外围出现不确定因素下保证不会产生不可预料的工作情况。

(5) 通信模块 

主要实现系统内部间数据传递以及外部RS232串口通信，支持常用通信协议。

以上5个模块构成了轴承自动生产线控制器主板的主体，提供了整个生产线系统的硬件运行平台，通过智能芯片和外围部件的合理搭配设计，有效保证了系统安全可靠运行，同时为现场可编程提供了硬件运行环境。 

控制系统软件 

系统软件平台结构框图如图2所示：

(1) 引擎驱动生成模块

根据系统硬件平台控制器的体系结构，通过该模块生成对应的系统引擎，包括系统初始化程序、驱动程序、调度程序等，为控制算法提供接口。

(2) 图编辑模块 

平台采用图形化的程序开发方法，使用图编程比使用传统的C语言或汇编语言开发更直观、更便捷，且不容易出错，一般的电气工程师都可以掌握，从而为现场的更改调试带来极大的便捷。提供自定义构件的生成方式，为后续产品开发、应用调试、维护提供基础。

(3) 编译生成模块 

将图编辑模块编辑的图形程序编译生成对应硬件平台控制器的专用机器语言，嵌入到引擎模块中，构成系统运行程序。

(4)下载模块 

通过专用的协议，该协议可以是现有的,也可以根据自己需要自行进步编程,将编译生成模块生成的程序代码下载到系统硬件平台中。

(5) 在线调试诊断模块 

工程师可以通过该模块对控制程序进行现场在线调试诊断，从而有效保证程序的正确性及可靠性。

技术关键:1．电源模块设计 

传统的机械装备控制器，供电方式通常采用的是由开关电源提供24V作为I/O的工作电源，提供5V作为系统CPU及其外围部件的工作电源。其电源工作模式示意如图3所示：

图中，开关电源作为交流转直流的部件，起到了隔离220V和直流24V、5V的作用，但是开关电源的输出稳定性直接影响系统的性能，特别是5V电源信号的波动将引起系统的工作混乱，严重时导致系统损坏。本控制器采用双隔离稳压的方式给系统供电，如图4所示，对于该电路，隔离稳压模块输入电压为24V+20%范围内，均可以产生稳定的5V，足以保证在开关电源供电不良导致输出电压波动时使得系统CPU可以正常工作。另外，多一层隔离稳压模块，可以有效提高系统的抗电源干扰能力。通过该方式可以有效保证芯片工作的可靠性，进而保证通信数据的正确性和稳定性。通过项目组实测表面，使用该电路构成的控制器可保证EMC群脉冲测试四级。

另外，在这种供电模式下，由于采用单电源供电方式，对于开关电源的选择提供了很大的便利。 

．自动生产线控制器软件引擎设计与生成 

由于嵌入式芯片的多样性，使得用户程序移植困难，在更换了嵌入式芯片后，需要重复开发控制程序，使得开发效率低。因此，为了实现对不同应用领域定制控制器，灵活选择所需CPU，同时又要快速完成系统的开发，需要提供一种方法，使得对由不同CPU构成的系统采用相同的开发方法，抽象不同CPU的具体实现细节。在选择具体的CPU后再对抽象CPU模型进行实例化。可以以Cotex-M3芯片系列作为切入点，引擎构造实现通用引擎的描述，包括初始化、定时器、中断、通信等。通用引擎包括了各类CPU共有的属性和框架，为针对特定CPU的引擎构造提供统一的结构，不同CPU的特性通过引擎特性接口实现共性和特性之间的交互。研发成功后，当设备改变而需要其它类型的芯片时，可以采用同样的方法快速实现引擎的生成。

．图编程技术 

对于传统的轴承生产线专用控制器，由于程序是由专用控制器厂家出厂时固化，而且处于封闭式的程序开发模式，轴承设备厂家无法针对不同的加工工艺修改程序，从而限制了新产品的开发。本实用新型开发的轴承专用控制器，采用开放式设计理念，以满足轴承设备生产企业二次开发控制算法为目标，通过软硬件结合的设计方式，利用系统软件平台，可以便捷地进行现场程序更改、下载、扩展、调试等功能，从而可满足客户个性化要求及特殊场合的特殊需求。另外，通过项目开发的软件平台或操作器，实现了现场控制程序程序的在线诊断。为满足维护不当或长时间工作后某些I/O点损坏的可能，可以在现场更改异常逻辑输入或输出点到备用点而不用重新修改程序的功能，从而极大提高维护效率缩短维修时间。系统软件平台通过图形化算法设计环境实现控制算法设计。所有图元件以控件的形式提供给设计器使用，使用者在设计器上拖放控件来设计梯形图。系统应用模式如下图5所示：

4．构件化图形程序开发模式

传统的专用控制器基本采用C、VHDL等语言开发控制程序，存在着调试麻烦、很难查清程序中隐含的BUG等问题，特别是引入指针操作后，问题更加严重。本实用新型采用图作为基本的逻辑组件，实现基本逻辑控制。图逻辑组件在平台设计时经过反复测试，确保正确。编程时，用户通过拖拉控件的方式实现梯形图的编辑，只需要关心控制算法的逻辑，无需担心程序是否存在BUG问题。另外，系统整体程序可采用构件化的设计方式，调试正确的控制算法功能，用户可以方便的通过平台提供的构件化设计方法，形成一个功能构件，为后续产品开发、调试、维护带来方便如图6所示。目前本项目已实现了梯形图的设计与il指令的生成，通过控件拖拉方式实现梯形图设计，设计结果可以用断点调试运行，并对寄存器进行监视。

．现场可编程诊断技术 

通过系统软件平台，可以便捷地进行现场程序下载、更改、扩展、调试等功能，从而真正实现了现场程序的在线诊断，比如当某个输入或输出点出现异常，可以在现场调试并更改异常逻辑输入或输出点达到维修目的，从而极大提高维护效率缩短维修时间。

采用创新架构和技术的专用控制，使得产品的结构更为紧凑，减少中间环节。将目前的控制器成本降低20%～30%。以每年应用500条生产线，每条生产线需4台控制器，平均每台控制器节约成本500元计算，每年可为企业节约生产成本约100万元。 

系统具有现场可编程调试诊断功能，维护工程师可以在现场通过调试解决绝大部分故障，从而可以快速解决问题，提高维护效率，每台控制器一年的维护费用可降低40%～50%。以每年需维护500台，每台控制器维护节约成本500元计算，每年可为企业节约维护成本约25万元；如果项目能够推广，则可带来巨大的经济效益的同时也为我国轴承生产线的现场可编程诊断技术带来全新的理念。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。 

Claims (2)

1.基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路，其特征在于，包括自动生产线调度模块、电源模块、图编程接口模块、I/O接口模块和通信模块，所述图编程接口模块和I/O接口模块分别与自动生产线调度模块相连，所述通信模块实现各个模块之间的数据传递以及与所述电路与外部RS232串口通信；所述自动生产线调度模块采用嵌入式可编程芯片，执行控制程序控制生产线，完成数据处理、信号处理、任务调度、系统控制工作；所述图编程接口模块提供人机交互功能，并支持在线组态技术，可以根据需要选择显示内容和方式；所述I/O接口模块采用全隔离的输入输出接口方式；所述电源模块为整个电路提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的基于图编程的轴承切削自动生产线专用控制电路，其特征在于，所述电源模块采用双隔离稳压的方式给电路供电，所述双隔离稳压的方式为稳压模块输入电压为24V+20%，产生稳定的5V，并在其后增加一层隔离稳压模块。

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