研华PAC在全自动多轴数定子绕线机上的应用

图1 全自动定子绕线机

一、系统需求

    1.1 三轴运动控制，排线和飞叉轴配合运动；
    1.2 统管十二轴多轴数同步绕线运动，可以同时绕四到八组定子电机；
    1.3 完成自动排线，自动多层、多极、多段绕线；
    1.4 每道工序的动作可自由组合编辑，最终客户可以通过简单工艺二次开发；
    1.5 人性化的用户操作接口，简单的操作方法；
    1.6 无限组、大容量（近4000个变量一组配方）参数配方存取；
    1.7 方便进行I/O扩展与运动轴扩展；
    1.8 实现高绕线精度，绕线精度：+0.01mm，飞叉：0.5度；
    1.9 知识产权保护；
    1.10 所采用的系统需保证适合工厂中震动、宽温、连续生产等严苛要求。

二、系统架构

    根据分析，希望实现以上功能，仅采用一般的“PLC+触摸屏”方式将遇到很多问题，如：多轴联动控制的难度；二次工艺开发的难度；大容量参数配方存取的难度；知识产权保护的难度等。一般的专用控制器或数控系统可能遇到的问题也不少，如：扩展性能欠缺；二次开发难度大等。而这些正是PAC作为新一代自动化控制器的优势所在。研华PAC不仅能够充分发挥IPC的强大运算功能和数据处理能力，保证客户建立二次开发平台，处理海量数据，又能够使用简易的PLCopen程序设计方式。基于Windows CE或者Windows XPE的开放架构，客户甚至可以同时使用各种高级语言（如C++、.NET等）开发应用程序，应用程序甚至工艺模块程序必须完全编译下载，无法上传源代码，保证了程序的安全性；丰富的接口（以太网，串口，USB，VGA等）极大地方便客户进行功能扩展。

    本案采用了研华PAC（如图2所示）进行开发。基于Windows CE操作系统，使用完全兼容IEC61131-3的指令开发下位机控制程序，采用.NET自由开发UI（User Interface）操作接口（如图3所示）。

图2 系统方案


图3 系统架构图

    2.1 研华ADAM-5550KW是专为控制任务而特别设计的，既具有工业PC强大的运算能力，又具备PLC的高可靠性。它在单一平台中实现了包括离散、模拟、运动及人机界面等多种功能。

    2.1.1 采用WindowsCE操作系统；
    2.1.2 ADAM-5550KW支持Modbus RTU/TCP协议；
    2.1.3 内建实时内核，逻辑功能，数据处理功能，运动控制功能，支持IEC61131-3五种程序设计语言；
    2.1.4 采用KW程序设计环境，支持梯形图，功能块，SFC图形化语言的混合程序设计（如图4所示），极大地便于PLC用户轻松掌握；
    2.1.5 自带2个以太网口，4个串口，2个 USB接口，方便用户自由通讯扩展；
    2.1.6 自带VGA接口，支持大尺寸TFT工业显示器，实现大尺寸HMI操作。

图4 PAC支持混合程序设计

    2.2 采用研华ADAM-5240作为四轴运动控制模块，对三轴伺服进行精确控制。

    2.2.1 四轴独立4MHz脉冲输出运动控制模块；
    2.2.2 支持三轴线性插补、二轴圆弧插补运动，连续插补功能；
    2.2.3 预设定点即停及脉冲讯号输出回授比较的功能；
    2.2.4 全面支持第三方脉冲型伺服驱动；
    2.2.5 ADAM-5051S 16路隔离数字输入模块；
    2.2.6 ADAM-5056S 16路隔离数字输出模块；
    2.2.7 ADAM-5024 4通道模拟量输出模块，实现模拟量张力控制；
    2.2.8 统管十二轴多轴数同步绕线运动，可以同时绕四到八组定子电机。

    2.3 采用Microsoft .Net结合研华LogixView库进行UI接口开发。LogixView功能库为客户提供常用的HMI控件和Modbus RTU/TCP等通讯控件。系统提供SQL CE开发数据库功能让客户轻松开发人机界面，通过海量变量通讯和量存储的扩充，充分发挥PAC的海量数据处理功能。
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三、技术实现

    3.1 二次开发功能：

    本系统采用流程控制的开发模式，即系统将执行动作分割为18个局部动作和4组标准的绕线方式，运行时按照“工序1→工序2→ …→工序n”的顺序依次执行各个工序相应的动作。任意工序上的动作可以选择任意的局部动作或绕线方式，友好的人机界面可以满足用户灵活地编辑特有的工艺或者秘密加工工艺。用户通过对各个动作的二次程序设计，实现特殊工艺的二次开发。由于基于PAC开发，操作人员只需在触摸屏上简单点击选择，设定一下参数即可，而无需重新学习复杂的编程语言。降低了操作人员的技术要求，因此在增强系统的灵活性的同时，节约了人力成本。

图5 动作编辑画面

    3.2 大容量数据处理：

    通过Modbus TCP在上下位机（在研华ADAM-5550内部人为分割成两个系统，实时内核充当下位机，WindowsCE系统充当上位机）传输近4000个Real型数据。在上位通过SQL CE的数据库处理，充分发挥PAC的能力，满足了繁琐加工工艺的要求，保证了更好的产品质量。同时ADAM-5550预留的2个以太网口以及4个串口，通过MODBUS可以与第三方设备进行通讯，保证了程序数据结构的一致性，也为之后实现企业信息系统或者功能扩展预留了接口。

    3.3 典型运动工艺：

    整个系统包括统管十二轴多轴数同步绕线运动，可以同时绕四到八组定子电机，每一组控制一圈内置十六个气缸的动作，延时，排线，飞叉等三种绕线方式，分度，张力等二十二个动作，客户可以通过编辑这二十二个动作的顺序与各动作的参数实现不同的工艺（图6所示）。允许客户编辑重复的动作，从而大大增加了客户工艺的自由度，也完全打消了最终客户害怕自己的绕线工艺被设备厂商获悉的顾虑。

图6 工艺画面    

    本控制系统采用IEC61131-3，将复杂的多轴连动，插补等运动控制功能，通过简单的功能块参数设置的方式实现，极大地缩短了开发周期，系统的稳定性也得到了大幅提高（图7所示）。为了适应外转子式定子绕线的特殊加工工艺，集成了极绕、前后空绕、层绕等多种绕线方式（图8所示）。

图7 运动控制程序设计方法


图8 典型的三种绕线方式

    3.4 配方功能：

    本控制系统设置了配方编辑和存取功能，用户可以根据不同的加工工艺，编辑无限多的配方档，并支持在线传输或者U盘导入功能。只要一次编辑，即可无限调用，大大节约了用户的时间和测试成本，对工艺的管理更清晰、更保密（图6所示）。

    3.5 测试功能：

    本控制系统具备完整的测试接口，直观的人机画面，手动强制测试判断各输入输出的正确性，支持IO在线测试功能。各运动轴的在线调试功能，直观地显示了各轴当前的坐标（图9所示）。通过设置排线轴软件限位功能，充分保证了模具和设备的安全，节省了维护成本。通过报警功能自动显示系统出错信息，精确到每个气缸没有到位，为用户提供了稳定可靠的运行保障。

图9 测试画面

    3.6 用户管理功能：

    本控制系统设置了“Admin”、“Operator”、“Guest”三个用户组，可分别设置相关权限。管理员可自由添加或删除用户，修改密码；确保操作权限。

    3.7 注册功能：

    添加了绕线机设备的系统注册功能，可以根据客户的需要设置一定的试用期限（如试用30天），那么当客户使用设备30天后，系统会提示输入注册码后方可继续使用，满足了客户熟悉操作设备的需求。

    本系统所具备的注册功能、PAC下位机功能块加密、上位机仅下载编译后可执行程序的三大功能，实现了对用户知识产权的保护。

四、结束语

    综上所述，采用PAC架构开发的自动定子绕线机，既具有工业PC强大的运算能力，又具有PLC的高可靠性。多种加工工艺可自由组合，协助用户简单地实现二次程序设计功能，无限量的配方存取，简单的操作接口，极大地降低了用户工艺的开发和管理成本。直观简洁的报警信息显示功能，也降低了用户的维护时间和成本。人性化的设计，既满足了用户多样化的需求，又更好地保护了用户的工艺知识产权。