數(shù)年來，術(shù)語“運(yùn)動(dòng)控制”在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域極富爭(zhēng)議。然而，在文獻(xiàn)意義上，運(yùn)動(dòng)控制指多個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的協(xié)調(diào)。在展覽會(huì)上，真正創(chuàng)新的系統(tǒng)非常罕見，經(jīng)常與有更傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)并列展出。但是，軟件中的新技術(shù)正在改變常規(guī)結(jié)構(gòu)，尤其是在驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域。

最近Schleicher推出的基于PC的控制系統(tǒng)具有協(xié)調(diào)高達(dá)6?個(gè)NC軸的能力，經(jīng)過檢驗(yàn)顯示出真正創(chuàng)新解決方案的巨大潛力。這種新結(jié)構(gòu)不僅重新分配了驅(qū)動(dòng)器和更高層控制系統(tǒng)之間的任務(wù)職能，而且還提供了控制復(fù)雜和專門動(dòng)作的方案。它代表了機(jī)床控制演變出新概念的可能性。

改變傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的職能，任務(wù)被清晰地分配下去。一個(gè)PLC連接了輸入和輸出，CNC通過插補(bǔ)或者象機(jī)器人控制那樣進(jìn)行坐標(biāo)變換來協(xié)調(diào)軸的動(dòng)作。但如今，主要的變化出現(xiàn)在基本功能模塊委任為相關(guān)的控制單元。

部分驅(qū)動(dòng)控制由相應(yīng)的PLC功能執(zhí)行，或者由特殊的位置模塊——或者它們被指派到更低級(jí)，例如，在位置控制器內(nèi)部，與伺服放大器一樣。如今，隨著局部智能電力電子的出現(xiàn)，整個(gè)控制電路隨同積分曲線發(fā)生器經(jīng)常被嵌入到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。諸如此類的部件如今只通過更高級(jí)別控制系統(tǒng)參數(shù)化，通常通過現(xiàn)場(chǎng)總線接收工作。

作為對(duì)比，其它系統(tǒng)具有的中央控制系統(tǒng)能假定單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的功率控制。尤其是在這些情況下，功率和監(jiān)控部分及控制系統(tǒng)之間必須要有一個(gè)快速總線連接。當(dāng)然，具備高速連接正快速成為系統(tǒng)范圍的要求，因?yàn)楦鱾€(gè)功能部件必須能同時(shí)獲得各種數(shù)據(jù)加以處理。

圖1：PC能控制許多功能。

例如，一個(gè)運(yùn)算器能同時(shí)向電流控制器供應(yīng)目前馬達(dá)的位置；為速度控制器提供測(cè)量過的轉(zhuǎn)數(shù)；同時(shí)，必須向位置控制單元——供電裝置或連續(xù)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)報(bào)告實(shí)際的位置值。

此外，視覺系統(tǒng)要求恒定的反饋數(shù)據(jù)，從而能以圖形形式直接顯示出路線。對(duì)于當(dāng)今普遍的節(jié)拍(cycle time)，這不是件小事。因此，有效而且全面的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信對(duì)任何一個(gè)完整的動(dòng)作控制方案來說都是至關(guān)重要的要求。

驅(qū)動(dòng)應(yīng)用類型各異，種類繁多。類型從前進(jìn)至單一目的地的單軸到復(fù)雜多軸，其中同步操作或在線處理都涉及協(xié)調(diào)多軸作業(yè)和一個(gè)外部作業(yè)。協(xié)調(diào)多軸為控制系統(tǒng)性能提出了高要求。如果僅僅是行進(jìn)一條單路徑，手工編程也許仍然是可能的選擇。然而，在許多情況下，甚至凸輪裝置也能夠?qū)е聰?shù)據(jù)和指令數(shù)量大幅增加。因此，由功能模塊組成的庫對(duì)編程而言變得重要起來。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的處理量隨性能、靈活性和提供的功能范圍潮起潮落。尤其是，控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)的軟件模塊的簡(jiǎn)化處理是一大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。復(fù)雜的專門的動(dòng)作，直接用CNC的DIN語言編程會(huì)非常錯(cuò)綜復(fù)雜，但用功能模塊實(shí)現(xiàn)則輕而易舉。在這些情況下，操作員控制得以簡(jiǎn)化，而且更容易理解，尤其當(dāng)各個(gè)功能模塊在后臺(tái)進(jìn)行必要的通信時(shí)，無需用戶介入。

一個(gè)處理器進(jìn)行控制

通過新型的Schleicher控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有控制器任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)編程的創(chuàng)新和便利形式，顯而易見的優(yōu)勢(shì)是可操作性和經(jīng)濟(jì)性。例如，在單個(gè)處理器上的系統(tǒng)節(jié)省了接口和硬件成本。這種方法引來的挑戰(zhàn)很清楚。不管執(zhí)行的任務(wù)有多寬泛，性能決不容許在任何一個(gè)區(qū)域打折扣。便利熟悉的用戶界面優(yōu)勢(shì)也不能喪失。一方面，基于Windows視窗的解決方案成為操作員界面設(shè)計(jì)的成熟手段，但工業(yè)領(lǐng)域需要的實(shí)時(shí)性能，如響應(yīng)時(shí)間在微秒范圍內(nèi)，不能由僅僅運(yùn)行Windows XP的PC來提供。在硬件中斷的情況下，例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡，在流程沒有改變的期間能發(fā)生延遲，但在實(shí)時(shí)任務(wù)要求下不允許發(fā)生這種情況。因此，盡管事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)Windows方案能提供方便的人機(jī)界面控制，但多任務(wù)功能和內(nèi)部流程通信實(shí)際上還不能滿足苛刻的實(shí)時(shí)性要求。

為了能夠在單PC上提供人機(jī)界面友好的控制和實(shí)時(shí)系統(tǒng)，Schleicher采用了特殊的能配搭工作的操作系統(tǒng)組合。ProNumeric使用了KUKA Controls的VxWin包，VxWin包集成了風(fēng)河的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和微軟的Windows XP。這種集成方案融合了兩種類型操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)通過VxWorks實(shí)時(shí)執(zhí)行，而高端圖形HMI功能及連接性也利用了便利的Windows XP用戶界面口。

兩個(gè)操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)域嚴(yán)格由x86 MMU(存儲(chǔ)管理單元)保持分離并保護(hù)。KUKA VxWin實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)確保VxWorks有處理所有時(shí)序關(guān)鍵任務(wù)的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)管理設(shè)備報(bào)告說空載時(shí)才從VxWorks轉(zhuǎn)換到Windows。Windows和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖2：TCP/IP將模塊鏈接到一起。

本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供嚴(yán)格的確定性時(shí)間響應(yīng)，并確保PLC運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)功能和CNC功能。同時(shí)，Windows環(huán)境也可通過OPC調(diào)用，用于諸如視覺顯示及操作者對(duì)話處理等任務(wù)。除此之外，還可以使用基于Windows的項(xiàng)目規(guī)劃工具，并獲取網(wǎng)上手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)Windows程序。CNC和PLC緊密鏈接了ProNumeric，這是由Schleicher提供的最先進(jìn)的基于PC的控制部件，因非常緊密地集成了PLC和CNC控制的運(yùn)動(dòng)功能而著稱。由于具有分離的硬件，CNC負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，而并行運(yùn)行的PLC負(fù)責(zé)控制和監(jiān)視外圍設(shè)備。按照IEC 61131-3對(duì)PLC進(jìn)行編程，使用了STL、FBD、LAD、ST和序列功能圖。根據(jù)DIN 66025，該程序具有包含延伸功能的ProNumeric CNC。

CNC和PLC功能的緊密集成由ProNumeric實(shí)現(xiàn)，這歸功于一種市面上獨(dú)有的解決方案；CNC和PLC使用一種通用通信緩沖器，并完全同步化。PLC任務(wù)可以緊密地進(jìn)行插值。換句話說，PLC周期時(shí)間精確地跟隨CNCD的IPO周期。與分離或松散集成的硬件不同，該系統(tǒng)不會(huì)遇到限制因素，比如，閥的開關(guān)依賴于位置，直接與路徑運(yùn)動(dòng)相關(guān)。在常規(guī)控制結(jié)構(gòu)下，CNC和PLC之間不同的周期和與通信有關(guān)的延遲限制了響應(yīng)速度。

為取得優(yōu)化的機(jī)器性能及復(fù)雜功能序列，有必要確保CNC與PLC永久且精確的同步化。在完全同步化的系統(tǒng)內(nèi)，有可能在CNC的單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理傳感器信號(hào)，這允許對(duì)軸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，而不會(huì)引起延遲。在現(xiàn)場(chǎng)，這種連續(xù)路徑控制用于即刻補(bǔ)償機(jī)床因發(fā)熱而引起的任何漂移。溫度傳感器向PLC提供數(shù)據(jù)，PLC反過來利用這一信息來計(jì)算并在同一時(shí)鐘周期內(nèi)向CNC傳遞補(bǔ)償值。方便的是，ProNumeric操作員界面的開放設(shè)計(jì)允許用戶選擇與IEC 61131-3、伺服軸試機(jī)工具、網(wǎng)絡(luò)工具和其它諸如此類功能一致的編程環(huán)境。如遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷設(shè)施、服務(wù)、文檔和不同系統(tǒng)公司的程序管理工具等軟件解決方案可被方便地被加以集成。對(duì)于shop floor編程，也有可能直接在控制器上安裝CAD/CAM包。#p#分頁標(biāo)題#e#

NERTHUS優(yōu)化NC程序

在計(jì)算CNC數(shù)據(jù)和仿真工裝路徑之后，Schleicher控制系統(tǒng)通過NERTHUS技術(shù)，減少了用自由選擇的輪廓公差定義自由外形輪廓所必需的中間點(diǎn)。該技術(shù)減少了NC模塊的數(shù)量，并生成優(yōu)化的NC部件程序。采用在線曲線內(nèi)插器(OCI)，CNC控制系統(tǒng)復(fù)制自由外形的輪廓，采用NC模塊內(nèi)包含的信息獲得持續(xù)而光滑的路徑和優(yōu)化的軸速。同時(shí)，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線讀主機(jī)值編碼器在一個(gè)內(nèi)插周期內(nèi)強(qiáng)制它們成一條“線軸”來結(jié)合多個(gè)軸。這些軸根據(jù)時(shí)鐘速度和工裝位置彼此同步。而且還有可能一起按組操作多個(gè)工裝，如果有用，整個(gè)工裝組能被結(jié)合到更高級(jí)別的虛擬主傳感器，以獲得優(yōu)化的整體生產(chǎn)速度。

基于PC系統(tǒng)的快速Sercos連接還可作為通信中心進(jìn)行配置。除了為執(zhí)行器和傳感器提供現(xiàn)場(chǎng)總線接口連接，如CANopen，以及到企業(yè)的以太網(wǎng)連接，基于PC的系統(tǒng)還為多種驅(qū)動(dòng)器，甚至那些不同的制造商進(jìn)行互動(dòng)提供了理想的平臺(tái)。采用Sercos接口確保了PC和驅(qū)動(dòng)器之間的高帶寬通信。這種接口的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)是CNC從其位置控制任務(wù)中解放出來，因此顯著提高了其計(jì)算能力。幾乎任何一個(gè)I/O設(shè)備都能被輕松地通過現(xiàn)場(chǎng)總線耦合器連接到控制系統(tǒng)。

總結(jié)

從靈活性來看，基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了常規(guī)解決方案未知的靈活性。借助于已在全球超過7萬套實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部署的VxWin技術(shù)，Schleicher控制系統(tǒng)能充分利用PC技術(shù)的所有優(yōu)勢(shì)。我們應(yīng)感謝熟悉的Windows接口，操作者能快速并無縫集成自己的應(yīng)用專長(zhǎng)。基于PC的控制系統(tǒng)還提供遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)設(shè)施，允許從多種多樣的驅(qū)動(dòng)器制造商處安裝工具。預(yù)配置的Schleicher ProNumeric不僅按照IEC 61131將CNC控制系統(tǒng)耦合到PLC，而且還保證了系統(tǒng)靈活性及優(yōu)化的高性能，在運(yùn)動(dòng)控制中明確地實(shí)現(xiàn)了出眾的技術(shù)創(chuàng)新。

作者：Kuka Controls GmbH