摘 要：本文針對等離子熔射過程中多工作單元相互協(xié)調(diào)和工業(yè)過程復(fù)雜、非線性、強(qiáng)干擾特點，采用西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場設(shè)備控制核心，利用PC作為上位機(jī)執(zhí)行射流圖像采集與處理、過程監(jiān)控、工藝優(yōu)化與加工策略調(diào)整等，最后通過OPC協(xié)議建立PC與PLC之間數(shù)據(jù)通訊。實驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，保證了等離子熔射成形性和最終皮膜質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：等離子熔射;PC+PLC;OPC;控制系統(tǒng);設(shè)計 Abstract: To solve the question that the process of plasma spray is complex, nonlinear, uncertainty and adaptive distribute control required by the whole working units, Siemens S7-300 PLC is chose as the center control unit of the local devices, and also PC is selected for image gathering and processing of plasma jet, process monitoring, running of optimization algorithm and regulating of spraying strategies. Finally, OPC protocol is applied for the data communication between PC and PLC. The system is proved to be robust with respect to significant variations in the operating conditions by experimental results, hence it can improve the formability and finally coatings quality of plasma spray. Keywords: Plasma spray; PC+PLC; OPC; Control system; Design 1 引言 　　等離子熔射由于其溫度高且能量集中，能夠熔射金屬、陶瓷或復(fù)合材料的特點在表面改性、功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應(yīng)用[1-2]。為了保證熔射皮膜成形性與成形質(zhì)量，必須在數(shù)字圖像處理、過程控制、人工智能等方法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成控制與工藝優(yōu)化。當(dāng)前國際上幾大熱噴涂設(shè)備和材料生產(chǎn)廠家，如英國Metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美國Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+現(xiàn)場檢測+過程控制的等離子熔射系統(tǒng)。但是由于國際上相關(guān)熔射設(shè)備價格昂貴，不能引進(jìn)到國內(nèi)每一個加工車間或者科研院所，因此需要自主開發(fā)適用于特定工藝的熔射過程檢測與控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)已有基于單片機(jī)、微機(jī)、PLC等進(jìn)行熔射控制系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)研究和報道[3]，然而如何集成PC機(jī)優(yōu)勢以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計仍需更加深入的研究。 　　本文基于PC+PLC開發(fā)等離子熔射控制系統(tǒng),采用開放式OPC協(xié)議實現(xiàn)二者之間通訊，并在PC中執(zhí)行機(jī)器人路徑規(guī)劃、在線監(jiān)控與熔射過程數(shù)據(jù)管理等。結(jié)合PLC現(xiàn)場控制穩(wěn)定性和計算機(jī)過程運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲能力，來保證熔射過程穩(wěn)定性與過程控制實時性，進(jìn)而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質(zhì)量應(yīng)用。 2 等離子熔射自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　2.1 系統(tǒng)組成和工作原理 　　基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理如圖1所示。PC主要完成對實體進(jìn)行三維造型、切片、最后生成機(jī)器人能夠識別的機(jī)器人路徑代碼，并根據(jù)現(xiàn)場反饋信息進(jìn)行路徑調(diào)整，同時也對整個熔射過程進(jìn)行監(jiān)控，采樣主要工藝參數(shù)并保存到加工過程文檔中。PLC實現(xiàn)對數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺和整個等離子弧發(fā)生子系統(tǒng)實時控制，對現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后傳送到上位機(jī)PC中。 　　2.2 PC與PLC功能分配 　　在等離子熔射過程中，環(huán)境惡劣，噪音等污染嚴(yán)重，干擾強(qiáng)，系統(tǒng)工作周期長。因此現(xiàn)場設(shè)備控制核心采用西門子S7-300型PLC，充分利用該型PLC可靠性和良好的抗干擾能力來保證系統(tǒng)可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實現(xiàn)模擬量采樣與輸出和與上位機(jī)之間通訊。同時PLC系統(tǒng)還配備了西門子專用穩(wěn)壓電源，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免與整個系統(tǒng)共用電源產(chǎn)生干擾。 　　由于PLC無法進(jìn)行監(jiān)控圖表顯示、圖像處理和復(fù)雜算法設(shè)計，操作人員也不能直觀了解現(xiàn)場狀況[4]。為了彌補(bǔ)以上不足，系統(tǒng)增加PC進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)據(jù)運(yùn)算，其主要任務(wù)是獲取機(jī)器人狀態(tài)信息和皮膜溫度采樣信息，根據(jù)設(shè)定工藝優(yōu)化算法執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行實時熔射路徑調(diào)節(jié);對等離子射流檢測圖像進(jìn)行處理，反饋調(diào)節(jié)信息至PLC實現(xiàn)對等離子射流發(fā)生裝置調(diào)控;同時能對系統(tǒng)故障做出及時報警，并能采取相應(yīng)應(yīng)急處理措施和加工現(xiàn)場斷點保護(hù)等。 [align=center] 圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統(tǒng)組成原理圖[/align] 3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　3.1 控制軟件設(shè)計 　　控制軟件系統(tǒng)主要功能包括：參數(shù)設(shè)定、過程監(jiān)控、工藝優(yōu)化、故障信息處理與報表系統(tǒng)等。這些部分相互結(jié)合，實現(xiàn)對整個等離子熔射過程狀態(tài)和實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)故障報警和相應(yīng)處理、熔射主要工藝參數(shù)記錄和報表打印輸出功能等。 　　3.2 OPC客戶端程序設(shè)計 　　OPC規(guī)范定義了一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，這個標(biāo)準(zhǔn)使得COM技術(shù)適用于過程控制和制造自動化等應(yīng)用領(lǐng)域。OPC是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OLE/COM是一種客戶/服務(wù)器模式，具有語言無關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層開發(fā)中脫離出來[5-6]。 　　OPC客戶端軟件設(shè)計流程如圖2所示，其客戶端程序開發(fā)目的是基于OPC協(xié)議實現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間通訊，通過PC機(jī)直接讀寫PLC中變量，提高數(shù)據(jù)訪問速度，保證熔射工藝優(yōu)化算法的運(yùn)算結(jié)果及時傳送到PLC現(xiàn)場控制設(shè)備中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)實時控制，從而能夠充分地利用計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和豐富的軟件資源。 　　3.3 PLC運(yùn)行程序設(shè)計 　　等離子熔射系統(tǒng)由西門子S7-300型PLC作為現(xiàn)場設(shè)備控制核心，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備控制，整個工藝過程動作控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣。PLC內(nèi)部程序分為手動控制和自動運(yùn)行兩個部分，可分別響應(yīng)控制面板上按鈕動作和上位機(jī)發(fā)來的控制指令。 　　PLC程序采用Step7進(jìn)行設(shè)計，主要過程包括：首先在Step7中建立一個新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根據(jù)PLC硬件配置及模板物理安裝位置進(jìn)行硬件組態(tài)。其次插入Simatic PC Station，在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI網(wǎng)絡(luò)建立PC Station與Simatic 300 Station之間網(wǎng)絡(luò)連接。MPI網(wǎng)絡(luò)建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU單元內(nèi)設(shè)計的所有的數(shù)字量、模擬量和數(shù)據(jù)塊等各種變量?；贛PI方式進(jìn)行組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖3所示。最后基于SimaticNet軟件建立名稱Spray的OPC服務(wù)器，這樣就可以通過OPC客戶端程序訪問PLC中變量。 [align=center] 圖2 OPC客戶端程序設(shè)計流程圖 圖3 基于MPI方式組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接圖[/align] 　　PLC中運(yùn)行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模塊包括系統(tǒng)主控模塊OB1，負(fù)責(zé)調(diào)用其他功能塊等。然后分別設(shè)計針對送粉器控制、工作轉(zhuǎn)臺控制、機(jī)器人故障處理、系統(tǒng)故障處理等功能塊，供主控塊調(diào)用。為了確保PLC程序安全執(zhí)行，必須增加對象塊OB80、OB82、OB85分別實現(xiàn)對模板診斷錯誤和超時錯誤處理，OB121和OB122響應(yīng)同步錯誤。設(shè)計過程中可以按照變量分類或者針對某一功能塊設(shè)計專用數(shù)據(jù)塊，將控制系統(tǒng)中的變量統(tǒng)一分組管理。 4 結(jié)束語 　　本文開發(fā)了一套基于PC+PLC等離子熔射自動控制系統(tǒng)。經(jīng)過實驗驗證，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，能夠適應(yīng)等離子熔射工藝需求，為該工藝由技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力奠定了一定基礎(chǔ)。同時PC作為上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面與有效的系統(tǒng)監(jiān)控和管理，PLC作為下位機(jī)執(zhí)行可靠現(xiàn)場控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。該控制系統(tǒng)可以方便地與機(jī)器人、其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者生產(chǎn)線等配套組成等離子熔射系統(tǒng)。 　　本文作者創(chuàng)新點：本文結(jié)合PC+PLC進(jìn)行等離子熔射控制系統(tǒng)設(shè)計，集成了PLC在惡劣的熔射環(huán)境下性能穩(wěn)定的特點和PC能夠進(jìn)行圖像處理與復(fù)雜算法運(yùn)算的優(yōu)勢，基于OPC協(xié)議實現(xiàn)PC與PLC之間的通訊，保證了過程控制中多變量信息采集、傳輸和處理的實時性。該自動控制系統(tǒng)為提高等離子熔射皮膜成形性和成形質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]張海鷗,韓光超,王桂蘭.快速模具制造技術(shù)[J],中國機(jī)械工程,2002, 13（22）:1903-1906. 　　[2]Sofiane B, Ghislain M, Patrick G, et al. Designing expert system using neural computation in view of the control[J], Materials and Design,2003,24:497-502. 　　[3]王 偉,夏衛(wèi)生,張海鷗,王桂蘭. 機(jī)器人等離子噴涂控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2005,33（7）:74-76. 　　[4]郭世鋼. PLC的人機(jī)接口與編程[J]. 微計算機(jī)信息,2006,19:42-44. 　　[5]李東海,孫鶴旭,雷兆明.OPC技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].微計算機(jī)信息,2005,6:20-22. 　　[6]OPC Foundation. Data access custom interface standard, version 2.05A（DB/OL）. 2003.