整個(gè)控制系統(tǒng)分為6組，每組分為幾個(gè)電機(jī)數(shù)目不等的控制區(qū)域，圖1表明其中某一控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制拓?fù)洹？刂葡到y(tǒng)采用FCS（Fieldbus Control System）控制架構(gòu)設(shè)計(jì)，控制器CX1020向下通過電機(jī)控制模塊KL2531/KL2541實(shí)現(xiàn)對(duì)底層電機(jī)的控制，向上則通過自身所帶的以太網(wǎng)模塊以及以太網(wǎng)交換機(jī)接入控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)控制中心通過控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的操作控制，完成系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備調(diào)度管理，通過網(wǎng)絡(luò)按照控制流程對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

　　1.2.1 系統(tǒng)硬件配置

　　系統(tǒng)硬件配置如下：

　?。?）CPU（CX1020）：內(nèi)部采用時(shí)鐘頻率為1 GHz的奔騰MMX處理器，內(nèi)存可以擴(kuò)展到4 GB閃存/1 024 MB RAM，多可實(shí)現(xiàn)255個(gè)總線端子連接到CX1020控制器上，再加上Microsoft Windows CE.NET或Microsoft嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)便成為功能強(qiáng)大的PLC和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)線插在CPU模塊的以太網(wǎng)接口上，可實(shí)現(xiàn)與主控制系統(tǒng)的連接。也可通過以太網(wǎng)和計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)程序的和硬件組態(tài)。

　　（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（KL2531/KL2541）： KL2531驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A，KL2541驅(qū)動(dòng)電流為5 A。兩者都通過背板總線K-Bus、EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口模塊與控制器相連接?？赏ㄟ^程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的不同細(xì)分，通過K-Bus總線通訊，其配置、診斷和維護(hù)非常方便，包括檢測(cè)軟件配置錯(cuò)誤、模塊溫度報(bào)警、欠壓及電機(jī)A、B相斷路、短路等。實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的故障診斷?？商岣呦到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及錯(cuò)誤排查的方便性。

　?。?）數(shù)字量輸入模塊（BL1002/BL1408）：BL1002和BL1408分別為2路和8路的數(shù)字量輸入模塊，主要用來配合光電開關(guān)或微動(dòng)開關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，判斷設(shè)備是否已送入指定位置。

　?。?）終端端子模塊（BK1009）：放置在每路模塊的終端，主要起電阻匹配的作用。

　　（5）EtherCAT網(wǎng)絡(luò)模塊（BK1120/EK1110）：符合IEC規(guī)范——IEC/PAS 62407的超高速工業(yè)以太網(wǎng)模塊，主要用于控制器的擴(kuò)展連接。

　?。?）繼電器模塊（KL2622）：主要用于控制系統(tǒng)的通斷電控制，使得系統(tǒng)在工作時(shí)加電，停止時(shí)斷電，限度地減小系統(tǒng)的功率損耗。

　?。?）電源模塊（CX1100）：為CPU及其他模塊提供24 V工作電源。

　　1.2.2 方案設(shè)計(jì)

　　采用1臺(tái)CX1020 CPU帶若干個(gè)電機(jī)控制模塊的控制方案，每個(gè)CPU模塊多可帶255個(gè)終端模塊，滿足控制區(qū)域內(nèi)所需多控制器的需求。為了更加合理化布局，采用BK1120/EK1110模塊將控制系統(tǒng)分為3排，控制器與上層分系統(tǒng)控制臺(tái)或總控管理/束組控制臺(tái)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）相連接，控制系統(tǒng)塊與塊之間則通過超高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行連接，而每一控制模塊內(nèi)部每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端子模塊之間則通過自身背板總線上的K-Bus總線進(jìn)行連接。由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信的高速性，保證了從控制臺(tái)下達(dá)的指令被控制系統(tǒng)接收后，運(yùn)動(dòng)控制命令能迅速下達(dá)到每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，充分確保實(shí)時(shí)性的要求。電機(jī)收到運(yùn)動(dòng)指令后，按照要求的方向運(yùn)行至指定的位置。在指定位置的設(shè)備上安裝光電開關(guān)或微動(dòng)開關(guān)，信號(hào)將導(dǎo)入輸入模塊BL1002/BL1408用以確定終位置是否準(zhǔn)確，以及是否需要修正。

　　2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)軟件配置

　　系統(tǒng)以Beckhoff公司的TwinCAT為軟件開發(fā)測(cè)試平臺(tái)。軟件編程過程分為控制用軟件的編寫過程和硬件組態(tài)過程。首先通過PLC control完成控制程序的編寫，然后再將程序加載到SystemManager中的PLC Configuration,完成程序中的參數(shù)和硬件端子的連接，再通過以太網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)或者傳輸電纜）與CX1020相連，將硬件組態(tài)和控制程序分別到目標(biāo)設(shè)備即可完成下位機(jī)程序的編寫過程。由于軟件的開放性，在分系統(tǒng)控制臺(tái)或總控管理/束組控制臺(tái)可通過Visual C++語言或其他語言編寫的上位機(jī)程序調(diào)用TwinCAT中的DLL實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的控制對(duì)接。TwinCAT提供的編程語言包含IEC61131-3的全部語言：IL、FBD、LD、SFC和ST。用戶可以通過選用以上語言的任一種進(jìn)行PLC編程。此外，用戶還可以通過TwinCAT所提供的運(yùn)動(dòng)控制（MC）程序塊進(jìn)行編程，大大簡(jiǎn)化了編程難度，提高了控制的可靠性。TwinCAT也有在運(yùn)動(dòng)控制方面的擴(kuò)展功能，例如，實(shí)現(xiàn)控制電子齒輪、飛行前饋、凸輪碟等較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用TwinCAT NC進(jìn)行編程。

　　2.2 通信及組態(tài)連接（編程建立）

　　本控制方案選用TwinCAT NC軸下的MC（Motion Control）功能塊進(jìn)行編程。只需要在程序中調(diào)用其中的各個(gè)功能塊，例如軸使能、運(yùn)動(dòng)或者停止模塊，類似調(diào)用普通PLC程序中功能塊一樣，只需要對(duì)相應(yīng)功能塊的輸入輸出變量進(jìn)行不同的賦值，便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。變量可根據(jù)其所對(duì)應(yīng)的類型指定地址，也可由程序自動(dòng)分配其地址空間。

　　軟件編程結(jié)束后，便可進(jìn)行硬件的組態(tài)和連接，其過程如下：

　?。?）通過網(wǎng)線將控制器與計(jì)算機(jī)相連接，第1次連接后應(yīng)進(jìn)行硬件掃描，確保系統(tǒng)上所有的硬件模塊連接正確。

　　（2）在NC Configuration中添加要控制軸的個(gè)數(shù)，即所需要控制的電機(jī)的數(shù)目，然后將所建立的軸與硬件掃描后使該軸的控制器相對(duì)應(yīng)，添加建立所需要的軸和軸與控制器對(duì)應(yīng)后的結(jié)果如圖2所示。

　?。?）在PLC Configuration 中導(dǎo)入程序，實(shí)現(xiàn)程序中的軸控制參數(shù)與硬件控制器的對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖3所示。

　　（4）將硬件配置和編好的程序到目標(biāo)控制器，將系統(tǒng)設(shè)置為運(yùn)行模式，然后通過改變各個(gè)MC模塊的參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

　　步進(jìn)電機(jī)大致分為反應(yīng)式、永磁式、混合式。

　　現(xiàn)在通用的是混合式的，二相混合式的尺寸有20mm，28mm，35mm，42mm，57mm，86mm，110mm，130mm，三相混合式的是42mm，57mm，110mm，130mm。而且還有圓電機(jī)方電機(jī)之分。

　　步進(jìn)電機(jī)依其構(gòu)造上的差異可分為三大類：

　　可變磁阻式（VR型）：

　　轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當(dāng)定子線圈不加激磁電壓時(shí)，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其轉(zhuǎn)子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負(fù)荷慣性并不大。其步進(jìn)角通常為15°

　　磁鐵式（PM型）：

　　轉(zhuǎn)子由磁鐵構(gòu)成，其磁化方向?yàn)檩椣虼呕?，無激磁時(shí)有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn)子材質(zhì)區(qū)分，其步進(jìn)角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等幾種。

　　混和式（HB型）：

　　轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復(fù)極的形式，其乃兼采可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)及磁鐵式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，度高、轉(zhuǎn)矩大、步進(jìn)角度小。

　　步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)距離主要由電機(jī)的步距角、細(xì)分?jǐn)?shù)及傳遞絲杠的螺距參數(shù)決定，通過這些參數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行圈數(shù)和設(shè)備運(yùn)動(dòng)距離的系數(shù)，然后將其填入Scaling Factor，便可在程序中直接指定設(shè)備的運(yùn)行距離，由程序計(jì)算出電機(jī)執(zhí)行所需的脈沖數(shù)。Scaling Factor設(shè)置如圖4所示。此外，為了保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性要求，啟動(dòng)和加速時(shí)間、速度曲線也可設(shè)定載入控制器，以減少軟件編程，提高系統(tǒng)可靠性。加減速參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

　　如若對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分有明確要求，可通過編程改變控制器的參數(shù)或者通過Beckhoff公司提供的KS2000軟件對(duì)控制進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同細(xì)分要求[2-3]。

　　通過一系列實(shí)驗(yàn)表明，本控制方案完全可以滿足系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標(biāo)，與使用PLC的控制方案和其他控制方式的多電機(jī)控制方案相比，具有以下特點(diǎn)：（1）采用高性能CPU及EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信等技術(shù)，可滿足高速、高要求；（2）系統(tǒng)開放性好，易于擴(kuò)展；（3）系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)控制方案相比較，控制器集成Ethernet接口和EtherCAT接口，輸出模塊直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，大幅縮減了中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性高，電柜安裝尺寸大幅縮小，施工及維護(hù)簡(jiǎn)單、方便；（4）所有產(chǎn)品均以總線連接，配置及診斷功能方便、強(qiáng)大；（5）控制器預(yù)裝Windows操作系統(tǒng)，可充分利用Windows操作系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢(shì)，如在控制器中直接使用VB、VC面向?qū)ο缶幊陶Z言，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及Windows操作系統(tǒng)在組網(wǎng)上的優(yōu)勢(shì)、各操作站之間的數(shù)據(jù)交換。

　　1，PLC智能化高，邏輯控制可靠度高，具有通訊功能，占體積小，功耗小，輸入輸出不具有隔離功能，一個(gè)部件損壞，影響整體功能。

　　2，繼電器，動(dòng)作有壽命限制，一個(gè)元件故障可能造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰，會(huì)將故障擴(kuò)大化，成本，也容易被偽劣產(chǎn)品冒充，可維修度，同時(shí)維修成本也低。

　　3，微機(jī)控制，成本比PLC低，邏輯針對(duì)性高，所以要在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)非常了解的時(shí)候才會(huì)使用，智能化比PLC高，應(yīng)用的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)的功能要比PLC多，具有安全性可靠性的特點(diǎn)，輸入輸出信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)一體化隔離，通訊組態(tài)模式多。開發(fā)周期長(zhǎng)，一旦要有變化修改比較麻煩。一旦實(shí)現(xiàn)自有批量生產(chǎn)，如果不包括軟件附加值，成本甚至比繼電器控制還要低。

　　主要產(chǎn)品：
　　1. TwinCAT 控制軟件（TwinCAT軟件系統(tǒng)將任何兼容的PC轉(zhuǎn)換成具有多PLC系統(tǒng)、NC軸控制、編成環(huán)境和操作站的一個(gè)實(shí)時(shí)控制器。）
　　- TwinCAT 可編程控制器
　　- TwinCAT 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)軸位控制軟件
　　- TwinCAT 3維數(shù)控插補(bǔ)軟件
　　- TwinCAT OPC接口
　　2. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
　　- C3300, C3600系列嵌入式液晶顯示一體機(jī) 
　　- C5000 系列19英寸抽拉式工控機(jī) 
　　- C6100, C6200系列控制柜嵌入式工控機(jī) 
　　- CP7000系列控制面板（可帶觸摸屏）
　　3. 嵌入式PC
　　- 集PLC,運(yùn)動(dòng)控制，HMI功能為一身的模塊化PC
　　4. 現(xiàn)場(chǎng)總線輸入/輸出系統(tǒng)
　　- IP20 現(xiàn)場(chǎng)總線模塊
　　- IP67 現(xiàn)場(chǎng)總線端子盒
　　- 各種總線耦合器、PC總線接口卡
　　- 各種總線連接器、總線電纜等配套件
　　5.伺服電機(jī)及放大器
　　- AX2000系列數(shù)字式緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器
　　- AM2000系列同步伺服電機(jī)