基于PC+PLC等离子熔射自动控制系统设计

　1 引言

　　等离子熔射由于其温度高且能量集中，能够熔射金属、陶瓷或复合材料的特点在表面改性、功能薄膜制备和材料加工工程中被广泛应用[1-2]。为了保证熔射皮膜成形性与成形质量，必须在数字图像处理、过程控制、人工智能等方法基础上进行系统集成控制与工艺优化。当前国际上几大热喷涂设备和材料生产厂家，如英国Metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美国Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+现场检测+过程控制的等离子熔射系统。但是由于国际上相关熔射设备价格昂贵，不能引进到国内每一个加工车间或者科研院所，因此需要自主开发适用于特定工艺的熔射过程检测与控制系统。目前国内已有基于单片机、微机、PLC等进行熔射控制系统开发的相关研究和报道[3]，然而如何集成PC机优势以及基于PC+PLC等离子熔射控制系统设计仍需更加深入的研究。

　　本文基于PC+PLC开发等离子熔射控制系统,采用开放式OPC协议实现二者之间通讯，并在PC中执行机器人路径规划、在线监控与熔射过程数据管理等。结合PLC现场控制稳定性和计算机过程运算与数据存储能力，来保证熔射过程稳定性与过程控制实时性，进而保证等离子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高质量应用。

　　2 等离子熔射自动控制系统结构

　　2.1 系统组成和工作原理

　　基于PC+PLC等离子熔射控制系统组成原理如图1所示。PC主要完成对实体进行三维造型、切片、最后生成机器人能够识别的机器人路径代码，并根据现场反馈信息进行路径调整，同时也对整个熔射过程进行监控，采样主要工艺参数并保存到加工过程文档中。PLC实现对数控旋转工作台和整个等离子弧发生子系统实时控制，对现场采样数据进行初步处理后传送到上位机PC中。

图 1 基于PC+PLC等离子熔射控制系统组成原理图

　　2.2 PC与PLC功能分配

　　在等离子熔射过程中，环境恶劣，噪音等污染严重，干扰强，系统工作周期长。因此现场设备控制核心采用西门子S7-300型PLC，充分利用该型PLC可靠性和良好的抗干扰能力来保证系统可靠性。并配备了A/D、D/A模块和CP5611通讯卡，可以实现模拟量采样与输出和与上位机之间通讯。同时PLC系统还配备了西门子专用稳压电源，保证了系统运行稳定性，避免与整个系统共用电源产生干扰。

　　由于PLC无法进行监控图表显示、图像处理和复杂算法设计，操作人员也不能直观了解现场状况[4]。为了弥补以上不足，系统增加PC进行现场监控与数据运算，其主要任务是获取机器人状态信息和皮膜温度采样信息，根据设定工艺优化算法执行结果进行实时熔射路径调节;对等离子射流检测图像进行处理，反馈调节信息至PLC实现对等离子射流发生装置调控;同时能对系统故障做出及时报警，并能采取相应应急处理措施和加工现场断点保护等。

　3 控制系统软件设计

　　3.1 控制软件设计

　　控制软件系统主要功能包括：参数设定、过程监控、工艺优化、故障信息处理与报表系统等。这些部分相互结合，实现对整个等离子熔射过程状态和实时现场数据监控、系统故障报警和相应处理、熔射主要工艺参数记录和报表打印输出功能等。

　　3.2 OPC客户端程序设计

　　OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层开发中脱离出来[5-6]。

　　OPC客户端软件设计流程如图2所示，其客户端程序开发目的是基于OPC协议实现计算机与PLC之间通讯，通过PC机直接读写PLC中变量，提高数据访问速度，保证熔射工艺优化算法的运算结果及时传送到PLC现场控制设备中，实现整个系统实时控制，从而能够充分地利用计算机数据处理能力和丰富的软件资源。

图2 OPC客户端程序设计流程图 

　　3.3 PLC运行程序设计

　　等离子熔射系统由西门子S7-300型PLC作为现场设备控制核心，实现对现场设备控制，整个工艺过程动作控制和现场数据采样。PLC内部程序分为手动控制和自动运行两个部分，可分别响应控制面板上按钮动作和上位机发来的控制指令。

　　PLC程序采用Step7进行设计，主要过程包括：首先在Step7中建立一个新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根据PLC硬件配置及模板物理安装位置进行硬件组态。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网络建立PC Station与Simatic 300 Station之间网络连接。MPI网络建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU单元内设计的所有的数字量、模拟量和数据块等各种变量。基于MPI方式进行组网后的网络连接图如图3所示。最后基于SimaticNet软件建立名称Spray的OPC服务器，这样就可以通过OPC客户端程序访问PLC中变量。

图3 基于MPI方式组网的网络连接图

　　PLC中运行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模块包括系统主控模块OB1，负责调用其他功能块等。然后分别设计针对送粉器控制、工作转台控制、机器人故障处理、系统故障处理等功能块，供主控块调用。为了确保PLC程序安全执行，必须增加对象块OB80、OB82、OB85分别实现对模板诊断错误和超时错误处理，OB121和OB122响应同步错误。设计过程中可以按照变量分类或者针对某一功能块设计专用数据块，将控制系统中的变量统一分组管理。

　4 结束语

　　本文开发了一套基于PC+PLC等离子熔射自动控制系统。经过实验验证，系统具有良好的抗干扰能力，能够适应等离子熔射工艺需求，为该工艺由技术转化为生产力奠定了一定基础。同时PC作为上位机提供了良好的人机界面与有效的系统监控和管理，PLC作为下位机执行可靠现场控制，保证了系统运行稳定性。该控制系统可以方便地与机器人、其他执行机构或者生产线等配套组成等离子熔射系统。

　　本文作者创新点：本文结合PC+PLC进行等离子熔射控制系统设计，集成了PLC在恶劣的熔射环境下性能稳定的特点和PC能够进行图像处理与复杂算法运算的优势，基于OPC协议实现PC与PLC之间的通讯，保证了过程控制中多变量信息采集、传输和处理的实时性。该自动控制系统为提高等离子熔射皮膜成形性和成形质量奠定了基础。