摘 要： 根據工業控制現場需要，提出了采用德國Beckhoff公司生產的嵌入式PC控制器及驅動模塊實現步進電機群控的設計方案。通過與PLC控制方案的對比，實踐表明，此控制系統具有硬件配置簡單、可靠性高、在線診斷維護更加方便的特點，對實現大量電機的控制有參考價值。
關鍵詞： 嵌入式PC； 可編程邏輯控制器； NC控制； 工業以太網
德國倍福(Beckhoff)公司作為專業的自動化設計和制造公司，生產一種基于工業PC機和PLC之間的嵌入式PC機。主要是針對需要帶有工業PC機特性和計算機的功能但又不打算購買整臺PC機的客戶而設計的。它很好地結合了工業PC機和硬件PLC的功能，并具有強大的運動控制功能和完善的人機界面（HMI），是一種導軌式的三位一體的多功能的控制器。由于它采用導軌式安裝、模塊化設計、多種現場總線通信方式以及多種功能模塊的搭配，使其在大量電機的控制系統應用中，有著PLC無法具備的許多優勢，如連接線路少、占用空間小等，再加上電機專用控制模塊和其具備的運動控制功能，使得整個控制系統構成簡單，運行可靠、高效[1]。
本文在仔細研究Beckhoff嵌入式PC機及相關模塊性能的基礎上，通過大量的實驗，提出并驗證了步進電機群控的設計方案。
1 控制系統硬件組成
1.1 控制系統概述
本控制系統作為一個分系統，受主控系統的指令調度，其控制對象為大量的步進電機?？刂埔笤谥付〞r間段內驅動若干電機將其不同的負載設備可靠地送到指定位置，完成不同的任務。由于整個系統龐大，電機數量眾多且分散，數據傳輸量巨大，要求該控制系統與主控系統之間采用工業以太網分層設計，使其具有極高的可靠性、開放性，并具有運行效率高維護方便的特點。
1.2 控制系統網絡拓撲
整個控制系統分為6組，每組分為幾個電機數目不等的控制區域，圖1表明其中某一控制區域的網絡控制拓撲。控制系統采用FCS（Fieldbus Control System）控制架構設計，控制器CX1020向下通過電機控制模塊KL2531/KL2541實現對底層電機的控制，向上則通過自身所帶的以太網模塊以及以太網交換機接入控制系統，現場控制中心通過控制服務器實現對被控設備的操作控制，完成系統內設備調度管理,通過網絡按照控制流程對設備進行控制。
1.2.1 系統硬件配置
系統硬件配置如下：
(1)CPU(CX1020):內部采用時鐘頻率為1 GHz的奔騰MMX處理器,內存可以擴展到4 GB閃存/1 024 MB RAM，最多可實現255個總線端子連接到CX1020控制器上，再加上Microsoft Windows CE.NET或Microsoft嵌入式Windows XP操作系統便成為功能強大的PLC和運動控制系統，通過網線插在CPU模塊的以太網接口上，可實現與主控制系統的連接。也可通過以太網和計算機連接實現程序的下載和硬件組態。
(2)電機驅動模塊(KL2531/KL2541)： KL2531最大驅動電流為1.5 A，KL2541最大驅動電流為5 A。兩者都通過背板總線K-Bus、EtherCAT網絡接口模塊與控制器相連接?？赏ㄟ^程序設定實現步進電機的不同細分，通過K-Bus總線通訊,其配置、診斷和維護非常方便,包括檢測軟件配置錯誤、模塊溫度報警、欠壓及電機A、B相斷路、短路等。實現對電機運行過程中的故障診斷。可提高系統運行的可靠性以及錯誤排查的方便性。
(3)數字量輸入模塊(BL1002/BL1408)：BL1002和BL1408分別為2路和8路的數字量輸入模塊，主要用來配合光電開關或微動開關信號的檢測，判斷設備是否已送入指定位置。
(4)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網絡模塊(BK1120/EK1110)：符合IEC規范——IEC/PAS 62407的超高速工業以太網模塊，主要用于控制器的擴展連接。
(6)繼電器模塊(KL2622)：主要用于控制系統的通斷電控制,使得系統在工作時加電，停止時斷電，最大限度地減小系統的功率損耗。
(7)電源模塊(CX1100)：為CPU及其他模塊提供24 V工作電源。
1.2.2 方案設計
采用1臺CX1020 CPU帶若干個電機控制模塊的控制方案，每個CPU模塊最多可帶255個終端模塊，滿足控制區域內所需最多控制器的需求。為了更加合理化布局，采用BK1120/EK1110模塊將控制系統分為3排，控制器與上層分系統控制臺或總控管理/束組控制臺之間通過工業以太網(Ethernet)相連接，控制系統塊與塊之間則通過超高速工業以太網EtherCAT進行連接，而每一控制模塊內部每個電機驅動端子模塊之間則通過自身背板總線上的K-Bus總線進行連接。由于EtherCAT網絡通信的高速性，保證了從控制臺下達的指令被控制系統接收后，運動控制命令能迅速下達到每個電機驅動模塊，充分確保實時性的要求。電機收到運動指令后，按照要求的方向運行至指定的位置。在指定位置的設備上安裝光電開關或微動開關,信號將導入輸入模塊BL1002/BL1408用以確定最終位置是否準確,以及是否需要修正。
2 控制系統軟件設計
2.1 系統軟件配置
系統以Beckhoff公司的TwinCAT為軟件開發測試平臺。軟件編程過程分為控制用軟件的編寫過程和硬件組態過程。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,完成程序中的參數和硬件端子的連接,再通過以太網(網絡或者傳輸電纜)與CX1020相連，將硬件組態和控制程序分別下載到目標設備即可完成下位機程序的編寫過程。由于軟件的開放性，在分系統控制臺或總控管理/束組控制臺可通過Visual C++語言或其他高級語言編寫的上位機程序調用TwinCAT中的DLL實現與上位機的控制對接。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行PLC編程。此外，用戶還可以通過TwinCAT所提供的運動控制(MC)程序塊進行編程，大大簡化了編程難度，提高了控制的可靠性。TwinCAT也有在運動控制方面的擴展功能，例如,實現控制電子齒輪、飛行前饋、凸輪碟等較為復雜的運動控制系統。本系統主要采用TwinCAT NC進行編程。
2.2 通信及組態連接（編程建立）
本控制方案選用TwinCAT NC軸下的MC(Motion Control)功能塊進行編程。只需要在程序中調用其中的各個功能塊，例如軸使能、運動或者停止模塊，類似調用普通PLC程序中功能塊一樣，只需要對相應功能塊的輸入輸出變量進行不同的賦值，便可實現相應的控制。變量可根據其所對應的類型指定地址，也可由程序自動分配其地址空間。
軟件編程結束后，便可進行硬件的組態和連接,其過程如下：
(1)通過網線將控制器與計算機相連接，第1次連接后應進行硬件掃描，確保系統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數,即所需要控制的電機的數目，然后將所建立的軸與硬件掃描后使該軸的控制器相對應，添加建立所需要的軸和軸與控制器對應后的結果如圖2所示。
(3)在PLC Configuration 中導入程序，實現程序中的軸控制參數與硬件控制器的對應，對應結果如圖3所示。
(4)將硬件配置和編好的程序下載到目標控制器，將系統設置為運行模式，然后通過改變各個MC模塊的參數，便可實現對電機的控制。
步進電機拖動設備的運動距離主要由電機的步距角、細分數及傳遞絲杠的螺距參數決定，通過這些參數計算出電機轉動運行圈數和設備運動距離的系數，然后將其填入Scaling Factor，便可在程序中直接指定設備的運行距離，由程序計算出電機執行所需的脈沖數。Scaling Factor設置如圖4所示。此外，為了保證步進電機運行的平穩性要求，啟動和加速時間、速度曲線也可設定載入控制器，以減少軟件編程，提高系統可靠性。加減速參數設置如圖5所示。
如若對步進電機的細分有明確要求，可通過編程改變控制器的參數或者通過Beckhoff公司提供的KS2000軟件對控制進行設置，實現電機的不同細分要求[2-3]。
通過一系列實驗表明，本控制方案完全可以滿足系統所要求的技術指標，與使用PLC的控制方案和其他控制方式的多電機控制方案相比，具有以下特點：(1)采用高性能CPU及EtherCAT工業以太網通信等最新技術，可滿足高速、高精度要求;(2)系統開放性好，易于擴展；(3)系統拓撲結構簡單，與傳統控制方案相比較，控制器集成Ethernet接口和EtherCAT接口，輸出模塊直接驅動步進電機，大幅縮減了中間環節，系統可靠性高，電柜安裝尺寸大幅縮小，施工及維護簡單、方便；(4)所有產品均以總線連接，配置及診斷功能方便、強大；(5)控制器預裝Windows操作系統，可充分利用Windows操作系統帶來的優勢,如在控制器中直接使用VB、VC面向對象編程語言,數據庫系統以及Windows操作系統在組網上的優勢、各操作站之間的數據交換。
參考文獻
[1] Beckhoff. New automation technology. 2007.
[2] Beckhoff. TwinCAT QuickStart.2007.
[3] Beckhoff. TwinCAT PLC manual. 2006.