Разработка контроллера для систем управления электросварочным оборудованием

Построение систем управления сложным технологическим оборудованием, таким как электросварочное оборудование, представляет собой многоуровневый процесс, затрагивающий множество сторон организации разработок и производства на предприятии. Одним из важнейших этапов этого процесса является выбор базы, основы для построения системы. Данный фактор очень актуален, так как оказывает существенное влияние на стоимость разработки, а также во многом определяет дальнейший ход проектирования.

Современный рынок предлагает широкий выбор как готовых контроллерных систем управления, так и блоков различной степени автономности, на базе которых возможно построение собственных систем управления. И конечно, не стоит забывать, что чем универсальнее, мощнее и масштабнее предлагаемая система, тем выше ее стоимость. В связи с этим у производителя возникает проблема выбора. С одной стороны, можно взять в качестве базы готовый законченный контроллер с процессором, блоком входов/выходов, средствами коммуникации с внешними устройствами, имеющий удобную среду разработки. Однако в абсолютном большинстве вариантов универсальные контроллеры не имеют в своем составе устройств непосредственного управления процессом сварки. С другой стороны, в условиях жесткой конкуренции производитель всеми силами старается снизить себестоимость конечного продукта, для этого при построении системы приходится использовать отдельные элементы, выполняющие узкоспециализированные задачи. Это позволяет использовать только те блоки, которые функционально необходимы, тогда как использование универсального контроллера почти всегда предполагает вынужденную необходимость переплаты за неиспользуемые функциональные возможности. Но и такой способ проектирования имеет определенные сложности, связанные прежде всего с затратой больших усилий на разработку архитектуры и концепции системы.

Однако если предположить, что собственная разработка контроллера может быть широко использована предприятием для систем управления, то такая идея становится очень ффективной и экономически выгодной. Главное в этом случае максимально точно определить функциональные требования к контроллеру таким образом, чтобы он мог быть использован при решении широкого круга задач без существенных переделок, в том числе и задачи непосредственного управления сварочным процессом.

Предприятие ЗАО «КБ АСТ» (Конструкторское бюро по автоматизации сварочных технологий, г. Псков) специализируется на разработке систем управления различной степени сложности для электросварочного оборудования. Для сегмента сложных и дорогих сварочных машин (например, машин стыковой сварки рельсов) предприятие использует при проектировании контроллеры, панели оператора, промышленные компьютеры фирмы Siemens с дополнительными блоками собственной разработки для управления сварочным процессом, как хорошо зарекомендовавшие себя, надежные, удобные в применении системы. Однако такой вариант не подходит для более бюджетных систем в силу своей дороговизны. Поиск подходящих вариантов у других производителей элементов управления не дал удовлетворительного результата. Поэтому было принято решение о создании собственного модульного контроллера для построения систем управления малого и среднего уровней сложности. Были сформулированы основные требования к контроллеру:

• высокая производительность;
• наличие нескольких коммуникационных интерфейсов для связи между модулями, с панелями оператора, с персональным компьютером;
• наличие встроенной Flash-памяти для хранения данных;
• большое число цифровых входов и выходов, а также возможность наращивания модулей с помощью сети;
• удобная среда проектирования;
• применение концепции «все в одном», т. е. реализация в одном корпусе всех основных элементов модуля — центрального процессора, сетевых адаптеров, входов/выходов;
• наличие устройств управления процессом сварки;
• максимально низкая стоимость модуля.

Основной задачей, возникшей при проектировании модуля, стал выбор процессора. Им стал микроконтроллер IPC@CHIP фирмы Beck IPC GmbH. Он представляет собой собранный в одной микросхеме компьютер, позволяющий объединить технологии промышленной автоматизации и Internet. Благодаря широким возможностям данной микросхемы функции, необходимые для большинства практических приложений, реализуются с минимальными усилиями. IPC@CHIP включает ОЗУ, Flash-диск, последовательные интерфейсы, контроллер Ethernet, шины адресов и данных, входы запроса прерываний, свободно программируемые выводы.

Микросхема поставляется с установленной многозадачной операционной системой реального времени. Простота и гибкость применения микросхемы гарантируют минимальное время и стоимость разработки. Последний фактор стоит отметить отдельно, так как использование ряда контроллеров предполагает наличие специализированного программного обеспечения, стоимость которого может быть очень высока. В случае с контроллером Beck кристалл содержит лицензию для среды разработки, само ПО бесплатно. Его можно программировать как с помощью традиционных языков для PLC и с применением современной модульной технологии, так и с помощью стандартизированного языка или языка высокого уровня, т. е. от релейно-контактных схем до аналога языка высокого уровня — Паскаля. Чистая технология персонального компьютера с интегрированным ROM-DOS дает возможность программировать на С/С ++, который знают большинство квалифицированных инженеров.

Модель выбранного контроллера — SC13, это однокристальный Web-контроллер, содержащий 186-процессор, 40 MГц, 512 кбайт ОЗУ, 512 кбайт Flash, 10/100BaseT, DIL32. На базе этого контроллера была спроектирована плата центрального процессора CPU, несущая функцию формирования питания процессора и функцию управления всей системой. Также на базе микроконтроллера MC68HC908AZ60A фирмы MOTOROLA была создана плата цифровых входов/выходов DIO24/24, содержащая 24 цифровых входа и 24 цифровых выхода уровня +24В. Питание цепей управления данной платы осуществляется от платы центрального процессора или от отдельной платы питания. Для управления процессом сварки и сварочным током создана плата фазового управления MFU. На основе указанных плат изготавливаются отдельные модули:

• модуль центрального процессора/дискретных сигналов типа CPU/DIO 24/24 (рис. 1);

Рис. 1. Внешний вид модуля CPU/DIO 24/24
• модуль дискретных сигналов типа DIO 24/24;
• модуль фазового управления MFU.

Приведем ниже краткое описание каждого из указанных модулей.

Модуль центрального процессора/дискретных сигналов типа CPU/DIO24/24 является программируемым логическим контроллером со встроенным многоканальным устройством ввода/вывода дискретных сигналов уровня +24 В и представляет собой объединенные в одном корпусе два модуля: DIO24/24 и CPU. Обмен информацией между модулем центрального процессора CPU и всеми DIO24/24 (находящимся в этом корпусе и остальными, конструктивно выполненными в отдельных корпусах), а также другими типами модулей осуществляется по CAN-каналу. Модуль CPU при этом является единственным ведущим в сети. Напряжение питания постоянного тока цепей модуля составляет 21–30 В, потребляемая мощность — не более 5 Вт, последовательные каналы передачи данных Ethernet, RS232, CAN.

Конструктивно модуль CPU выполнен как дополнительная плата, установленная в том же корпусе, что и DIO24/24, и подключенная к нему внутренними связями. CPU имеет дополнительные разъемы на боковой стенке корпуса для подключения внешних разъемов программирования и связи с другими устройствами.

Схема состоит из следующих основных узлов:

• стабилизатора постоянного напряжения +5 В для питания внутренних цепей и цепей модуля DIO24/24;
• дополнительного стабилизатора постоянного напряжения +5 В для питания CAN-узлов всех ведомых устройств;
• управляющего микроконтроллера на базе кристалла BECK IPC@CHIP SC13;
• узла CAN-интерфейса, работающего на скорости 1 Мбит/с;
• каналов входных сигналов с гальванической развязкой и индикацией состояния;

Модуль может работать только в составе распределенной системы, объединенной по CAN-шине. В CAN-сети модуль является ведущим устройством, принимая сообщения от всех ведомых устройств сети. Управляющий кристалл имеет встроенную операционную систему реального времени и уже загруженный модуль исполнения пользовательской программы. Написание, загрузка в кристалл и отладка прикладной пользовательской программы осуществляются из программной среды разработки CoDeSys через один из доступных портов (Ethernet или RS232, разъемы которых выведены на боковую крышку модуля). Эти же порты могут быть использованы для подключения внешних устройств другого уровня (панели оператора или PC). После подачи питания модуль CPU инициализирует все ведомые модули сети согласно прикладной программе, записанной в энергонезависимую память CPU, и начинает непрерывный обмен.

Модуль дискретных сигналов типа DIO 24/24 является многоканальным устройством ввода/вывода дискретных сигналов уровня +24 В (0,7 А). Обмен информацией с ведущим модулем центрального процессора осуществляется по CAN-каналу. Модуль содержит 24 входа и 24 выхода уровня +24 В. Входные и выходные каналы гальванически отсоединены от внутренних цепей. Кроме того, выходные цепи имеют встроенную защиту от перегрузки и короткого замыкания. Конструктивно модуль выполнен в металлическом корпусе с разъемами для подключения внешних цепей. Схема состоит из следующих основных узлов:

• стабилизатора постоянного напряжения +5 В;
• управляющего микроконтроллера на базе микро-ЭВМ;
• узла CAN-интерфейса, работающего на скорости 1 Мбит/с;
• каналов входных сигналов с гальванической развязкой и индикацией состояния;
• каналов выходных сигналов с защитой от перегрузки и коротких замыканий и индикацией состояния.

Модуль может работать только в составе распределенной системы, объединенной по CAN-шине. В CAN-сети модуль является ведомым устройством. Идентификационный номер модуля в сети (ID) задается переключателем CAN-адреса, доступным со стороны лицевой панели модуля. После подачи питания модуль инициализирует все выходы в нулевое состояние. Модуль DIO 24/24 получает по шине информацию о состоянии своих выходов, после чего передает в ответ состояние своих входов. При отсутствии посылки в течение определенного времени (100 мс) активируется защитный механизм, переводящий все выходы в неактивное (нулевое) состояние.

Кроме индикации входов и выходов на передней панели расположены индикация внутреннего питания и питания CAN-шины, а также индикация состояния шины данных Rx и Tx. На передней панели также расположен переключатель терминаторного резистора, который необходимо подключать на конечных модулях в сети.

Модуль типа MFU является многоканальным формирователем импульсов управления для шести тиристорных контакторов. Модуль имеет два режима работы — местный и дистанционный. Местный режим служит для наладки модуля. В дистанционном режиме модуль управляется и программируется по CAN-шине. В CAN-сети модуль является пассивным. Идентификационный номер модуля (ID) задается переключателем, доступным со стороны лицевой панели модуля.

Работает модуль следующим образом. После подачи питания он должен быть запрограммирован. В процессе программирования передаются следующие параметры:

• величина заданного тока для каждой из трех фаз;
• значение cos φ для каждой из трех фаз;
• время модуляции для каждого из включаемых контакторов;
• время нагрева для каждого из включаемых контакторов;
• набор включаемых контакторов.

После программирования модуль готов к работе, что индицируется соответствующим светодиодом на лицевой панели модуля, и ожидает сигнала «Пуск». После подачи сигнала «Пуск» модуль выполняет цикл управления током. Во время цикла отслеживается изменение сетевого напряжения с целью компенсации его влияния на величину тока.

В настоящее время проходят апробацию еще несколько типов модулей — аналогового ввода/вывода, управления током сварочных машин с выпрямлением во вторичном контуре и т. д. Применение спроектированных модулей рассмотрим на примере линии точечной сварки сетки типа ЛТС-1000 К2, система управления для которой разработана ЗАО «КБ АСТ». Данная система должна обеспечивать управление технологическим циклом в соответствии с техническим заданием. В состав системы управления входят:

• шкаф управления (рис. 2);

Рис. 2. Вид внутренней части шкафа управления с модулем CPU/DIO и двумя модулями DIO24/24
• шкаф силовой;
• пульт управления.

Шкаф силовой (ШС) предназначен для формирования питающих напряжений линии точечной сварки типа ЛТС-1000 К2. Шкаф управления (ШУ) входит в состав системы управления и предназначен для управления сварочным циклом линии. Пульт управления (ПУ) предназначен для дистанционного управления механизмами линии точечной сварки.

Отдельным элементом системы управления является панель оператора. Панель оператора МТ506ТЕ предназначена для ввода параметров цикла работы машины, а также для отображения состояния машины и индикации возможных неисправностей. Система управления позволяет сохранять до 20 программ циклов работы машины. Панель представляет собой сенсорное средство ввода, позволяющее оператору работать с панелью без использования каких-либо дополнительных устройств.

Панель оператора предназначена:

• для ввода технологических параметров сварки и записи их в контроллер;
• а также индикации состояния датчиков, исполнительных устройств и этапов сварочного цикла.

Панель оператора оснащена сенсорным цветным жидкокристаллическим дисплеем.

Система управления линией точечной сварки типа ЛТС-1000К2 предназначена для формирования сигналов управления исполнительными механизмами, обработки сигналов датчиков и органов управления линией в ручном, наладочном и полуавтоматическом режимах, формирования технологического цикла линии в соответствии с заданными параметрами сварки. Система управления обеспечивает управление циклом контактной сварки с функцией стабилизации тока. Задание технологических параметров сварки осуществляется с панели оператора, расположенной на двери шкафа управления. Непосредственное управление исполнительными устройствами линии производится с пульта управления оператора, расположенного на некотором удалении от шкафов. На пульте расположены органы оперативного управления и средства индикации состояния отдельных узлов и механизмов линии.

Программируемый логический контроллер построен на базе модулей центрального процессора и дискретных входов/выходов, объединенных в CAN-сеть (рис. 3).

Система состоит из четырех модулей: модуля CPU/DIO (плата центрального процессора и плата 24 цифровых входов/выходов), двух модулей DIO24/24 (плата питания и плата 24 цифровых входов/выходов), модуля MFU (плата фазового управления). Рабочая скорость CAN-сети, объединяющей модули, — 1 Мбит/с. Адресация модулей в сети осуществляется следующим образом: модули каждого типа имеют свое адресное пространство, идентификатор модуля определяется как смещение, задаваемое переключателем на плате, относительно начала адресного пространства. Например, модули DIO24/24 будут иметь следующие адреса — 1016, 1116, 1216. Модуль центрального процессора является ведущим в сети, отправляет запросы всем модулям последовательно, каждый модуль отвечает на запрос по определенному стандарту. Ответное сообщение модули посылают со своим собственным адресом, что позволяет CPU определять, от кого приходит ответ. Кроме того, к модулю CPU посредством интерфейса RS-232 подключена панель оператора МТ506ТЕ. Взаимодействие с панелью осуществляется попротоколу MemoryMap. Протокол во многом похож на популярный коммуникационный протокол IBM 3764R и представляет собой обмен данными выделенной области памяти. Запрос на обновление данных может исходить как от host-контроллера (в данном случае центральный процессор), так и от контроллера панели, но только host-контроллер может выполнять непосредственное обновление данных в памяти. Для разработки ПО панели оператора используется удобная визуальная среда проектирования EasyBuilder, основанная на проектировании экранов. Пример рабочего экрана приведен на рис. 4. На данном экране с частотой 150 мс отображается текущее состояние машины, а также состояние отдельных ее узлов. Кроме того, здесь выводятся сообщения о возможных неисправностях.

Создание собственного модульного контроллера позволило предприятию эффективно, экономично и быстро разработать несколько систем управления на его основе. Такой подход к проектированию в полной мере оправдал возложенные на него задачи. С помощью среды разработки CoDeSys для процессора BECK IPC@CHIP SC13 написание программного обеспечения выполнено наглядно, удобно и быстро и предоставляет широкие возможности для выбора языка программирования и средств отладки. Реализованная система продемонстрировала отличные показатели: отказоустойчивость, высокое быстродействие, универсальность, простота разработки. Большим достоинством системы стала ее масштабируемость, что позволяет получить дешевые системы с большим числом входов/выходов. Кроме того, в разработанном контроллере также реализованы специализированные функции, редко встречающиеся в готовых контроллерах, например функция управления сварочным процессом. Полученный опыт показал, что современный процессор, последние технологии в области коммуникации и сетей, грамотная концепция позволяют проектировать собственные индивидуальные системы управления на уровне универсальных готовых контроллеров ведущих мировых производителей.