基于EtherCAT工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计.pdf

收稿日期：基金项目：吉林省科技发展计划项目（）；校级平台专项（校科字 ）作者简介：程凤芹（），女，吉林永吉人，教授，硕士生导师，主要研究方向为工业智能控制。基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计程凤芹，郑伟南（吉林建筑科技学院 电气与机械工程学院，吉林 长春 ）摘要：飞速发展的汽车行业，对黏接剂供应及配量泵控制的实时性和通讯速度提出了更高的要求，开发了一种基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统，在分析了黏结剂供应的控制难点基础上，给出了模糊 控制算法实现配量泵精密控制策略。同时给出了该控制系统的硬件配置及软件流程，解决了黏接剂气泡检测问题，使汽车涂胶系统更为便捷和可靠。实验测试结果分析得出：该控制系统具有高精度、响应快速、操作便捷的优点。关键词：；黏结剂供应；配量泵；模糊 ；控制系统；气泡检查中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；引言用于汽车行业的黏接剂供应及配量泵控制系统属于多轴伺服控制系统，在信息技术和生产方式飞速发展的今天，对多轴伺服控制系统的实时性和同步性提出了更高的要求 。伺服电机的转速控制和转动角度控制主要靠调节脉冲频率和脉冲数量来实现。伺服控制系统为多线制，包括控制线、电源线及信号线等，对于多轴协调控制的情况，接线就会更加复杂，同时会遇到信号强干扰的情况。并且随着工业自动化水平的不断提升，智能制造业的飞速发展，系统需要处理的数据量剧增，在实时性和同步性方面普通的现场总线已经不能满足要求，作为 现场总线标准之一的 工业现场总线应运而生，它在稳定性、速度、精度和同步性等方面满足了伺服控制系统的要求。本文设计了一套第 卷第 期 黄河科技学院学报 年 月 基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵多轴控制系统，结合 软件，实现了提高多轴运动控制系统的性能。系统简介 黏接剂供应系统硬件结构本系统主要由 个功能单元组成：系统主控箱、黏接剂桶 及控制部分、黏接剂桶 及控制部分、固化剂桶 及控制部分、双冗余配量泵、固化剂配量泵、配量泵 箱、气泡检查装置等，结构简图见图。系统工作原理系统主控箱的中央控制器为 ，它负责与上位机的通讯，同时对各个功能单元进行控制并监视其工作状态。本系统集成在机器人控制器上，获取机器人的 速度、车型信息、机器人的指令等。桶 和桶 互为冗余，当其中一个桶发生故障后，系统会自动激活备用桶来保证黏合剂对配量泵的填充供应，二者形成热备状态。在系统设定时也可以选择两泵交替使用，以免柱塞泵内的黏接剂长期不使用而失去活性或凝固。根据黏合剂的材料不同，可以选择加热模式或非加热模式。随动压盘采用双柱气缸同步驱动，避免了黏接剂与空气的接触，以保证黏接剂中无气泡产生。桶 为固化剂供应单元，在某些生产工艺中，由于黏接剂的固化时间不能满足生产需要，因此需要在黏接材料内添加一定配比的固化剂来提高黏接剂的强度，减少固化时间，固化剂的配比要严格按工艺参数执行，添加固化剂太多，将会影响黏接力的大小变化，若添加的固化剂太少，黏接剂不能在规定时间内达到所需的黏接强度，固化剂配量泵的精度尤为重要。系统控制箱；压缩空气供应；桶 箱；桶 单元；桶；桶 箱；桶 单元；桶 箱；涂胶塔；配量泵 箱；瑏瑡固化剂配量泵；瑏瑢双冗余配量泵；瑏瑣气泡检查系统图 黏接剂供应系统结构图当操作者在更换黏接剂桶时，如果没有将桶内的空气完全排空，这样气体就会进入输送管路，直至排出口（胶嘴）。气泡的存在会严重影响黏接剂质量，因此本系统设有气泡检查系统。系统控制策略控制技术在伺服系统中发挥着重要的作用，选用合适的控制策略可弥补硬件条件上的不足，并提高系统的动态特性。配量泵为恒压系统，同时在黏接剂供应过程中存在非线性环节和时变环节，因此若单纯采用 控制算法，控制效果会不理想，在本设计中引入了模糊智能控制算法，与 控制算法相结合，新的模糊 控制算法有效地解决了多轴伺服控制系统的非线性和时变问题。模糊 控制算法中，模糊 控制器的设计是关键。模糊 控制器主要有两部分构成：控制器和模糊推理器。模糊推理器以误差 和 作为输入，整定参数 、作为输出，满足不同时刻 参数自整定的要求 。在本设计中通过不断检测泵出口压力的跟踪误差 （）（）（）和误差变化率（）（）（）两个输入黄河科技学院学报量的大小，依据模糊推理方法实现对参数、的在线调整，以满足不同时刻误差 （）和误差变化率（）对 控制器参数自整定的要求。其控制原理如图 所示。图 模糊 控制原理图根据配量泵实际操作的因素并考虑算法本身要求，选用二维的模糊控制器，其中二维输入 （）、（）论域均为 ，；三维输出 、论域分别为 ，、，、，其模糊子集为 ，其中子集中的元素代表的论域范围分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。变量 （）、（）、选取三角形函数作为隶属函数 。根据上述控制规则并结合专家经验，制定出了 、的模糊控制规则表。模糊控制规则如表 所示。表 模糊控制规则表（）（）依据模糊规则，本设计采用了加权平均法解模糊化，输送给执行机构一个精确量，通过公式（）可以完成 参数、的整定过程。（）（）（）（）（）其中：为第 条模糊规则中模糊输出语言值的隶属度函数中心点；、；（）为输入变量 在第 条模糊规则中其模糊语言值的隶属度；（）为输入变量 在第 条模糊规则中其模糊语言值的隶属度；为各个输出变量的比例因子；为 控制器各参数初值。系统电气控制本系统有三级结构形式，即管理级、控制级和现场级，每层由不同的控制核心承担。通过 机连接 控制系统，实现程序的下载与上传，并且能方便地对程序进行在线监控和修改，系统的电气控制原理图如图 所示 。控制级设计中央控制器选用德国倍福 ，控制柜安装的面板型 是多点触控的，配备了高度集成的 英寸主板，结合在 、下运行高性能 （倍福）自动化软件，为本系统应用提供了一个功能强大的平台。已经配备了两个独立的以太网接口，用于 控制系统。它还有一个空闲的迷你 插槽，可使用不同的现场总线卡或一个独立的第三方以太网接口，这样为不同制造商的控制系统总线的通讯提供了便利，例如 接口卡。程凤芹，等：基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计 （、）和 的开发环境集成在同一个工具中。在软件方面，（，基于 的控制和自动化技术）自动化软件是控制系统的核心部分。软件系统将任何一个基于 的系统转换为一个带多 、和机器人实时操作系统的实时控制系统。集成了高级编程语言，通过“服务器扩展”功能可以轻松扩展 服务器，这些服务器扩展功能的逻辑可以使用高级语言来编写，甚至可以对特定的通信协议进行扩展 。图 系统电气控制原理图 现场级设计 远程 箱 耦合模块 为远程 模块的通信接口，它负责与 主站进行通讯，并在不需要网络交换机的条件下，通过配置不同的扩展元件来组成树型、线型、星型等网络拓扑结构。该模块可以与 系列的 模块配置，完成不同的任务 。通用数字输入和输出模块用来采集开关量型号和各种负载的控制（电磁阀、固态接触器、指示灯等）。在管路加热的控制中采用伴热带或者加模具热棒进行，温度数据的采集则通过热电阻 与模拟量模块进行。各温控通道采用 闭环控制，控制参数可根据目标值的设定自整定获得，见图 。柱塞式配量泵柱塞式配量泵的控制采用分布式直流无刷伺服电机来实现，其结构图见图 。该电机集成了控制电子元件，无须外置驱动放大器便可直接接入 电源。伺服电机可以实现位置、速度、扭矩 种模式的控制。该电机集成了 现场总线，直接与 进行通讯，完成配量泵的实时计量配比控制。电机的参数设置和调试可通过 或者集成网口（、）来连接，使用 软件来实现。双泵控制图见图 。黏接剂气泡检查气泡的产生主要是由于黏接剂输送系统中混入空气造成的，如果空气混入黏接剂产生大气泡，高压黏接剂包裹着空气从排出口排出后会突然炸裂，容易造成人身伤害。如果空气混入黏接剂产生小气泡，从排出口排出的黏接剂就会呈现蜂窝状，直接影响密封质量，因此在黏接剂供应系统中气泡的检测环节非常重要，在本系统中，气泡检查功能单元由压力传感器和 两部分组成，控制原理如图 所示。黄河科技学院学报图 部件及管路加热参数图 柱塞配量缸结构图图 双泵控制图程凤芹，等：基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计图 气泡检查结构图 系统的硬件组态和软件流程图基于黏接剂供应及配量泵控制系统的电气控制原理，对系统硬件进行组态。本系统由 网络构成一主多从的网络结构，如图 所示，通过 的拓扑编辑器，可以组态和查看现场 设备的网络拓扑结构和状态，方便了维护和诊断 。本涂胶系统的 程序采用 系列 软件 设计开发而成。根据系统的具体控制流程，得到控制软件流程如图 所示。图 网络拓扑图图 柱塞配量泵的工作流程 实验结果与分析在系统的测试中，配量泵用于汽车黏接剂的供应，采用触摸屏对系统进行操作，伺服电机的参数设置和调试界面如图 所示，配量泵的控制参数设置如图 所示，恒压控制精度试验是在 的压力输出范围内，根据系统在稳态状况下采集记录的出胶量实际值，计算出胶量控制精度。当泵在 的压力下工作时，经计算得出控制精度达到 ，响应时间约为 ；当泵在 的压力下工作时，控制精度达到 ，响应时间约为 。图 给出了黏接剂气泡检测效果图，综上所述，控制系统的精度小于 ，压力超调量小，响应时间，满足实际生产需求。黄河科技学院学报图 伺服电机设置及调试界面程凤芹，等：基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计图 配量泵控制参数图 黏接剂气泡检测效果 结语针对黏接剂计量泵控制问题，本文采用了 工业现场总线技术，开发设计了一种通过伺服电机位置、速度、扭矩来实现配量泵的控制系统，通过控制算法和软件设计相结合，实现了配量泵输黄河科技学院学报出流量的精确、稳定及实时性，同时很好地解决了黏接剂气泡检测问题。经现场试验，该配量泵控制系统运行稳定、计量精度高，很好地满足了汽车涂胶系统的需要。参考文献：王玮 永磁交流伺服系统网络化多轴驱动的关键技术研究 杭州：浙江理工大学，曾光奇，胡均安，王东，等 模糊控制理论与工程应用 武汉：华中科技大学出版社，鲁雄文 模糊 控制系统的设计与研究 现代电子技术，（）：，：，程凤芹，等：基于 工业现场总线的黏接剂供应及配量泵控制系统设计