贝加莱 PCC 及ACOPOS 伺服在刻蚀线上的应用

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关键词:摘要:以荫罩刻蚀线的刻蚀腔体内的摇摆电机控制对象为对象,采用了B&R 的PCC 和ACOPOS 伺服控制器,对同步电机进行运动控制,使摇摆腔体内电机能快速、稳定地跟随设定曲线,并按照设定曲线运动。PCC 中PVI 使PCC 方便地与上位机进行通信;PowerLink 使伺服间的通信实时快速;PCC 的高级编程语言C 使PCC 完成传统PLC ...
  • 关键词:
  • 摘要:以荫罩刻蚀线的刻蚀腔体内的摇摆电机控制对象为对象,采用了B&R 的PCC 和ACOPOS 伺服控制器,对同步电机进行运动控制 ,使摇摆腔体内电机能快速、稳定地跟随设定曲线,并按照设定曲线运动。PCC 中PVI 使PCC 方便地与上位机进行通信;PowerLink 使伺服间的通信实时快速;PCC 的高级编程语言C 使PCC 完成传统PLC 不能完成的高级应用,如曲线的生成;而虚轴概念的引入更是提高了电机运行的可靠性。

1 简介

1 . 1 系统简介
   
  系统为普通糟孔荫罩刻蚀线 ,主要包括开卷部分、刻蚀腔体部分 、第一水洗部分、电解剥离部分、最终水洗部分和最后的烘干及撕边部分 。

  表面有光致抗刻蚀剂的成卷钢带,在开卷部分被拉开,并送人刻蚀腔体。腔体刻蚀液为FeC13 , 与钢带的无光抗部分反应 ,形成槽孔。第一水洗的作用为停刻蚀,将荫罩表面的FeC13 均匀地完全去除 。剥离部分用于剥离钢带表面的光抗,剥离液为NaOH 。最终水洗除去钢带表面的NaOH 和杂质。烘干部分烘干钢带表面的水分 ,防止生锈 。之后钢带进人撕边机,撕去荫罩四周的废边。刻蚀生成的工艺过程如图1 所示。

图1 刻蚀生产线工艺过程

  刻蚀腔体部分为整个系统的关键,其刻蚀的效果直接影响到产品的合格率 。整个刻蚀过程有6 个腔体 ,每个腔体中有上下两对喷嘴 ,分别由两台控制,电机控制喷嘴来回摆动。因此整个刻蚀部分由12 台电机组成。由于电机不断来回摆动,这里称之为摇摆电机 。

1 . 2 摇摆电机运动简介
   
  根据工艺要求电机必须按照一定轨迹运行 ,而且不同的电机运行轨迹有所区分 。由于对运行曲线的高要求,摇摆电机的控制选用了B&R 的PCC 及ACOPOS 器。
   
  在上位机,工作人员给定一条轨迹上的16 个点 ,如图2 所示,其中横轴为位置,纵轴为速度。12 台电机每台都有一条设定的曲线 。PCC 除了完成对电机的起动 、停止、运行等逻辑控制外 ,主要的功能就是控制电机按一定的轨迹运动,使得这个轨迹同时经过所设定的16 个点,并且保证电机运行的平稳。由于要求快速响应和高控制精度 ,摇摆部分使用同步伺服电机进行运动控制。之前使用东芝公司的 ,有摆动不平滑的问题,因此改用B&R 开发的高性能控制器PCC  。PCC 在控制器中使用嵌人式操作系统 ,且设备层网络采用实时以太网 ,可以实现非常高的实时控制要求。

图2 摇摆电机轨迹点设置

2  B&R PCC 及ACOPOS 伺服

2 . 1 B&R PCC 硬件配置

  摇摆部分采用了B&R 2005 , 2005 系列CPU 是B&R 第四代控制系统SG4 ,采用的是Intel 处理 器,包括了电源模块、CPU 模块 、数字输入输出模块。其中CPU 的PCI 总线插槽中插人了Power Link 网络适配器 。若采用PowerLink 串联 ,最多只能串联10 台伺服控制器,本系统采用Power  Link IF786 及一个HUB 将12 台电机分成两条串联支路进行实时控制。数字输人模块用于起动、停止、紧急停止 、12 台电机的Readay 、找原点信号输人。数字输出用于电机运行、电机故障 、12 台电机寻找原点的状态指示 。

  上位机与PCC 可以通过RS232 与以太网进行通信。RS232 作为编程口。以太网作为实时通信口,用于数据的上传与下载 。将上位机设定的运动曲线实时传给PCC  ,同时将实际运动位置 、速度、电流及故障信息传给上位机 。

  图3 给出了一台电机的伺服控制器与共他硬件设备的连接图。电机控制器采用了B&R 的ACOPOS 伺服控制器。伺服控制器插人了Power Link 模块AC112 ,用于和前后两台伺服控制器相连;AC122 为旋转编码器模块,用于电机的速度与位置检测 。ACOPOS 1090 本身提供了温度信号检测(T +、T 一) ,抱闸信号输出(B 一 、B + ) 和其他控制信号。在现场,同时安装了三个光耦给定电机运行的正向极限位置、反向极限位置和原点位置。在运行前电机首先找到原点光耦所在位置定为O 位,然后根据设定曲线运行 。而正、反向极限光耦信号起到了保护作用 ,当光耦给出信号时,伺服将给出极限故障信息并且停止运行。

图3 伺服控制器与外围连线

2 . 2 ACOPOS 伺服控制方式

  ACOPOS 的伺服控制如图4 所示,大致可以分为四个部分:初始值处理 、位置控制、速度控制、实际值检测。在初始处理时 ,根据给定的位置及最大允许速度和最大允许加速度 ,给出一个理想的定位过程,即得出加速 、恒速、减速段,不同位置时的速度也相应得到 。位置控制主要有比例调节、比例调节限制p _ max  、积分限制i _ max 和积分调节。比例调节后的值为k* △s ,若k* △s > p _ max ,则v_ p ﹦P _ max ;若k* △s ﹤﹣p _ max ,则v _ P = ﹣p max 。同理i _ max 用干限制积分调节值 ,v _i  。速度调节为一般的PI调节得到控制电流值送入矢量控制器,对电机进行控制。而电机的实际位置通过编码器得到。

图4 伺服控制框图

3  B&R PCC 软件系统

  整个软件系统可分为过程可视化接口(PVI ) 和Automation Studio 。PVI 用于与上位机的通信,Automation Studio 则用于PCC 的逻辑控制与运动控制等的编程 。

3 . 1 PVI 通信
   
  PVI 是所有Windows 应用程序访问贝加莱工业控制器的统一接口。使用PVI  ,用户在开发通信程序时不需要花大量时间考虑底层的通信过程,也不需要调用复杂而繁琐的Winsock API 函数,只需 在逻辑结构上进行简单的配置即可访问PCC 上的变量。PVI 的最大特点就是能够使用程序直接操作PCC 任务中的变量 ,因此必须给每一个过程变量在PVI Manager 中的映射指定唯一的路径 。

  PVI 通信的核心任务是建立过程变量的映像,建立的结果是每个映像都和网络中唯一的一个变量一一对应。这个变量可以是一个基本类型的数据,如整型变量 ,也可以是一个自定义类型的数据 ,如结构体变量。这个映像包含了从应用程序所在工作站到变量所在任务的路径信息 。如果把控制器和模块也当作通信中对象的话,每个映像路径包括的对象有:基本对象(Pvi ) ;线对象(Line ) ;站对象( Station ) ; CPU 对象(CPU ) ;模块对象(Module ) ;任务对象(Task )和变量对象(Variable)。这个映射路径由PVI Manager 统一管理,每个对象包含对象名 ,对象描述和存取参教。劝象名(包括路径)是PVI 中的名字 。对象名由用户任意确定,对象描述必须与PCC 中待映射的变量名字一样,PVI Manager 依靠对象描述找到具体的过程变量 ,实现映象关系。存取参数包括数据类型说明、刷新时间、事件类型等。
    在本系统中,伺服电机运行在16 个位置的速度是确定的,位置和速度均可以在上位机上设置 ,然后发送至PCC  。将这些数据封装为一个结构体:

  struct MotorCommset { float Position [16];//16 个点的位置  float Speed [16] ;//16 个点的速度  int MotorNumber ;//标示当前设置的是第几台电机};

3 . 2 Automation Stndio 编程

  Automation Studio 为每个应用与程序提供了多种编程方法。包括:梯形图LAD ,指令表IL ,结构文本ST  ,顺序功能图SFC , AB , ANSIC 。其中ANSIC 是使用于新一代Automation Studio 的功能强大的高级编程语言 。利用ANSIC 编写的语言可以实现更高级的功能 。在摇摆部分的电机控制中,利用了ANSIC 来实现曲线生成的功能。

3.2.1 对象建立

  B&R 的伺服运动控制采用了面向对象的控制方式,使用高级语言C 针对一个伺服控制器创建一个运用对象ax _ obj 后 ,可以利用针对此运动对象创建的指针* p _ ax _ dat _ ,对电机完成不同的运动控制。

  ncalloc ( ncACP10MAN + ncPOWERLINK 一IF , ACP10 NONE , ncAXIS , l , ( UDINT ) & ax _ obj ) ;

  每台伺服控制器在硬件上都有一个节点设置部分,可以设置各自的节点号 。在命令ncalloc 中通过不同的ACP10_ NODE 可以为不同的伺服创建各自的运动对象。

3.2.2 虚轴
   
  在ACOPOS 的伺服中,针对每一台伺服而创建的运动对象 ,都有一个假想的轴,称之为虚轴。这个虚轴跟实轴一样一方面能够作为从轴,跟着主轴完成同步轨迹 。另一方面也能作为主轴 ,让其他轴参与同步。由于虚轴的引人,使得一个伺服也能够和自己的虚轴发生同步关系,即电机运行时以自己的虚轴作为主轴 ,实轴跟随虚轴同步。

  这里伺服要完成曲线运动,在

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