摘要：研華PAC架構設計的ADAM-5550KW 嵌入集成系統開發出--全自動數控多軸數繞線生產線控制系統。依靠PAC強大的數據運算能力，該控制系統實現了多軸數的數控繞線機中特殊的二次程序設計功能，從而能夠輕易實現同一設備生產不同工藝的繞線定子，具有非常好的柔性和工藝安全性，達成大量生產效果。本文介紹的一種基于全套研華PAC產品的全自動數控繞線生產線控制系統，充分發揮了PAC控制器的開放性，便捷性，網路性，從而實現了二次開發簡便，適應性強，擴展性能更高的要求。
前言：
      近年來經濟快速發展，除了滿足國內的需求之外，也會針對國外高價值產品提供相關生產設備，提出更具競爭力的設備方案作為外銷利器。隨著眾多產也需要電力規格轉換的需求，使得各式各樣的電機工藝生產工藝要求更加嚴峻。
      眾所周知，電機的定子線圈的質量直接決定著電機的性能，所以對數控繞線設備性能的要求可謂日趨嚴格，所以國內企業生產使用的高端的電機繞線機還是大量由日本，美國，以及一些歐美企業提供。國內繞線機生產企業也在積極突破，開發更能適應國內市場，質量更好，靈活性更大的繞線機，目前市場上的數控繞線生產線控制系統的種類繁多，但基本采用的是PLC + 觸摸屏，專用數控系統等架構，此架構功能單一，配套功能有限，功能擴展更是一個瓶頸，不能滿足產品多變需求對數控繞線機生產線系統的大量生產需求。
一、 系統需求：
1.1 每組三軸運動控制，扁平電纜和飛叉軸配合運動；
1.2 統管四十八軸多軸數同步繞線運動，可以同時繞高達十六組定子電機；
1.2 完成自動扁平電纜，自動多層，多極，多段繞線；
1.3 每個工序的動作可自由組合編輯，最終客戶可以簡單通過工藝二次開發；
1.4 人性化的用戶操作接口，以及簡單的操作方法；
1.5 無限組大容量參數配方存取；
1.6 方便進行I/O擴展，運動軸的擴展；
1.7 突破以往的單機生產方式，滿足長型距離生產線設計需求；
1.8 實現高繞線精度，繞線精度+0.01mm，飛叉：0.5度；
1.9 應用系統SQL資料庫的收集與分析；
1.10 所使用的系統需保證適合工廠的震動、溫度、連續生產等苛刻要求；
1.11 具備易更新維護，易配線等特點；
1.12 具備遠程維護操作與遠程更新等功能；
二、系統架構：
      根據分析，需要實現以上功能，采用一般的PLC+觸摸屏方式將遇到：多軸聯動控制的難度；二次工藝開發的難度；大容量參數配方存取的難度；系統自由擴展的難度：遠程監控與維護的難度；資料庫應用與分析的難度；長型生產距離設備的擴充困難。若是一般的行業專用控制器或者數控系統則會遇到：擴展性能欠缺；二次開發難度大；大容量參數配方存取的難度；遠程監控與維護的難度；資料庫應用與分析的難度；針對多軸數控制與資料收集額外需要工控機做處理。
      而這些正是PAC作為新一代自動化控制的優勢所在。能夠充分發揮類IPC的強大運算功能和數據處理能力保證客戶實現二次開發平臺的建立和大容量數據的處理，又能夠使用簡易的PLCopen程序設計方式，基于Windows CE或者Windows Xpe的開放架構，客戶甚至可以同時使用各種高級語言（C++,.NET等）進行開發應用程序，應用程序甚至工藝模塊程序完全編譯下載，無法上傳源代碼，保證程序的安全性；豐富的接口（以太網，串口，USB，VGA等）極大的方便客戶進行功能擴展。
      本案我們即采用了研華PAC (如圖2所示)來進行開發。基于Windows CE操作系統，使用完全兼容IEC61131/3的指令開發下位機控制程序，采用.NET自由開發UI（User Interface）操作接口。如圖3示。

圖2 系統方案

圖3 系統架構圖

2.1 ADAM-5550KW是為控制任務而特別設計的，它即具有工業PC強大的運算能力，又具有PLC的高可靠性。它在單一平臺中實現了包括離散、模擬和運動和人機界面等多種功能。
2.1.1 采用WindowsCE操作系統；
2.1.2 ADAM-5550KW支持Modbus RTU/TCP協議；
2.1.3 內建實時內核，邏輯功能，數據處理功能，運動控制功能全部支持IEC61131/3五種程序設計語言；
2.1.4 采用KW程序設計環境，還支持梯形圖，功能塊，SFC圖形化語言的混合程序設計，如圖4所示，極大地方便了PLC客戶輕松掌握。
2.1.5 自帶2以太網口，4串口，2 USB接口，自由通訊擴展；
2.1.6 自帶VGA接口，支持大尺寸TFT工業顯示器，實現大尺寸HMI操作；

圖4  PAC支持混合程序設計

2.2 采用以分散式架構的AMONet通訊總線作為長距離運動控制的核心技術，藉由AMONet總線來連結所有的AMAX-2241作為四軸運動控制模塊，支持松下伺服電機對三軸伺服進行精確控制，其特點如下：
2.2.1  四軸獨立4MHz脈沖輸出運動控制模塊；
2.2.2  支持三軸線性插補、2軸圓弧插補運動，連續插補功能；
2.2.3  支持Latch，Compare輸出功能。
2.3  ADAM-5051S 16路隔離數字輸入模塊；
2.4  ADAM-5056S 16路隔離數字輸出模塊；
2.5   ADAM-5024  4信道模擬量輸出模塊，實現模擬量漲力控制；
2.6 采用Microsoft .Net結合研華LogixView庫進行UI接口開發。Logixview功能庫為客戶提供常用的HMI控件和Modbus RTU/TCP等通訊控件。輕松開發人機界面可以采用Sql ce開發數據庫，大容量變量通訊和量存儲，充分發揮PAC的大容量數據處理功能。
二、 技術實現：
繞線工藝一：

繞線工藝二：

3.1 二次開發功能：
      本系統采用了流程控制的開發模式，即系統將執行動作分割為18個局部動作和4組標準的繞線方式，運行時按照“工序1 工序2 …  工序n＂的順序依次執行各個工序相應的動作。任意工序上的動作可以選擇任意的局部動作或繞線方式，友好的人機界面可以適應用戶靈活的編輯特有的工藝或者秘密加工工藝。用戶通過對各個動作的二次程序設計，實現特殊工藝的二次開發。由于基于PAC開發，操作人員只需要在觸摸屏上簡單點擊選擇，設定一下參數即可，而無需重新學習復雜的程序設計語言。降低了操作人員的技術要求，從而在增強系統的柔性的同時，降低了工廠的人力成本。

圖５動作編輯畫面

3.2 大容量數據處理：
      通過Modbus TCP在上下位機（在Adam-5550內部人為分割成兩個系統，實時內核充當下位機，WindowsCE系統充當上位機）傳輸近4000個Real型數據。在上位通過SQL for CE的數據庫處理，充分發揮PAC的能力，保障了滿足繁瑣加工工藝的要求，以保證更好的產品質量。同時Adam-5550預留的兩個以太網口，以及４個串口同樣通過MODBUS可以與第三方設備進行通訊，保證了程序數據結構的一致性，也為之后實現企業信息系統或者功能擴展留好的接口。
3.3 典型動作工藝：
      整個系統包括統管十二軸多軸數同步繞線運動，可以同時繞四到八組定子電機，每一組控制16個氣缸的動作，延時，扁平電纜，飛叉，四種繞線方式，分度，漲力等２２個動作，客戶可以通過編輯這２２個動作的順序與各動作的參數實現不同的工藝（如圖６）。并且允許客戶使用循環嵌套的方式編輯重復的動作，這樣就大大地增加了客戶工藝的自由度。也完全消除了最終客戶害怕自己的繞線工藝被設備廠商獲悉的陰影。

圖6 工藝畫面

      為了適應外轉子式定子繞線特殊的加工工藝，集成了極繞、前后空、層繞等多種繞線方式。如圖８所示。使用IEC61131/3，將復雜的多軸連動，插補等運動控制功能，通過簡單的功能塊參數設置的方式實現，極大地縮短了開發周期，并且系統的穩定性也得到了很大的提高。如圖７所示：

圖７運動控制程序設計方式

圖８　典型的三種繞線方式

3.4 配方功能：
      設置了配方編輯和存取功能，用戶可以根據不同的加工工藝，可以編輯無限多的配方檔，并支持在線傳輸或者U盤導入功能。只要一次編輯，即可無限調用，大大節約了用戶的時間和測試成本，以及對工藝的管理更清晰、更保密。見圖６。
3.5 測試功能:
      完整的測試接口，支持IO在線測試功能。加上直觀的人機畫面，可以手動強制測試判斷各輸入輸出的正確性。各運動軸的在線調試功能，直觀的顯示各軸當前的坐標。見圖９。
      設置了扁平電纜軸軟限位功能，保證模具和設備的安全，節省了維護成本。
      報警功能，自動顯示系統狀態出錯的信息，精確到某個氣缸沒有到位的報警信息，大大節約了使用者對設備的維護時間和成本。

圖９　測試畫面

四、結束語：
      采用PAC的架構設計的數控自動繞線生產線，即具有工業PC強大的運算能力，又具有PLC的高可靠性保證適合工廠的震動、溫度、連續生產等苛刻要求，藉由AMONet分散式擴充系統具備易更新維護，易配線等特點，將電機驅動擴充與距離無限延伸。
      直觀簡潔的配方設定功能，無限量的配方存取，簡單的操作接口，極大地降低了用戶工藝的開發和管理成本，多種加工工藝可隨意自由組合實現的二次便捷程序設計功能。
      具備SQL資料庫的收集與分析，將生產結果完整記錄下來，所使用的系統需具備遠程維護操作與遠程更新等功能即滿足用戶的多樣需求。