數年來，術語“運動控制”在工業自動化領域極富爭議。然而，在文獻意義上，運動控制指多個驅動器之間的協調。在展覽會上，真正創新的系統非常罕見，經常與有更傳統結構的系統并列展出。但是，軟件中的新技術正在改變常規結構，尤其是在驅動控制領域。
最近Schleicher推出的基于PC的控制系統具有協調高達6?個NC軸的能力，經過檢驗顯示出真正創新解決方案的巨大潛力。這種新結構不僅重新分配了驅動器和更高層控制系統之間的任務職能，而且還提供了控制復雜和專門動作的方案。它代表了機床控制演變出新概念的可能性。
改變傳統自動化系統的職能，任務被清晰地分配下去。一個PLC連接了輸入和輸出，CNC通過插補或者象機器人控制那樣進行坐標變換來協調軸的動作。但如今，主要的變化出現在基本功能模塊委任為相關的控制單元。
部分驅動控制由相應的PLC功能執行，或者由特殊的位置模塊——或者它們被指派到更低級，例如，在位置控制器內部，與伺服放大器一樣。如今，隨著局部智能電力電子的出現，整個控制電路隨同積分曲線發生器經常被嵌入到驅動器內。諸如此類的部件如今只通過更高級別控制系統參數化，通常通過現場總線接收工作。
作為對比，其它系統具有的中央控制系統能假定單個驅動器的功率控制。尤其是在這些情況下，功率和監控部分及控制系統之間必須要有一個快速總線連接。當然，具備高速連接正快速成為系統范圍的要求，因為各個功能部件必須能同時獲得各種數據加以處理。
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圖1：PC能控制許多功能。 |
例如，一個運算器能同時向電流控制器供應目前馬達的位置；為速度控制器提供測量過的轉數；同時，必須向位置控制單元——供電裝置或連續步進電機控制系統報告實際的位置值。
此外，視覺系統要求恒定的反饋數據，從而能以圖形形式直接顯示出路線。對于當今普遍的節拍(cycle time)，這不是件小事。因此，有效而且全面的實現數據通信對任何一個完整的動作控制方案來說都是至關重要的要求。
驅動應用類型各異，種類繁多。類型從前進至單一目的地的單軸到復雜多軸，其中同步操作或在線處理都涉及協調多軸作業和一個外部作業。協調多軸為控制系統性能提出了高要求。如果僅僅是行進一條單路徑，手工編程也許仍然是可能的選擇。然而，在許多情況下，甚至凸輪裝置也能夠導致數據和指令數量大幅增加。因此，由功能模塊組成的庫對編程而言變得重要起來。運動控制系統的處理量隨性能、靈活性和提供的功能范圍潮起潮落。尤其是，控制驅動技術的軟件模塊的簡化處理是一大關鍵優勢。復雜的專門的動作，直接用CNC的DIN語言編程會非常錯綜復雜，但用功能模塊實現則輕而易舉。在這些情況下，操作員控制得以簡化，而且更容易理解，尤其當各個功能模塊在后臺進行必要的通信時，無需用戶介入。
一個處理器進行控制
通過新型的Schleicher控制系統負責所有控制器任務，可實現驅動編程的創新和便利形式，顯而易見的優勢是可操作性和經濟性。例如，在單個處理器上的系統節省了接口和硬件成本。這種方法引來的挑戰很清楚。不管執行的任務有多寬泛，性能決不容許在任何一個區域打折扣。便利熟悉的用戶界面優勢也不能喪失。一方面，基于Windows視窗的解決方案成為操作員界面設計的成熟手段，但工業領域需要的實時性能，如響應時間在微秒范圍內，不能由僅僅運行Windows XP的PC來提供。在硬件中斷的情況下，例如，一個網絡接口卡，在流程沒有改變的期間能發生延遲，但在實時任務要求下不允許發生這種情況。因此，盡管事實上標準Windows方案能提供方便的人機界面控制，但多任務功能和內部流程通信實際上還不能滿足苛刻的實時性要求。
為了能夠在單PC上提供人機界面友好的控制和實時系統，Schleicher采用了特殊的能配搭工作的操作系統組合。ProNumeric使用了KUKA Controls的VxWin包，VxWin包集成了風河的VxWorks實時操作系統和微軟的Windows XP。這種集成方案融合了兩種類型操作系統的優勢。時間關鍵的任務通過VxWorks實時執行，而高端圖形HMI功能及連接性也利用了便利的Windows XP用戶界面口。
兩個操作系統的存儲區域嚴格由x86 MMU(存儲管理單元)保持分離并保護。KUKA VxWin實時驅動確保VxWorks有處理所有時序關鍵任務的優先權。當實時操作系統的任務管理設備報告說空載時才從VxWorks轉換到Windows。Windows和實時操作系統通過TCP/IP網絡進行通信。
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圖2：TCP/IP將模塊鏈接到一起。 |
本控制系統結構提供嚴格的確定性時間響應，并確保PLC運行時間的實時功能和CNC功能。同時，Windows環境也可通過OPC調用，用于諸如視覺顯示及操作者對話處理等任務。除此之外，還可以使用基于Windows的項目規劃工具，并獲取網上手冊及標準Windows程序。CNC和PLC緊密鏈接了ProNumeric，這是由Schleicher提供的最先進的基于PC的控制部件，因非常緊密地集成了PLC和CNC控制的運動功能而著稱。由于具有分離的硬件，CNC負責運動控制，而并行運行的PLC負責控制和監視外圍設備。按照IEC 61131-3對PLC進行編程，使用了STL、FBD、LAD、ST和序列功能圖。根據DIN 66025，該程序具有包含延伸功能的ProNumeric CNC。
CNC和PLC功能的緊密集成由ProNumeric實現，這歸功于一種市面上獨有的解決方案；CNC和PLC使用一種通用通信緩沖器，并完全同步化。PLC任務可以緊密地進行插值。換句話說，PLC周期時間精確地跟隨CNCD的IPO周期。與分離或松散集成的硬件不同，該系統不會遇到限制因素，比如，閥的開關依賴于位置，直接與路徑運動相關。在常規控制結構下，CNC和PLC之間不同的周期和與通信有關的延遲限制了響應速度。
為取得優化的機器性能及復雜功能序列，有必要確保CNC與PLC永久且精確的同步化。在完全同步化的系統內，有可能在CNC的單個時鐘周期內處理傳感器信號，這允許對軸進行相應的調整，而不會引起延遲。在現場，這種連續路徑控制用于即刻補償機床因發熱而引起的任何漂移。溫度傳感器向PLC提供數據，PLC反過來利用這一信息來計算并在同一時鐘周期內向CNC傳遞補償值。方便的是，ProNumeric操作員界面的開放設計允許用戶選擇與IEC 61131-3、伺服軸試機工具、網絡工具和其它諸如此類功能一致的編程環境。如遠程維護和遠程診斷設施、服務、文檔和不同系統公司的程序管理工具等軟件解決方案可被方便地被加以集成。對于shop floor編程，也有可能直接在控制器上安裝CAD/CAM包。#p#分頁標題#e#
NERTHUS優化NC程序
在計算CNC數據和仿真工裝路徑之后，Schleicher控制系統通過NERTHUS技術，減少了用自由選擇的輪廓公差定義自由外形輪廓所必需的中間點。該技術減少了NC模塊的數量，并生成優化的NC部件程序。采用在線曲線內插器(OCI)，CNC控制系統復制自由外形的輪廓，采用NC模塊內包含的信息獲得持續而光滑的路徑和優化的軸速。同時，也可以通過現場總線讀主機值編碼器在一個內插周期內強制它們成一條“線軸”來結合多個軸。這些軸根據時鐘速度和工裝位置彼此同步。而且還有可能一起按組操作多個工裝，如果有用，整個工裝組能被結合到更高級別的虛擬主傳感器，以獲得優化的整體生產速度。
基于PC系統的快速Sercos連接還可作為通信中心進行配置。除了為執行器和傳感器提供現場總線接口連接，如CANopen，以及到企業的以太網連接，基于PC的系統還為多種驅動器，甚至那些不同的制造商進行互動提供了理想的平臺。采用Sercos接口確保了PC和驅動器之間的高帶寬通信。這種接口的進一步優勢是CNC從其位置控制任務中解放出來，因此顯著提高了其計算能力。幾乎任何一個I/O設備都能被輕松地通過現場總線耦合器連接到控制系統。
總結
從靈活性來看，基于PC的運動控制系統提供了常規解決方案未知的靈活性。借助于已在全球超過7萬套實時系統內部署的VxWin技術，Schleicher控制系統能充分利用PC技術的所有優勢。我們應感謝熟悉的Windows接口，操作者能快速并無縫集成自己的應用專長。基于PC的控制系統還提供遠程診斷和維護設施，允許從多種多樣的驅動器制造商處安裝工具。預配置的Schleicher ProNumeric不僅按照IEC 61131將CNC控制系統耦合到PLC，而且還保證了系統靈活性及優化的高性能，在運動控制中明確地實現了出眾的技術創新。
作者：Kuka Controls GmbH
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