1 引言
多線切割機是利用金屬切割線切割硅、石英等硬脆材料的機器,主要原理就是把細的金屬切割線通過復雜的機械結構和各種導線輪,按切割的工件的形狀編織成一定網狀,并在整個線網內給定一個相對恒定的張力,然后多個伺服電機驅動切割線網高速的運轉,最后在切割線網上噴灑細研磨砂漿,同時進給工作臺帶動切割線網進給,完成切割任務。
多線切割機控制系統由以下部分構成:工控機和伺服驅動裝置包括主伺服驅動、從伺服驅動、導輪伺服驅動及收放線伺服和排布線伺服,砂漿供給變頻器、質量流量計和其他的傳感器和執行機構等組成。
線網的正常運轉,需要多個伺服電機的高度同步來保證,切割線在運轉過程中放切割線的線輪和收切割線的線輪直徑不斷變化,要保持線網的張力不變,就要不斷調整放線輪和收線輪的速度和扭矩,所以對于自動控制及驅動系統要求非常嚴格,同時系統還要有人機界面來操作和監控,切割過程中還要記錄系統運行情況。所以控制系統要具有快速的復雜數學計算和邏輯運算能力,同時把運算的結果盡快地傳給執行機構。
由于對控制系統要求比較苛刻,控制設備量大,各個設備間密切配合如果采用傳統的控制方案,勢必要敷設大量的控制和信號電纜,浪費大量的人力和物力,十分不經濟,同時使系統復雜,可靠性降低 。采用目前比較流行的profibus現場總線技術,可以降低成本,同時提高系統的可靠性,使系統易于擴展和維護。
2 控制系統網絡結構和說明
首先工控機設定切割需要的給定值,包括線速度、線張力、砂漿流量和砂漿溫度等,給定值傳給主驅動伺服,同時工控機與各伺服傳動之間通過Profibus高速數據傳輸,將給定值和主驅動的數據快速傳遞給3個從驅動伺服和收放線輪伺服以及排線伺服,同步的實現依靠每個報文的同步字符,線張力由工控機通過Profibus總線傳給收放線伺服,然后通過伺服I/O接口輸出給氣動調節閥控制張力臂。切割過程中,工控機通過Profibus總線適時讀取角度傳感器測得張力臂的張力以及收放線電機的扭矩,根據張力值和電機的扭矩計算線輪直徑,不斷調整收線和放線電機的角速度。從而保證切割的線速度和線張力恒定。
圖1 網絡拓撲圖
3 系統軟件
主控單元工控機的控制程序主要采用Step7軟件進行編寫,同時使用VB腳本和C腳本編寫和組態了人機界面程序,該程序采用模塊化編程結構,便于系統維護和擴展。由于系統軟件邏輯運算和數學運算的復雜性,限于篇幅,下面只列出放線輪建立線網過程和主程序的程序流程圖[5][6]
自動切割過程如下,首先建立線網,從放線輪開始,放線輪建立起張力后,操作人員用專用的工具拖動切割鋼線,繞導輪轉動將鋼線編織成所需的網狀方式,一直到收線輪,將鋼線固定在收線輪,然后按下收線輪啟動按鈕,收線輪建立張力。接著將工件裝夾到工作臺,啟動主電機,同時按同步控制方式啟動從電機、導輪電機,點動升速按鈕,線網低速運轉,操作人員檢查接地和跳槽報警功能,正常后,向下移動線網,當線網要接近工件時,按下初始化按鈕。啟動砂漿泵,使能斷線檢測功能。當切割條件,如切割張力,砂漿流量、溫度,冷卻水流量、溫度等達到切割要求是,按下自動運行按鈕,開始切割。
圖2 右線輪建立線網流程圖
4 采用Profibus通訊的優點
1、安裝在現場的分布式I/O站點最大限度地減少控制信號傳輸電纜的數量和布線距離,降低了系統安裝成本,縮短了安裝調試周期;
2、系統擴展容易,充分利用PROFIBUS總線的開放性,來自不同廠商的執行器件均可以通過現場總線連接,方便地構成分布式控制系統;
3、各設備作為控制系統的一個組成部分,與整個控制系統只通過一根電纜相連。設備的增減對系統而言只需極少電纜連接的改動和控制程序的少量修改;
4、控制器件的選擇充分考慮開放性軟件設計的主流,大大提高了控制軟件的可重用性和對維護人員的開放性;
5、基于PROFIBUS總線的編程更簡單。編程設備可從總線上的任一節點接入,系統維護方便,降低了系統調試強度;
6、由于現場總線設備的智能化、數字化,與模擬信號相比,從根本上提高了測量與控制精度,也提高了系統的可靠性;
圖3 主程序流程圖
7、現場總線是專為現場環境設計的,可工作在比較惡劣的環境中,且具有很強的抗干擾能力,保證系統更穩定的運行 。
5 結束語
Profibus技術從2008年開始已成功應用于多線切割機,特別是在多線切方機系列產品的控制系統中,現場設備的控制全部采用了Profibus技術,包括西門子的伺服驅動裝置、通用變頻器、德國科隆質量流量計、分布IO模塊等,得到了用戶的高度評價。尤其是與傳統集中控制比較,從系統設計、安裝調試、維護及擴展上,現場總線技術的優勢十分明顯。
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