基于 PC 的 PLC 和运动控制系统

基于 PC 的 PLC 和运动控制系统

Windows 控制和自动化技术

TwinCAT 软件系统可将几乎任何兼容的 PC 转变成为带多 PLC 系统 和 NC/CNC 轴控制系统的实时控制器。同时,TwinCAT 集成了适用于所有 Beckhoff 控制器的编程环境:从高端工业 PC 到嵌入式控制器。

 

TwinCAT 架构

TwinCAT 系统由用于实时执行控制程序的运行时系统和用于编程、诊断和配置的开发环境构成。任何 Windows 程序(如:可视化程序或办公软件程序)都可以通过 Microsoft 接口来访问 TwinCAT 数据,也可以执行指令。

 

实用的软件解决方案

TwinCAT 提供了一种精确的时基,在该时基中,程序能够以最高的确定性执行,而与其它处理器任务无关。可通过 TwinCAT 来设置 PC 上的实时负荷,以此实现预定的操作性能。TwinCAT 系统可以显示正在运行的程序的系统负荷。同时,也可以设置负荷的临界值,以确保预定的计算能力能够满足操作程序以及 Windows NT/2000/XP/Vista 或 Windows 7 的需求。如果超过该临界值,则会产生一个系统报文。

 

TwinCAT 支持系统诊断

在使用开放式 PC 硬件和软件时,一般都需要进行一些校验:不合适的组件会扰乱 PC 系统。Beckhoff 在其产品中已集成实时抖动指示器,以便管理员能够快速对硬件和软件做出评估。运行过程中出现的系统报文能够指示状态是否正确。

 

启动/停止

TwinCAT 既可手动启停,也可自动启停,取决于具体的设置。由于 TwinCAT 作为一种服务集成在 Windows NT/2000/XP/Vista 和 Windows 7 中,因此操作人员无需启动系统:只需接通电源即可。

 

重启和数据备份

当程序启动或重启时,TwinCAT 会加载程序和剩余数据。为了正确备份数据以及正常关闭 Windows NT/2000/XP/Vista 或 Windows 7,最好使用 UPS(不间断电源)。

 

TwinCAT 和“蓝屏”

TwinCAT 系统即使在出现蓝屏死机 (BSOD) 操作系统崩溃的情况时,也能保持实时能力。因此,诸如 PLC 和 NC 等实时任务仍可继续运行,并可使控制过程进入到安全状态。最终还是由编程人员决定是否使用该功能,但请记住蓝屏死机会造成数据或程序损坏。

 

通过报文路由实现全球连接 — 系统集成了“远程”连接

根据操作资源的要求,TwinCAT 软件设备可分配如下:TwinCAT PLC 程序可在 PC 或 Beckhoff 总线端子控制器上运行。“报文路由器”通过 TCP/IP 接口管理和分配系统中的所有报文。PC 系统可通过 TCP/IP 相互连接;总线端子模块控制器通过串口和现场总线(EtherCAT、Lightbus、PROFIBUS DP、CANopen、RS232,RS485、Ethernet TCP/IP)集成。

 

全球访问

由于可以使用 NT/2000/XP/Vista/CE 和 Windows 7 的标准 TCP/IP 服务,因此可在全球范围内进行数据交换。系统提供各种可调的通讯能力和超时时间,以实现通讯监管。OPC 为方便用户访问多个不同的 SCADA/MES/ERP 软件包提供了一种标准方式。

基于 PC 的 PLC 和运动控制系统

TwinCAT I/O – 适合所有常用现场总线的通用 I/O 接口

可支持由不同厂商提供的各种 PC 现场总线卡。一台 PC 可连接多个现场总线卡。支持主站和从站功能,具体取决于所选的现场总线卡。通过 TwinCAT 系统管理器可以方便地配置和诊断现场总线卡。TwinCAT I/O 包含用于运行现场总线的 TwinCAT 实时系统和一个连接应用程序的 DLL 接口。

 

TwinCAT PLC – 自动化软件的核心

作为一种纯粹的软件 PLC,TwinCAT PLC 允许在一台 PC 上实现 4 个虚拟的“PLC CPU”,每个虚拟的“PLC CPU”最多运行 4 个用户任务。可使用以下一种或多种 IEC 61131-3 标准语言编写 PLC 程序:

TwinCAT PLC 在 Windows NT/2000/XP/Vista 操作系统下运行,包括编程环境和运行时系统,无需使用附加的编程设备。对于用于 BX 和 BC系列控制器的 CE 操作系统和嵌入式操作系统,则只提供 TwinCAT 运行时。程序修改通过与运行时系统进行组网通讯来实现。编程可通过下列方式完成

 

IEC 61131-3 – 适用于所有 Beckhoff 控制器的高级编程标准

TwinCAT PLC 的编程符合 IEC 61131-3 标准,独立于设备制造商。TwinCAT 支持所有 IEC61131-3 编程语言,配有方便的编辑器和快速、高效的编译器,即使是几兆字节的大型 PLC 程序,其开发创建的周期也很短。增量式编译防止出现较长的编译周转时间,并且只编译更新后的字段。功能强大的编辑器功能,例如“自动套用格式”、“自动声明”或“查找”和“替换”等功能,使得编程速度非常快。对于所有编程语言,项目比较功能可以轻松识别并接受差异(如有)。如果一个项目(注释、目录等)被翻译成非原有语言的其它语言,则所有术语都被导出到一个表格中,翻译完成之后,再重新导入。如果是一个团队在进行开发,所有对象(块、数据类型、列表)均可在一个源代码工具内通过 TwinCAT 开发环境接口进行管理。由此可追溯不同版本之间的变更并显示每个版本之间的区别。

功能块的“实例化”概念,指每个实例都有其自身的数据,从而形成面向对象的结构化编程形式。它支持 IEC 61131-3 中规定的所有通用数据类型。可实现多维字段和结构,例如枚举和子范围类型。

TwinCAT PLC 所采用的语言包括 IL 和 ST(基本级)。在线修改功能可以在 PLC 运行并保留最多数据的情况下修改代码和/或数据。源代码可保存在目标系统中(除 BCxxxx 系列控制器以外)。准则分析功能对于过程错误的检测非常有益。

由于功能库管理器的使用十分简便,因此可以非常容易地重复利用代码。对于程序和功能库可使用多级密码保护,以实现专有技术保护。

 

使用一种工具,实现多个目标平台

使用 TwinCAT PLC 创建的 PLC 程序也可以在多个目标平台上执行。除了工业 PC 和 CX 系列嵌入式控制器之外,PLC 项目也可载入到 Beckhoff 的 BC 和 BX 系列现场总线控制器中。程序开发和调试都在相同的工作环境中进行,与正在执行程序的设备无关。

 

丰富的附加功能库

对于扩展由 IEC 语言标准定义的功能块,Beckhoff 还提供了大量用于执行自动化技术典型任务的附加功能库:例如通过 TwinCAT NC 控制电动和液压轴的功能库、串行通讯功能库、报文输出系统功能库、写/读文件功能库、控制技术功能块功能库等。

 

实用工具

TwinCAT PLC 具有丰富的故障查找功能,可以在现场或通过远程维护非常容易地解决问题。为此,TwinCAT 的 PLC 编程环境可提供:

另外,TwinCAT ScopeView(示波软件)可用于同时记录一个或多个变量。

 

TwinCAT NC – 基于 PC 的运动控制

软件 NC 包括:

通过 TwinCAT NC,位置控制器默认在 PC 处理器上进行计算。它可通过现场总线与驱动器和测量系统循环进行数据交换。

 

PC 上的集中 NC 定位

借助 PC 的计算能力可以使轴的运动控制与 PLC 同步,并且通常是在 PC 上计算位置控制器:PC 的计算能力允许同时定位多个轴。

使用 TwinCAT,PC 可同时处理操作程序、PLC 和 NC。系统负载的分配由相应的 TwinCAT 功能实现。

 

分析轨迹计算

TwinCAT NC/NC I/CNC 中用于实现轴控制的算法考虑到了轴的动态参数:转速、加速度和加加速度。通过这种方式,轴随时可在允许的动态限值范围内运动,并且精确地进行分析协调。有许多不同的控制算法可以降低实际应用中会出现的与理想轨迹的偏差。

 

单动或联动

除了定位单个电动轴这一常用方法 — 从其起点运动到其终点(点到点定位)之外,TwinCAT NC 还可以在多级主从运行(如传动功能或凸轮盘)系统中执行多个轴的协调运动。除此之外,TwinCAT NC I 还可以根据 DIN66025 中的描述,执行最多用到三个轴的插补轨迹序列。

 

集成软件 PLC

TwinCAT 将软件 NC 与软件 PLC 结合在一起,形成功能强大的控制器。两个软件包之间的通讯是一种纯软件之间的通讯,其延迟时间非常短。NC 功能通过经 PLCopen 组织认证的标准化功能块从 PLC 程序调用。

无需硬件即可仿真轴的运动;理想方式是使用实际值跟踪设定值,然后检查整个机床工作流程。TwinCAT ScopeView 便于实现调试和维护工作。它可记录所有轴变量,如位置、速度和加速度。

 

便利的调试

调试工作因 TwinCAT 系统管理器中所提供的配置和诊断对话框而大大简化。每个轴的所有主要数据都清晰显示。轴的运动只需轻轻按下功能键即可实现。其它特殊功能,如联轴器、凸轮盘或距离补偿等,可以通过系统管理器激活和查看。轴的动态参数可通过对话框方便地确定。

 

TwinCAT NC I – 插补轴运动

TwinCAT NC I(插补)是用于实现轴组直线和圆弧插补轨迹运动的 NC 系统,最多要用到 8 个驱动器。该系统包含解释器、设定值生成器和位置控制器。集成的 PLC 功能,将轴与现场总线连接在一起。

解释器阐述了 DIN 66025 中介绍的代码。功能全面的 PLC 功能库支持 NC 与 PLC 之间的交互。例如,NC 程序可以直接从 PLC 程序载入到解释器中。如果不使用 DIN 66025,也可使用 TcPlcInterpolation 功能库直接由 PLC 实现轨迹插补。在这种情况下,几何形状和辅助功能(例如 M 函数)被写入到 PLC 内的表格并传输至 NC 核。这一过程特别适用于灵活的运动,例如,取放应用。

 

TwinCAT CNC – 适应最苛刻要求的软件 CNC

TwinCAT CNC 提供经典的 CNC 功能:最多可插补 32 个轨迹轴,并能够实现综合协调以及运动转换。零件编程通过高级语言扩展实现,编程符合 DIN66025 标准。TwinCAT CNC 可以操作分布于多达 12 个数控通道上多达 64 根轴/受控主轴。在一个 CNC 通道中,可以同时插补最多 32 根轴,因而可以解决最为困难的运动任务。除传统的直线、圆弧和螺旋插补外,TwinCAT CNC 还提供了方便的样条插补,这种插补可以基于 Akima 或 B 样条。通过实时转换可以轻松实现复杂的机床运动。

 

HSC 技术(高速切削)

先进的高速切削 (HSC) 技术需要将 CNC 控制技术与优化的运动控制解决方案相结合,从而缩短加工时间,最大限度地提高加工精度,改善工件表面质量。

TwinCAT CNC HSC 软件包可提供下列功能选项: