1 引言
等離子熔射由于其溫度高且能量集中，能夠熔射金屬、陶瓷或復合材料的特點在表面改性、功能薄膜制備和材料加工工程中被廣泛應用[1-2]。為了保證熔射皮膜成形性與成形質量，必須在數字圖像處理、過程控制、人工智能等方法基礎上進行系統集成控制與工藝優化。當前國際上幾大熱噴涂設備和材料生產廠家，如英國Metallisation公司、瑞士Sulzer-Metco公司和美國Praxair公司等，已推出基于PC+PLC+現場檢測+過程控制的等離子熔射系統。但是由于國際上相關熔射設備價格昂貴，不能引進到國內每一個加工車間或者科研院所，因此需要自主開發適用于特定工藝的熔射過程檢測與控制系統。目前國內已有基于單片機、微機、PLC等進行熔射控制系統開發的相關研究和報道[3]，然而如何集成PC機優勢以及基于PC+PLC等離子熔射控制系統設計仍需更加深入的研究。
本文基于PC+PLC開發等離子熔射控制系統,采用開放式OPC協議實現二者之間通訊，并在PC中執行機器人路徑規劃、在線監控與熔射過程數據管理等。結合PLC現場控制穩定性和計算機過程運算與數據存儲能力，來保證熔射過程穩定性與過程控制實時性，進而保證等離子熔射在表面改性、快速模具制造等方面高質量應用。
2 等離子熔射自動控制系統結構
2.1 系統組成和工作原理
基于PC+PLC等離子熔射控制系統組成原理如圖1所示。PC主要完成對實體進行三維造型、切片、最后生成機器人能夠識別的機器人路徑代碼，并根據現場反饋信息進行路徑調整，同時也對整個熔射過程進行監控，采樣主要工藝參數并保存到加工過程文檔中。PLC實現對數控旋轉工作臺和整個等離子弧發生子系統實時控制，對現場采樣數據進行初步處理后傳送到上位機PC中。
圖 1 基于PC+PLC等離子熔射控制系統組成原理圖
2.2 PC與PLC功能分配
在等離子熔射過程中，環境惡劣，噪音等污染嚴重，干擾強，系統工作周期長。因此現場設備控制核心采用西門子S7-300型PLC，充分利用該型PLC可靠性和良好的抗干擾能力來保證系統可靠性。并配備了A/D、D/A模塊和CP5611通訊卡，可以實現模擬量采樣與輸出和與上位機之間通訊。同時PLC系統還配備了西門子專用穩壓電源，保證了系統運行穩定性，避免與整個系統共用電源產生干擾。
由于PLC無法進行監控圖表顯示、圖像處理和復雜算法設計，操作人員也不能直觀了解現場狀況[4]。為了彌補以上不足，系統增加PC進行現場監控與數據運算，其主要任務是獲取機器人狀態信息和皮膜溫度采樣信息，根據設定工藝優化算法執行結果進行實時熔射路徑調節;對等離子射流檢測圖像進行處理，反饋調節信息至PLC實現對等離子射流發生裝置調控;同時能對系統故障做出及時報警，并能采取相應應急處理措施和加工現場斷點保護等。
3 控制系統軟件設計
3.1 控制軟件設計
控制軟件系統主要功能包括：參數設定、過程監控、工藝優化、故障信息處理與報表系統等。這些部分相互結合，實現對整個等離子熔射過程狀態和實時現場數據監控、系統故障報警和相應處理、熔射主要工藝參數記錄和報表打印輸出功能等。
3.2 OPC客戶端程序設計
OPC規范定義了一個工業標準接口，這個標準使得COM技術適用于過程控制和制造自動化等應用領域。OPC是以OLE/COM機制作為應用程序的通訊標準。OLE/COM是一種客戶/服務器模式，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層開發中脫離出來[5-6]。
OPC客戶端軟件設計流程如圖2所示，其客戶端程序開發目的是基于OPC協議實現計算機與PLC之間通訊，通過PC機直接讀寫PLC中變量，提高數據訪問速度，保證熔射工藝優化算法的運算結果及時傳送到PLC現場控制設備中，實現整個系統實時控制，從而能夠充分地利用計算機數據處理能力和豐富的軟件資源。
圖2 OPC客戶端程序設計流程圖
3.3 PLC運行程序設計
等離子熔射系統由西門子S7-300型PLC作為現場設備控制核心，實現對現場設備控制，整個工藝過程動作控制和現場數據采樣。PLC內部程序分為手動控制和自動運行兩個部分，可分別響應控制面板上按鈕動作和上位機發來的控制指令。
PLC程序采用Step7進行設計，主要過程包括：首先在Step7中建立一個新工程SprayControl，然后插入SIMATIC 300 Station，根據PLC硬件配置及模板物理安裝位置進行硬件組態。其次插入Simatic PC Station，在其中插入OPC Server和CP5611。在OPC Server的Connections中基于MPI網絡建立PC Station與Simatic 300 Station之間網絡連接。MPI網絡建立成功后，可以在OPC Server中Symbols列表中看到PLC中CPU單元內設計的所有的數字量、模擬量和數據塊等各種變量。基于MPI方式進行組網后的網絡連接圖如圖3所示。最后基于SimaticNet軟件建立名稱Spray的OPC服務器，這樣就可以通過OPC客戶端程序訪問PLC中變量。
圖3 基于MPI方式組網的網絡連接圖
PLC中運行程序集中在S7 Program中Blocks里，主要模塊包括系統主控模塊OB1，負責調用其他功能塊等。然后分別設計針對送粉器控制、工作轉臺控制、機器人故障處理、系統故障處理等功能塊，供主控塊調用。為了確保PLC程序安全執行，必須增加對象塊OB80、OB82、OB85分別實現對模板診斷錯誤和超時錯誤處理，OB121和OB122響應同步錯誤。設計過程中可以按照變量分類或者針對某一功能塊設計專用數據塊，將控制系統中的變量統一分組管理。
4 結束語
本文開發了一套基于PC+PLC等離子熔射自動控制系統。經過實驗驗證，系統具有良好的抗干擾能力，能夠適應等離子熔射工藝需求，為該工藝由技術轉化為生產力奠定了一定基礎。同時PC作為上位機提供了良好的人機界面與有效的系統監控和管理，PLC作為下位機執行可靠現場控制，保證了系統運行穩定性。該控制系統可以方便地與機器人、其他執行機構或者生產線等配套組成等離子熔射系統。
本文作者創新點：本文結合PC+PLC進行等離子熔射控制系統設計，集成了PLC在惡劣的熔射環境下性能穩定的特點和PC能夠進行圖像處理與復雜算法運算的優勢，基于OPC協議實現PC與PLC之間的通訊，保證了過程控制中多變量信息采集、傳輸和處理的實時性。該自動控制系統為提高等離子熔射皮膜成形性和成形質量奠定了基礎。