基于PC的开放式控制系统在开方机上的应用

赵加宝　张志伟

摘 要：对开方机的主要组成和功能进行了描述，介绍了倍福控制系统的构成和工作原理。针对开方机的具体控制要求，完成了控制系统的架构配置、控制软件框架设计、主要程序流程设计、软件代码的编写和模拟调试。

关键词：基于PC；控制系统；开放式；软PLC

中图分类号：TP29 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

开方机是晶体硅片加工环节中使用的一种重要设备，用于将从铸锭炉中生产出的硅锭切割成硅棒。它是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入工件加工区域进行研磨，将晶体硅等硬脆材料一次同时开成方形柱。与刀锯片、砂轮片等切割方式相比，开方机具有精密窄切缝、效率高、成本低、设备使用寿命长和环境污染小等特点。开方机的工作台通过收、放线轮及导轮形成交叉线网回路，如图1所示。待加工的硅锭置于剖方室的底部平台上，加工时砂浆喷嘴喷出的砂浆覆盖在线网上，在工作台下压的过程中，钢线携带砂浆高速运转，达到切割硅锭的目的。

开方机的主体结构由剖方室、绕线室、冷却系统、电控柜和操作台五部分组成。剖方室为摆放硅锭和剖方时的可封闭加工室；绕线室为钢线收放、排丝和张力调节的可封闭舱室；冷却系统主要由浆料冷却、搅拌和抽送等装置组成。

该设备的收、放线卷的控制是控制中的关键，它的控制效果直接关系到张力的稳定程度和钢线的扭曲断线几率。因此伺服控制系统的选型和设计关系到整机的性能和成败，据此经多方比较，我们最终采用了德国倍福公司的基于PC控制技术的开放式自动化控制系统作为本设备的控制系统。

倍福的CX系列嵌入式PC，将PC技术和I/O级模块化技术相结合，构成一种可以安装于DIN导轨的单元，结合了工业PC和硬件PLC环境，可以根据现有任务对模块化控制系统进行配置[1]。结合TwinCAT自动化软件，CX嵌入式PC成为一个功能强大的IEC61131-3PLC，它还可以操控运动控制任务，根据所需的周期时间不同，可以控制多个伺服轴。CX系列嵌入式PC因而成为一个用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的控制器，在Windows CE平台下，借助操作系统的实时能力，以高级语言编写的用户任务可以在TwinCAT运行的情况下进行实时处理。

2 控制系统的架构与配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

该设备的控制对象主要为12个伺服轴（4个放线轮、2个张力调节轴、2个排线轴、2个绕线轴、2个主进给轴）、张力、砂浆温度、砂浆流量、砂浆抽送和保护装置等。

控制系统硬件采用德国倍福公司的整体解决方案，选用CX1030嵌入式PC、CP6901触摸屏及相应的电源模块、I/O端口模块、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驱动器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服电机和EL3202测温模块。

EtherCAT是德国倍福公司提出的开放式实时以太网，具有高速、高有效数据率的特点，支持几乎所有的拓扑结构。它控制100个输入输出数据均为8个字节的伺服轴只需要100微秒，1000个I/O的刷新只需要30微秒，特别适用于开方机这种轴数多、实时性要求高的控制场合。

3 程序设计（Programming）

本设备采用倍福TwinCAT PLC Control软件作为上层用户控制程序的开发环境。采用基于IEC61131-3标准的结构化文本（ST）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块（FBD）、指令表（IL）等五种语言进行混合编程，同时结合基于PLCopen库运动控制模块（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能块），来实现各种运动控制和基本程序控制。在进行伺服电机控制时，通过编程实现电机初始化、使能、耦合和驱动等。

程序代码分为若干个Pous，分别进行伺服使能、数据初始化、耦合、驱动和张力控制。为实现张力控制，特别编写了张力控制功能块，该功能块主要动作为5轴耦合和PID调节。将张力的检测值和设定值输入到TwinCAT自带的PID功能模块FB_BasicPID，并设置好相关的PID参数，得到实时的PID输出，以该输出与预设的偏置之和，作为张力轴与收放线轴的耦合比，以此调节相关轴的线速度，达到张力控制的目的。如图2所示为程序主流程图。

程序入口为Main Pous，Main程序包含数据初始化、工艺自动运行控制、排丝动作的数据计算等功能，程序的实时运行数据定时存入Novram存储器中，以实现突然掉电等意外情况发生后重新运行时，可接原来的状态继续运行。

程序界面设计使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能来实现，包含手动设置、自动运行、参数设置、工艺设置、报警状态查询等主要窗口。

4 模拟调试（Simulation）

在TwinCAT System Manager中将相关模块进行配置，并定义相关的轴名称和参数。在载入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可将PLC程序中定义的输入输出变量、运动轴与实际硬件模块的端口进行映射，可在无实际硬件的情况下，对PLC程序进行模拟调试。对于运动轴的调试还可使用TCatScopeView程序进行监视并对多个轴的实时线速度进行对比[3]。

本程序调试时因张力控制无法真实检测，因此对张力使用随机函数在一定范围内进行模拟，通过TCatScopeView程序观察到各个轴的线速度拟合性非常理想，能够满足设备在此方面的要求。

5 结论（Conclusion）

该控制系统通过相关软件的模拟运行，达到了我们的预期效果，能够满足开方机的运动控制和压力控制要求。这种基于PC的开放式控制系统在硬件搭配、软件编写和调试过程中表现了易于硬件系统易于配置、软件编写简单、调试方便的特点，能够满足中小型系统的控制要求，并大大减少设计人员的开发和调试时间。

参考文献（References）

[1] 德国倍福自动化有限公司.TwinCAT PLC编程手册（2011更新版）[Z].

[2] 黎状声，等.基于XFC极速控制技术的CTS运动控制系统.兵工自动化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐伟，等.金刚石多线切割设备在SiC晶片加工中的应用.电子工艺技术，2011，33（1）：50-52.

作者简介：

赵加宝（1978-），男，学士，工程师.研究领域：光伏设备自动控制系统.

张志伟（1976-），男，学士，高级工程师.研究领域：运动控制系统.endprint

摘 要：对开方机的主要组成和功能进行了描述，介绍了倍福控制系统的构成和工作原理。针对开方机的具体控制要求，完成了控制系统的架构配置、控制软件框架设计、主要程序流程设计、软件代码的编写和模拟调试。

关键词：基于PC；控制系统；开放式；软PLC

中图分类号：TP29 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

开方机是晶体硅片加工环节中使用的一种重要设备，用于将从铸锭炉中生产出的硅锭切割成硅棒。它是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入工件加工区域进行研磨，将晶体硅等硬脆材料一次同时开成方形柱。与刀锯片、砂轮片等切割方式相比，开方机具有精密窄切缝、效率高、成本低、设备使用寿命长和环境污染小等特点。开方机的工作台通过收、放线轮及导轮形成交叉线网回路，如图1所示。待加工的硅锭置于剖方室的底部平台上，加工时砂浆喷嘴喷出的砂浆覆盖在线网上，在工作台下压的过程中，钢线携带砂浆高速运转，达到切割硅锭的目的。

开方机的主体结构由剖方室、绕线室、冷却系统、电控柜和操作台五部分组成。剖方室为摆放硅锭和剖方时的可封闭加工室；绕线室为钢线收放、排丝和张力调节的可封闭舱室；冷却系统主要由浆料冷却、搅拌和抽送等装置组成。

该设备的收、放线卷的控制是控制中的关键，它的控制效果直接关系到张力的稳定程度和钢线的扭曲断线几率。因此伺服控制系统的选型和设计关系到整机的性能和成败，据此经多方比较，我们最终采用了德国倍福公司的基于PC控制技术的开放式自动化控制系统作为本设备的控制系统。

倍福的CX系列嵌入式PC，将PC技术和I/O级模块化技术相结合，构成一种可以安装于DIN导轨的单元，结合了工业PC和硬件PLC环境，可以根据现有任务对模块化控制系统进行配置[1]。结合TwinCAT自动化软件，CX嵌入式PC成为一个功能强大的IEC61131-3PLC，它还可以操控运动控制任务，根据所需的周期时间不同，可以控制多个伺服轴。CX系列嵌入式PC因而成为一个用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的控制器，在Windows CE平台下，借助操作系统的实时能力，以高级语言编写的用户任务可以在TwinCAT运行的情况下进行实时处理。

2 控制系统的架构与配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

该设备的控制对象主要为12个伺服轴（4个放线轮、2个张力调节轴、2个排线轴、2个绕线轴、2个主进给轴）、张力、砂浆温度、砂浆流量、砂浆抽送和保护装置等。

控制系统硬件采用德国倍福公司的整体解决方案，选用CX1030嵌入式PC、CP6901触摸屏及相应的电源模块、I/O端口模块、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驱动器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服电机和EL3202测温模块。

EtherCAT是德国倍福公司提出的开放式实时以太网，具有高速、高有效数据率的特点，支持几乎所有的拓扑结构。它控制100个输入输出数据均为8个字节的伺服轴只需要100微秒，1000个I/O的刷新只需要30微秒，特别适用于开方机这种轴数多、实时性要求高的控制场合。

3 程序设计（Programming）

本设备采用倍福TwinCAT PLC Control软件作为上层用户控制程序的开发环境。采用基于IEC61131-3标准的结构化文本（ST）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块（FBD）、指令表（IL）等五种语言进行混合编程，同时结合基于PLCopen库运动控制模块（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能块），来实现各种运动控制和基本程序控制。在进行伺服电机控制时，通过编程实现电机初始化、使能、耦合和驱动等。

程序代码分为若干个Pous，分别进行伺服使能、数据初始化、耦合、驱动和张力控制。为实现张力控制，特别编写了张力控制功能块，该功能块主要动作为5轴耦合和PID调节。将张力的检测值和设定值输入到TwinCAT自带的PID功能模块FB_BasicPID，并设置好相关的PID参数，得到实时的PID输出，以该输出与预设的偏置之和，作为张力轴与收放线轴的耦合比，以此调节相关轴的线速度，达到张力控制的目的。如图2所示为程序主流程图。

程序入口为Main Pous，Main程序包含数据初始化、工艺自动运行控制、排丝动作的数据计算等功能，程序的实时运行数据定时存入Novram存储器中，以实现突然掉电等意外情况发生后重新运行时，可接原来的状态继续运行。

程序界面设计使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能来实现，包含手动设置、自动运行、参数设置、工艺设置、报警状态查询等主要窗口。

4 模拟调试（Simulation）

在TwinCAT System Manager中将相关模块进行配置，并定义相关的轴名称和参数。在载入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可将PLC程序中定义的输入输出变量、运动轴与实际硬件模块的端口进行映射，可在无实际硬件的情况下，对PLC程序进行模拟调试。对于运动轴的调试还可使用TCatScopeView程序进行监视并对多个轴的实时线速度进行对比[3]。

本程序调试时因张力控制无法真实检测，因此对张力使用随机函数在一定范围内进行模拟，通过TCatScopeView程序观察到各个轴的线速度拟合性非常理想，能够满足设备在此方面的要求。

5 结论（Conclusion）

该控制系统通过相关软件的模拟运行，达到了我们的预期效果，能够满足开方机的运动控制和压力控制要求。这种基于PC的开放式控制系统在硬件搭配、软件编写和调试过程中表现了易于硬件系统易于配置、软件编写简单、调试方便的特点，能够满足中小型系统的控制要求，并大大减少设计人员的开发和调试时间。

参考文献（References）

[1] 德国倍福自动化有限公司.TwinCAT PLC编程手册（2011更新版）[Z].

[2] 黎状声，等.基于XFC极速控制技术的CTS运动控制系统.兵工自动化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐伟，等.金刚石多线切割设备在SiC晶片加工中的应用.电子工艺技术，2011，33（1）：50-52.

作者简介：

赵加宝（1978-），男，学士，工程师.研究领域：光伏设备自动控制系统.

张志伟（1976-），男，学士，高级工程师.研究领域：运动控制系统.endprint

摘 要：对开方机的主要组成和功能进行了描述，介绍了倍福控制系统的构成和工作原理。针对开方机的具体控制要求，完成了控制系统的架构配置、控制软件框架设计、主要程序流程设计、软件代码的编写和模拟调试。

关键词：基于PC；控制系统；开放式；软PLC

中图分类号：TP29 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

开方机是晶体硅片加工环节中使用的一种重要设备，用于将从铸锭炉中生产出的硅锭切割成硅棒。它是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入工件加工区域进行研磨，将晶体硅等硬脆材料一次同时开成方形柱。与刀锯片、砂轮片等切割方式相比，开方机具有精密窄切缝、效率高、成本低、设备使用寿命长和环境污染小等特点。开方机的工作台通过收、放线轮及导轮形成交叉线网回路，如图1所示。待加工的硅锭置于剖方室的底部平台上，加工时砂浆喷嘴喷出的砂浆覆盖在线网上，在工作台下压的过程中，钢线携带砂浆高速运转，达到切割硅锭的目的。

开方机的主体结构由剖方室、绕线室、冷却系统、电控柜和操作台五部分组成。剖方室为摆放硅锭和剖方时的可封闭加工室；绕线室为钢线收放、排丝和张力调节的可封闭舱室；冷却系统主要由浆料冷却、搅拌和抽送等装置组成。

该设备的收、放线卷的控制是控制中的关键，它的控制效果直接关系到张力的稳定程度和钢线的扭曲断线几率。因此伺服控制系统的选型和设计关系到整机的性能和成败，据此经多方比较，我们最终采用了德国倍福公司的基于PC控制技术的开放式自动化控制系统作为本设备的控制系统。

倍福的CX系列嵌入式PC，将PC技术和I/O级模块化技术相结合，构成一种可以安装于DIN导轨的单元，结合了工业PC和硬件PLC环境，可以根据现有任务对模块化控制系统进行配置[1]。结合TwinCAT自动化软件，CX嵌入式PC成为一个功能强大的IEC61131-3PLC，它还可以操控运动控制任务，根据所需的周期时间不同，可以控制多个伺服轴。CX系列嵌入式PC因而成为一个用单个硬件实现PLC、运动控制和可视化任务的控制器，在Windows CE平台下，借助操作系统的实时能力，以高级语言编写的用户任务可以在TwinCAT运行的情况下进行实时处理。

2 控制系统的架构与配置（The structure andconfiguration of the control system）[2]

该设备的控制对象主要为12个伺服轴（4个放线轮、2个张力调节轴、2个排线轴、2个绕线轴、2个主进给轴）、张力、砂浆温度、砂浆流量、砂浆抽送和保护装置等。

控制系统硬件采用德国倍福公司的整体解决方案，选用CX1030嵌入式PC、CP6901触摸屏及相应的电源模块、I/O端口模块、AX5118、AX5203、AX2070、AX5206伺服驱动器、AM3083、AM3032、AM3052、AM3073伺服电机和EL3202测温模块。

EtherCAT是德国倍福公司提出的开放式实时以太网，具有高速、高有效数据率的特点，支持几乎所有的拓扑结构。它控制100个输入输出数据均为8个字节的伺服轴只需要100微秒，1000个I/O的刷新只需要30微秒，特别适用于开方机这种轴数多、实时性要求高的控制场合。

3 程序设计（Programming）

本设备采用倍福TwinCAT PLC Control软件作为上层用户控制程序的开发环境。采用基于IEC61131-3标准的结构化文本（ST）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块（FBD）、指令表（IL）等五种语言进行混合编程，同时结合基于PLCopen库运动控制模块（如MC_power、MCCamIn、MC_MoveVelocity等MC功能块），来实现各种运动控制和基本程序控制。在进行伺服电机控制时，通过编程实现电机初始化、使能、耦合和驱动等。

程序代码分为若干个Pous，分别进行伺服使能、数据初始化、耦合、驱动和张力控制。为实现张力控制，特别编写了张力控制功能块，该功能块主要动作为5轴耦合和PID调节。将张力的检测值和设定值输入到TwinCAT自带的PID功能模块FB_BasicPID，并设置好相关的PID参数，得到实时的PID输出，以该输出与预设的偏置之和，作为张力轴与收放线轴的耦合比，以此调节相关轴的线速度，达到张力控制的目的。如图2所示为程序主流程图。

程序入口为Main Pous，Main程序包含数据初始化、工艺自动运行控制、排丝动作的数据计算等功能，程序的实时运行数据定时存入Novram存储器中，以实现突然掉电等意外情况发生后重新运行时，可接原来的状态继续运行。

程序界面设计使用TwinCAT PLC Control中的Visualization功能来实现，包含手动设置、自动运行、参数设置、工艺设置、报警状态查询等主要窗口。

4 模拟调试（Simulation）

在TwinCAT System Manager中将相关模块进行配置，并定义相关的轴名称和参数。在载入有TwinCAT PLC Control生成的tpy文件后，即可将PLC程序中定义的输入输出变量、运动轴与实际硬件模块的端口进行映射，可在无实际硬件的情况下，对PLC程序进行模拟调试。对于运动轴的调试还可使用TCatScopeView程序进行监视并对多个轴的实时线速度进行对比[3]。

本程序调试时因张力控制无法真实检测，因此对张力使用随机函数在一定范围内进行模拟，通过TCatScopeView程序观察到各个轴的线速度拟合性非常理想，能够满足设备在此方面的要求。

5 结论（Conclusion）

该控制系统通过相关软件的模拟运行，达到了我们的预期效果，能够满足开方机的运动控制和压力控制要求。这种基于PC的开放式控制系统在硬件搭配、软件编写和调试过程中表现了易于硬件系统易于配置、软件编写简单、调试方便的特点，能够满足中小型系统的控制要求，并大大减少设计人员的开发和调试时间。

参考文献（References）

[1] 德国倍福自动化有限公司.TwinCAT PLC编程手册（2011更新版）[Z].

[2] 黎状声，等.基于XFC极速控制技术的CTS运动控制系统.兵工自动化，2011，30（11）：68-77.

[3] 徐伟，等.金刚石多线切割设备在SiC晶片加工中的应用.电子工艺技术，2011，33（1）：50-52.

作者简介：

赵加宝（1978-），男，学士，工程师.研究领域：光伏设备自动控制系统.

张志伟（1976-），男，学士，高级工程师.研究领域：运动控制系统.endprint