0 引言
隨著我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，對機加配件的加工精度和生產效率的要求越來越高，對企業(yè)生產過程的自動化程度也提出了很高的要求。棒料是各種模鍛件、輥鍛件、輾壓件生產用的主要原料，而棒料剪斷機就是為這些鍛壓工藝準備坯料的剪切下料設備。早期的剪切系統(tǒng)電氣控制普遍采用交流接觸器和繼電器進行控制，經過長年使用，部件老化，設備故障頻發(fā)。在維護中由于分立元件眾多，集成度差，許多故障不能及時處理，給企業(yè)生產帶來諸多不便。
由于PLC伺服控制系統(tǒng)具有定位精度高、響應速度快、抗干擾能力強、運行平穩(wěn)等特性，采用可編程序控制器(PLC)控制系統(tǒng)的高精度自動剪切生產線的應用越來越廣泛。但PLC還是軟PLC技術，都有實時性不強的缺點，很難實現(xiàn)復雜、快速的時序控制，而且對網(wǎng)絡的支持能力較差，因此，在需要對傳感器信號進行高速A/D轉換、實時采樣以及實現(xiàn)企業(yè)生產過程智能化、信息化、網(wǎng)絡化管理時，PLC就不適用了。而基于ARM嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，為工業(yè)控制提供了更好的開發(fā)與應用平臺。它外設資源豐富，具備各種接口，同時提供可擴展接口，擴展方便;采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有強大的軟件處理能力，可實現(xiàn)復雜控制;具有PC機的諸多特點，同時又比PC機和工控機價格低;軟硬件(包括操作系統(tǒng))可裁剪、配置靈活;支持大屏幕液晶顯示，可提供可視化界面顯示;具備聯(lián)網(wǎng)能力，可通過直接通過網(wǎng)口接入本地局域網(wǎng)或遠程網(wǎng)，為生產的遠程實時監(jiān)控和管理提供了可能。
基于以上比較，本文提出一種基于ARM的嵌入式棒料剪切生產線數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ARM處理器為核心，搭載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有可擴展的輸入、輸出控制I/O節(jié)點及多種現(xiàn)場總線接口、能實現(xiàn)剪切自動控制、擋料器控制、自動翻轉送料架控制、提高棒料加工精度;支持大尺寸LCD顯示屏，支持網(wǎng)絡和嵌入式數(shù)據(jù)庫，智能性、實時性好，方便生產過程協(xié)調監(jiān)管、監(jiān)控，嵌入式數(shù)據(jù)庫能夠實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的有效管理，可自動完成加工軌跡的各種調整與控制，實現(xiàn)自適應的模型參數(shù)調整。
1 總體設計
整個剪切生產線系統(tǒng)包括中心控制機、切割系統(tǒng)、擋料器和自動翻轉送料系統(tǒng)�？傮w框圖如圖1所示。
圖1 總體框圖
實際的電氣部件包括操作臺按鈕、顯示燈，各種控制開關及電動機。其中操作臺包括旋轉編碼器、自鎖式按鈕、普通按鈕、鑰匙按鈕、二位置旋轉按鈕、轉換開關、計數(shù)器、顯示燈;控制開關包括接近開關，壓力開關，液位開關，行程開關，凸輪開關，光電開關;電磁閥，交流繼電器，交流接觸器;電機包括主電動機、出料電機、擋板電機、潤滑電機。此外還有變壓器、斷路器及噪聲濾波器等部件。
2 中控機系統(tǒng)
該中控系統(tǒng)以ARM9核心板為中心，通過GPIO擴展板將有限的輸入輸出I/O擴展成足夠數(shù)量的輸入輸出控制節(jié)點，能夠接收系統(tǒng)中各種按鈕、凸輪開關、光電開關等輸入開關信號;根據(jù)程序和預先設定的參數(shù)，給出輸出開關量，控制電磁閥、繼電器、接觸器的動作，同時通過高速脈沖輸出向伺服驅動器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖數(shù)，控制伺服電機的運轉。輸入及輸出接口都使用光電隔離模塊，既實現(xiàn)了抗干擾的目的，又能夠實現(xiàn)對接口部分的電平轉換。根據(jù)ARM輸出端信號，變頻器控制電動機的正反轉及轉速，從而實現(xiàn)對卷料的釋放和回收。伺服驅動器根據(jù)ARM板高速脈沖輸出端發(fā)出脈沖的個數(shù)、頻率控制伺服電機的轉動位置及速度，從而精確地給出送料長度。采用10英寸液晶顯示屏，為用戶提供了良好的人機交互界面，用戶可以通過該屏幕直接設定參數(shù)，整個剪切系統(tǒng)的工作狀態(tài)、動作信息可以直觀地反映給用戶。ARM與變頻器、伺服器之間通過RS232串口通信，實現(xiàn)程序下載、參數(shù)設置、狀態(tài)查詢等即時的數(shù)據(jù)交換，最終使整個生產線設備能夠協(xié)調運行。中控機框圖如圖2所示。
圖2 中控機框圖
2.1 ARM核心板
ARM核心板基于ARM處理器S3C2410X，采用6層板設計。S3C2410X使用ARM920T核，內部帶有全性能的MMU(內存處理單元)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。該芯片集成了大量的功能單元，包括:內部1.8V，存儲器3.3V，外部I/O3.3V，MMU;內置外部存儲器控制器;LCD控制器，1個LCD專用DMA;4路帶外部請求線的DMA;3個通用異步串行端口，2通道SPI;一個多主IIC總線，一個IIS總線控制器;SD主接口版本1．0和多媒體卡協(xié)議版本2．11兼容;2個USBHOST，一個USBDEVICE(V1．1);4個PWM定時器和一個內部定時器;看門狗定時器;117個通用I/O;24個外部中斷;電源控制模式:標準、慢速、休眠、掉電;8通道10位ADC和觸摸屏接口;16/32位RISC體系結構，使用ARM920TCPU核的強大指令集。
該核心板在盡可能小的板面上集成了64MSDRAM、64MNandFlash、1MBootFlash、RJ－45網(wǎng)卡、音頻輸入與輸出、USBHost、USBSlave、標準串口等設備接口，最為重要的是使用2.0mm插針槽引出CPU的大部分信號引腳，包括系統(tǒng)中尚未使用的GPIO引腳。
ARM920T帶MMU的先進的體系結構支持WINCE、EPOC32、LINUX等，文中選擇的是免費開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)�；谠撚布脚_及嵌入式Linux，做了操作系統(tǒng)移植、驅動程序編寫和應用程序開發(fā)等軟件工作。
2.2 控制母板
中控機箱內采用母板+ARM核心板+I/O擴展板方式，母板用來與ARM9板連接，實現(xiàn)網(wǎng)口USB、串口、電壓轉換、連接液晶屏等功能，同時在母板上還包括一定數(shù)量的可用的GPIO，包括10個輸入，12個輸出。I/O輸入輸出選用DB頭接插件，方便連接。中控機內的開關電源為24V，電流可達4A．電源電路實現(xiàn)24V電壓到12V/9V/5V/3.3V的轉換，滿足不同電路需要，穩(wěn)壓芯片使用LM338。ARM9核心板自身帶有3個RS232串行接口，考慮到傳輸距離和抗干擾要求，在底板上設計了專門的轉換模塊將RS232轉換為RS485電平。ARM9核心板自帶USBHOST，使用USBHUB將其分為多路，分別可供鍵盤電路和鼠標使用，其他路向外輸出。
2.3 GPIO擴展及隔離
GPIO擴展及隔離電路被設計到獨立的電路板，用來實現(xiàn)I/O端口數(shù)量的擴展，可互換。每塊擴展板上包括64個輸入，64個輸出。擴展板放在母板上方，用金屬柱支撐，高度能保證二者不干涉即可。擴展板與母板之間以扁平電纜連接。擴展板的擴展I/O輸入輸出也選用DB頭接插件。GPIO擴展有2種方案。一種是采用CPLD擴展，目前ARM板可使用的I/O口，大約有20個。如果用最簡單的擴展方法，使用8個I/O用作數(shù)據(jù)線，使用4個I/O產生16個譯碼片選信號，這樣可擴展成128個I/O。如果對外部按鍵采用掃描方式，那么可以節(jié)約一部分引腳。該方案只要ARM確保提供一定數(shù)量的I/O腳，具有較大可行性。ARM針對普通的I/O口操作既可，編程控制起來較容易，但在CPLD的編程上要花一些時間。第二種方案為使用專用擴展芯片實現(xiàn)擴展�，F(xiàn)有ARM板擴展口中有2種串行總線接口:IIC總線和SPI總線。如果選用現(xiàn)成的I/O擴展芯片，如MAX6957，為IIC接口，一片可以擴展28個I/O，如果用4片就可以擴展到100多個I/O。該方案需要開發(fā)ARM的針對IIC設備的驅動程序。文中實際選用的是74HC595及74HC166芯片，多片串聯(lián)，使用較少的I/O引腳成功實現(xiàn)并入串出和串入并出控制。
GPIO實現(xiàn)擴展后，可提供足夠數(shù)量的輸入I/O和輸出I/O。系統(tǒng)中的大量開關或顯示燈，作為開關量輸入或輸出，連接到這些擴展I/O即可。由于這些開關量的電平值大部分不是TTL電平或CMOS電平，需要進行電平轉換;顯示燈需要足夠的驅動電流，繼電器需要一定的驅動電壓和電流;而且，系統(tǒng)中有大量的強電信號，為充分考慮提高系統(tǒng)的抗干擾能力。基于以上考慮，設計了電氣隔離及驅動模塊，普通的較慢變換的開關信號采用TLP521隔離光耦，針對高速脈沖采用高速光耦。
2.4 電機控制
根據(jù)ARM板輸出端信號，變頻器控制電動機的正反轉及轉速，從而實現(xiàn)對卷料的釋放和回收。
對變頻器來說，輸入控制信號來自于隔離擴展板，通過設置不同的短路和開路組合，可以實現(xiàn)正轉、反轉、高速輸出及低速輸出，其中高速、低速是可以通過速度選擇端口來預設的。其他有關特征、狀態(tài)的參數(shù)可以通過操作面板預設。
3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設計
數(shù)控系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)用戶接口、剪切控制、故障檢測、數(shù)據(jù)庫管理、聯(lián)網(wǎng)等功能，由于系統(tǒng)軟件引入嵌入式操作系統(tǒng)，所以各任務可以并行執(zhí)行，任務間可以通過消息傳遞、隊列等實現(xiàn)，軟件流程圖見圖3。由于篇幅所限，僅畫出用戶接口、剪切控制、故障檢測3個任務的流程，省略數(shù)據(jù)庫管理、聯(lián)網(wǎng)兩個模塊。為實現(xiàn)用戶接口、剪切控制、故障檢測、數(shù)據(jù)庫管理、聯(lián)網(wǎng)等功能，需要對嵌入式操作系統(tǒng)及BootlOAder移植、驅動程序開發(fā)、應用層剪切控制程序軟件開發(fā)及數(shù)據(jù)庫開發(fā)幾個部分進行研究，從而支撐整個系統(tǒng)軟件流程，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件流程圖
3.1 嵌入式操作系統(tǒng)及Bootloader的移植
Linux移植就是根據(jù)具體目標平臺，對原有Linux的源碼進行必要的改寫，主要是修改體系結構相關部分，安裝到目標平臺，使其正確運行起來。為了引導操作系統(tǒng)，必須依賴Bootloader在上電初始化硬件設備，準備軟件環(huán)境，因此，在項目中，以ARM9硬件系統(tǒng)為平臺，選擇VIVI作為Bootloader，完成了Bootloader和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植。
其基本過程是:
(1)獲得VIVI源碼并對其進行修改;
(2)獲得Linux2．4．18內核源碼及該版本針對ARM的補丁，并對源碼進行必要的修改;
(3)準備交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境工具鏈一般包括Binutils工具，ARM－GCC，GLIBC等;
(4)交叉編譯Bootloader，生成映像文件并下載;
(5)增加GPIO等外設驅動;
(6)交叉編譯Linux內核，生成內核映像文件，并下載內核映像文件。
3.2 驅動程序及通訊程序開發(fā)
根據(jù)實際需要，以ARM9為核心，研制系統(tǒng)主板，并針對實際需求進行硬件驅動程序開發(fā)。其中GPIO驅動程序既包括對按鍵、LED顯示的支持，也包括對繼電器控制等I/O的支持。在編譯內核時，選擇在需要時動態(tài)插入內核，增加靈活性。針對跨平臺通訊，編制代碼轉換程序，并對Linux操作系統(tǒng)環(huán)境進行配置，完成上位機GB2312編碼與下位機AMR9—LinuxQTEUNICODE編碼間代碼格式轉換;系統(tǒng)軟件支持10英寸DSTNLCD及TFT真彩LCD，采用嵌入式圖形系統(tǒng)之Qt/EmbeddedC++進行程序開發(fā)，以便于跨平臺移植、方便數(shù)據(jù)庫連接和開發(fā)過程，并增加了產品的可靠性。
3.3 剪切控制程序
3.3.1 系統(tǒng)控制要求
(1)運行方式。生產線各主要設備具有手動/自動兩種工作方式。當采用自動工作方式時，系統(tǒng)將按預先設定的工藝流程不間斷地循環(huán)工作。而手動工作方式是在設備單動、調試和檢修階段使用。
(2)實時顯示。系統(tǒng)中各個工序的運行情況、報警信息、送料長度、質量和加工工件數(shù)量等信息都要求在屏幕上顯示。
(3)故障檢測。系統(tǒng)能夠自動檢測各個工序的運行是否正常，如果出現(xiàn)異常，在屏幕上顯示錯誤信息，同時生產線停止運行。故障解除后按啟動按鈕生產線繼續(xù)運行。
(4)緊急停止。當出現(xiàn)緊急情況時，一按下急停按鈕，所有正在運行的設備全部停止。
(5)安全保護。在程序設計過程中，對關鍵環(huán)節(jié)設置多重防護，避免人身及設備事故的發(fā)生。系統(tǒng)上電后將自動啟動。
3.3.2 基本操作
初次運行，將控制臺的聯(lián)機－脫機狀態(tài)切換至脫機狀態(tài)，手動按控制臺上的定尺+/定尺－，控制擋料器運動到原點。通過系統(tǒng)校零，并輸入棒料直徑、重量補償、比重、擋料原點等值后，系統(tǒng)將自動計算出需要剪切的長度值并顯示出來。當按下“自動補償”，系統(tǒng)將調整擋料器位置，當“計算長度”與“實際長度”一致時，發(fā)出“同步信號”，同步輸出燈變綠，機床可進行剪切動作了。此外，系統(tǒng)還可通過“重量補償”，使棒料剪切更加精確。系統(tǒng)控制開始為正轉高速工作狀態(tài)，當快接近目標時改為“低速正轉”工作狀態(tài);系統(tǒng)在工作時，實時監(jiān)控擋料器的位置，每當擋料器發(fā)生串動后，數(shù)控機自動進行調整，并設有“急停”按鍵，停止機床的工作;系統(tǒng)能夠自動濾掉錯誤操作。
3.4 嵌入式數(shù)據(jù)庫
嵌入式數(shù)據(jù)庫采用關系型數(shù)據(jù)庫的三級模式，支持標準SQL，支持數(shù)據(jù)查詢、插入、更新、刪除多種標準的SQL語句，充分滿足嵌入式應用開發(fā)的需求;具有事務處理功能，自動維護事務的完整性、原子性等特性;支持多種通訊協(xié)議，備份和恢復，錯誤日志等;具有高的靈活性、可擴展性及穩(wěn)定性;同時為嵌入式應用的開發(fā)提供了靈活的應用編程接口:C語言例行程序接口，內存需求低，且具有較高的執(zhí)行效率。目前很多嵌入式設備是依靠數(shù)據(jù)為中心的，如果只有文件系統(tǒng)，在并發(fā)、共享、結構化存取上無結構，全依賴操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，是遠遠不夠的。因此，采用嵌入式數(shù)據(jù)庫，完成工業(yè)控制數(shù)據(jù)的采集、存儲，及指令存儲與下達，實現(xiàn)控制機方便快捷移動、大數(shù)據(jù)量存儲、當前和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過采集數(shù)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，完成機床加工程序的實時還原，根據(jù)反饋信息制定新的解決方案，為質量管理的分析提供原始依據(jù)。實現(xiàn)了管理信息與控制信息融合。通過JNI的方式調用C/C++編寫的數(shù)據(jù)庫驅動—動態(tài)連接庫(DLL)進行數(shù)據(jù)操作，解決嵌入式數(shù)據(jù)庫不提供Java的JDBC數(shù)據(jù)訪問接口問題。
4 結論
文中采用了高性價比的嵌入式處理器ARM9，替換了老式工業(yè)控制微機，進行了Linux操作系統(tǒng)裁剪移植、自主開發(fā)硬件控制驅動程序，采用TCP/IP協(xié)議，美觀優(yōu)雅的QT用戶圖形界面以及符合國際標準SQL的嵌入式數(shù)據(jù)庫。應用了該數(shù)控技術的剪切系統(tǒng)，具有較強的高速數(shù)據(jù)采集和多種直接I/O節(jié)點控制能力，可以實現(xiàn)任意設定加工參數(shù)，既具備PC數(shù)控機床的信息處理、存儲、網(wǎng)絡傳輸能力，又滿足了精度高、體積小、功耗低的現(xiàn)代工控理念，是對現(xiàn)有的數(shù)控技術的一次技術革新。
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本文標題：基于ARM的剪切生產線數(shù)控系統(tǒng)
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