基于DeviceNet总线工业机器人在末级叶片淬火应用研究.pdf

DONGFANG TURBINEDONGFANG TURBINEJun.2017 No.2 2017 年 6 月 第 2 期 基于 DeviceNet 总线工业机器人在末级叶片淬火应用研究基于 DeviceNet 总线工业机器人在末级叶片淬火应用研究 0引言 汽轮机低压部分叶片由于一直工作在饱和湿 蒸汽腐蚀介质环境下, 同时承受离心力、 蒸汽作 用力、 激振力及湿蒸汽所携带的水滴冲刷的共同 作用, 极易遭到水蚀, 并且随着冲蚀损伤的进一 步恶化很可能造成汽轮机的叶片事故。 在减缓末 级叶片的水蚀速度应用方面, 目前世界上普遍采 用的技术方法有： 镶嵌司太立合金、 电火花强化、 等离子淬火、 火焰淬火、 高频淬火、 激光处理、 热喷涂、 电子束强化等, 上述工艺技术在应用、 性能和成本上各有优势。 其中, 等离子淬火由于 能通过等离子束实现瞬间加热与瞬间冷却, 具有 独特的应用优势。 在淬火操作过程中, 由于工作 温度高、 噪声大和高强度弧光的恶劣环境, 同时, Abstract: An automatic quenching system for the last stage blades of steam turbine is introduced, and the system control theory, hardware configuration and the characteristic of DeviceNet bus are also disclosed in this paper. The hardware configures of system and the DeviceNet bus, and the key software programming process under the environment of the fifth generation controllerIRC5 are mainly disscussed. At last, the automatic quenching system has been provided, which can quickly communicate with other e- quipments and finally realize flexible manufacture, improve production efficiency. Key words: industrial robot, DeviceNet bus, quenching system, last stage blades Research on Quenching System for Last Stage Blades of Steam Turbine Based on DeviceNet Bus Yu Zhengguang, Feng Wen, Qiu Shulin, Zhang Weigang ( DongFang Turbine Co., Ltd., Deyang Sichuan, 618000 ) 摘要:主要介绍 ABB 机器人自动叶片淬火系统控制原理和 DeviceNet 通讯协议特点, 及其在汽轮机末级叶片淬火的应 用技术分析, 同时介绍淬火系统硬件配置。 主要讨论在 ABB 第五代机器人控制器 IRC5 系统环境中, 给出基于 DeviceNet 总线通讯的硬件设计和软件编制过程等关键技术问题。 最后实现 ABB 机器人与外设之间快速、 柔性配合, 提高生产效率。 关键词:工业机器人, DeviceNet 总线, 淬火系统, 末级叶片 中图分类号:TP242 文献标识码:A文章编号:1674-9987(2017)02-0069-04 禹争光, 冯文, 邱述林, 张伟刚 (东方汽轮机有限公司, 四川 德阳, 618000) 作者简介: 禹争光 1970-, 男, 工学博士, 高级工程师, 2005 年毕业于电子科技大学微电子与固体电子专业, 现从事新能源技术及产 品研发工作。 DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2017.02.016 69 DONGFANG TURBINEDONGFANG TURBINEJun.2017 No.2 2017 年 6 月 第 2 期 叶片淬火带为复杂的扭曲面边沿, 要求毫米级处 理精度。 所以采用智能化机器人作业具有相当大 优势。 工业机器人还有利于实现工艺稳定性和生 产柔性, 可高效组织生产。 由于每个工业机器人都采用专用操作系统, 重点在于机器人各转轴运动控制, 没有专用接口 与外加设备 如： 淬火设备和距离传感器等 之 间对大量采集数据进行有效交换和控制, 不便实 现一体化系统操作。 若仅通过 I/O 硬连线方式传递 数据和指令, 将增大控制线数量, 还会减慢数据 传输速度。 针对工业机器人上述问题, 本系统先 通过内部总线, 分别建立 PLC 为核心的淬火外设 控制和人机交互系统, 完成对淬火系统控制。 最 终通过 DeviceNet 总线技术, 实现机器人、 PLC 和 I/O 板之间实时数据和信息交换, 实现安装简洁, 提高交互数据的及时性和生产过程的柔性, 最终 提高生产效率。 1系统组成 淬火工业机器人自动系统主要由六自由度工 业机器人 ABB 机械手、 等离子淬火设备、 距离 传感器、 PLC 控制器、 I/O 板、 夹持工装台、 网关 接口和控制系统编程软件等组成。 其中等离子淬 火系统包括： 等离子淬火枪、 等离子电源柜、 冷 水循环机等。 距离传感器采用分辨率： 5 m, 测 量频率： 2 kHz 激光测距仪, 可编程逻辑控制器 PLC 系统包括： DeviceNet 通讯网关模块、 12 位 A/D 转换模块和人机交互界面 HMI。 系统原 理框图和现场布置图分别如图 1 和图 2 所示。 图 1机器人淬火系统原理框图 图 2机器人淬火系统现场布置图 2系统工作原理 首先通过 PLC 启动, 完成淬火系统自检和程 序初始化, 人机界面 HMI 参数设置后, 机器 人通过 DeviceNet 总线, 机器人系统进行叶片特征 数据采集、 传输和储存。 通过初始设置的参数和 数据对淬火枪淬火工件建模, 计算运动姿态和路 径, 带动淬火枪实现对各类复杂曲面的叶片产品 淬火处理。 保证了工件的加工质量和产品的一致 性, 实现产品柔性产出。 3工业机器人叶片淬火控制系统 在系统中, PLC、 人机界面和机器人需分别进 行编程和程序导入。 功能上分别完成： 1等离子 系统控制, 叶片特征数据采集； 2系统控制界面 和参数设定, 过程状态显示； 3机器人运动控制； 4 紧急状态中断处理。 其中, 机器人依靠 De- viceNet 现场总线完成控制过程的数据和命令快速 交换, 实现各模块控制和状态检测, 采集系统错 误产生机器人工作中断。 整个淬火系统由 PLC 逻辑控制淬火系统及传 感器数据变换, 通过 DeviceNet 总线交换信息。 机 器人获取数据后, 通过变换计算机械臂运动路径 及姿态, 带动顶端的淬火枪运动, 完成淬火过程。 所以交互数据的准确性和实时性保证淬火系统正 常工作。 因此数据整理和交互 IO 在系统开发过程 中将起到极其重要的作用。 传感器 淬火枪 控制柜 机器人 淬火设备 工件 夹持工装台 终端电阻 DeviceNet 网关 DeviceNet 总线 机器人控制柜 人机界面 HMI PLC 等离子 淬火 控制柜 激光 距离 传感器 A/D 模 块 DSQC 652 DSQC 1006 70 DONGFANG TURBINEDONGFANG TURBINEJun.2017 No.2 2017 年 6 月 第 2 期 3.3各单元配置 DeviceNet 总线选用 500 kbps 为通讯速率, 选 用主/从模式, Polling 轮询工作方式。 以机器人为 主站, DeviceNet release2.0 规格, 采取 Explicit messages 类进行数据交换4, 通过设备描述 EDS 文 件来配置： 1设备类型的对象模式； 2设备类型 的 I/O 数据格式；3配置数据和访问数据的公共接 口, 实现设备互联。 外设 12 V 开关电源为 De- viceNet 总线供电。 机器人系统配置的站号： 0, 在 EDS 配置文件 中, 定义如下设置： IO_Info Default = 0 x0000； Input1=8； 标识位 9876543210 组 1 信息 ID 源 MAC ID 0源 MAC ID组 2 信息 ID 1组 3 信息 ID源 MAC ID 1组 4 信息 ID 02f 1111111XXX 3.1通讯模式构架 机器人在淬火过程中需要与淬火系统、 参数 设定和距离位置跟踪设备间相互配合, 建立一些 子系统实现相关功能。 最后, 各个子系统间的通 讯基于 DeviceNet 系统总线进行。 PLC 通过内部总线和 RS485 方式与 HMI, A/ D 模块通讯建立子网络, 控制除机器人以外的相 关设备。 考虑信息的及时与可靠, 在 DeviceNet 总线上 设立 I/O 板, 处理异常情况下, 对机器人工作启动 和中断处理。 系统中采用 DeviceNet 协议的作用是在工业机 器人及 PLC 控制器之间进行数据交换。 因此, 这 种通信是基于面向连接的 点对点或多点传递通 讯模型建立。 这样, DeviceNet 既可以工作在主 从模式, 也可以工作在多主模式。 在设置机器人 与 DeviceNet 通信的方式上, 系统提供了 3 种方 式： MASTER, SLAVE 和 VIRTUAL。 本系统中机 器人与总线 DeviceNet 工作模式选择为 MASTER。 在这种模式下定义从站上 IO 单元数, 输入单元区 间 063 , 输出单元区间 063 , 也就是说输 入输出各提供了 4 个字节单元。 对于机器人说, 输入相对机器人而言是机器人发送信号给 PLC, 输出相对机器人而言是 PLC 发送信号给机器人。 3.2DeviceNet 现场总线 DeviceNet 是由美国 Rockwell 公司在 CAN 基 础上推出的一种面向对象、 基于连接和低成本的 通信协议1。 它支持主从、 生产者消费者等通信 结构, 其特点是以基于数据块的编码方式, 支持 选通、 轮询、 循环、 状态变化和应用触发的数据 传送方式, 可实现不同厂商的同类设备信息互换, 更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能2。 DeviceNet 网络的主要特点是： 短帧传输, 每 帧的最大数据为 8 个字节； 无破坏性的逐位仲裁 技术； 最大可以操作 64 个节点, 可用的通讯波特 率分别为 125 kbps, 250 kbps 和 500 kbps 3 种。 DeviceNet 网络中的任何一个设备预和其他设备通 信时, 亦须先建立连接。 每个连接用连接标识符 来标识, 它使用 CAN 规范中的 11 位仲裁区来定 义。 连接标识符包括设备媒体访问控制标识符 MAC ID 和信息标识符 Message ID。 标识符 分为四组, 如表 1 所示。 协议上讲 EDS 文件包括： 文件说明部分、 设备说明部分、 I/O 特性部分、 参 数类部分、 参数部分、 参数列举字符串部分以及 参数组部分3。 标识使用 信息组 1 信息组 2 信息组 3 信息组 4 无效 CAN 标识 范围 16 进制 0003ff 4005ff 6007bf 7c07ff 7f07ff 表 1DeviceNet 的 11 位连接标示符 10 0 1 1 1 1 71 DONGFANG TURBINEDONGFANG TURBINEJun.2017 No.2 2017 年 6 月 第 2 期 Output1=8; DSQC652 I/O 板配置站号： 20, 采用机器人 系统默认配置。 PLC DeviceNet 网关的站号： 26。 根据 EDS 文 件输入 Vendor ID、Product Code、 Device Type、 Connection 1 Type 等选项信息。 本系统设置 8 字 节交换数据信息。 4RAPID 编程与系统软件控制 4.1RAPID 语言 通常 RAPID 应用程序是由 3 个不同部分组 成： 一个主程序、 几个子程序 或称为例行程序 和程序数据。 除此之外, 程序存储器还包含系统 模块。 USER 模块和 BASE 模块在机器人冷启动后 自动生成5。 机器人控制程序包括一系列指令, 其中描述 了机器人工作的各种指令, 如控制机械臂移动或 者一个设置输出等。 RAPID 指令一般都有相关参 数的定义, 并在指令中有一个特定的位置设置。 4.2淬火系统编程 整个淬火系统程序由 4 部分组成： 系统相关 坐标及变量定义、 系统初始化、 淬火控制和系统 中断报警。 各部分间的通信由预先定义好的输入 输出信号控制。 控制机器人各轴移动首先必须对轴的顺序进 行识别。 以 ABB2400 机器人为例, 它是一台 6 轴 机器人。 其中 1#3# 轴从控制按钮的方向来分, 水平方向是 1# 轴； 垂直方向是 2# 轴； 旋转方向 3# 轴。 4#6# 轴从按钮的方向来分： 水平方向是 4# 轴； 垂直方向是 5# 轴； 旋转方向是 6# 轴。 虽然每支叶片对应不同机组有不同的几何尺 寸, 但都具有类似的几何扭曲弧面。 在自动淬火 系统中基础坐标有： 工件坐标与工具坐标。 工具 坐标和工件坐标必须在现场标定好。 通过带动测 距仪测试系列关键点, 计算出试件坐标, 建立模 型, 根据淬火搭接率和淬火顺序, 依次计算出淬 火轨迹坐标点的数量和误差将决定淬火系统的工 艺水平。 系统编程可以离线完成。 取得工件与工具坐标后, 便可开展获取淬火 轨迹坐标点的工作。 这个过程主要分为以下 5 个 步骤： 1使机器人复位, 淬火设备初始化, 工件固 定在工件台上；