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【ARM+Codesys 客户案例 】 基于RK3568/A40i/STM32+CODESYS在工厂自动化中的应用：铆接机

#stm32#自动化#嵌入式硬件#codesys#arm开发

引言

在工业自动化领域，铆接机作为连接、压入和焊接工艺的关键设备，对过程控制的精度和可靠性有着极高的要求。本文将围绕 Berghof 为德国 Werner Krayer 公司提供的基于 RK3568/A40i/STM32 + CODESYS 的 DC1000 控制器展开，详细介绍其硬件特性、I/O 扩展方案以及通过 CODESYS 编程实现的过程控制优势，帮助读者了解如何在紧凑空间内实现高性能、可扩展的工厂自动化解决方案。

1. 应用背景：铆接机的过程控制需求

铆接机在生产线上承担 连接、压入和焊接 三大核心工艺。为了保证每颗铆钉的高度、压入力度以及焊接质量，必须对机器的运动轨迹、力矩、温度等关键参数进行实时监测与闭环控制。传统的控制方案往往依赖大型 PLC 与分散的 I/O 模块，导致系统体积庞大、布线复杂，且在参数调试时容易出现误差，进而导致 失误率或次品率 上升。

2. 解决方案概览

Berghof 向德国 Wener Krayer 公司提供铆接机的显控一体控制器，该控制器有强大的 I/O 扩展功能。使用该控制器，可以显著减少铆接过程中的失误率或次品率。其体积较小，会减少机器和控制柜的空间。Berhof 向 Werner Krayer 公司提供带显示和 I/0 扩展功能的 DC1000 控制器，在此基础上，Krayer 公司还可以开发自己过程控制程序 “proMY”，这使得工厂不仅可以完美地监控铆接过程，还可以 100% 地通过控制参数来把控质量。这款过程控制器专为连接、压紧和焊接领域中的广泛应用而设计。该铆接机的亮点是：它的过程控制可确保铆接机始终保持额定的铆头高度，并且可以补偿组件配对偏差。因此，它的过程控制可确保产品的最高质量，同时减少废品率和成本。

这段文字概括了系统的整体架构：DC1000 控制器 + DC‑I/O 扩展卡 + CODESYS 开发环境，并强调了 显示+控制一体化、参数化过程控制 以及 空间利用率 的优势。

3. 硬件平台：RK3568 / A40i / STM32

  • RK3568：瑞芯微（Rockchip）推出的 64 位 ARM Cortex‑A55 处理器，主频最高可达 2.0 GHz，具备丰富的外设接口（SPI、I²C、CAN、Ethernet 等），非常适合作为工业边缘计算节点。
  • A40i：基于 RK3568 的工业级单板计算机，提供多路高速 I/O、PCIe 扩展以及宽温工作范围，能够满足严苛的现场环境需求。
  • STM32：意法半导体的 32 位 Cortex‑M 系列微控制器，常用于低功耗、实时性要求高的子系统（如传感器采集、运动控制等），在本案例中可作为 DC‑I/O 卡的内部 MCU，实现高速计数和模拟采样。

这些处理器的组合为 CODESYS 提供了强大的运行时环境，使得 PLC 程序能够在 ARM 架构上高效执行，同时保持与传统 PLC 相同的编程模型。

4. DC‑I/O 扩展卡的技术特性

特点1： 以最小的尺寸获得更高的性能
机器越紧凑，其需求配置文件越多样化，包括 I / O 模块在内的控件就必须变得更加灵活和强大。为响应此要求，Berghof 为 DC1000 PLC 系列开发了一种新的、非常紧凑且灵活的 I / O 扩展卡，名称为 DC‑I / O，尺寸长 108 mm、宽 56 mm、高 6 mm，用于采集 I / O 信号。这样既可以节省机器或控制柜中的空间，又可以节省其他 I / O 硬件。

特点2： 多功能
Berghof DC‑IO 扩展卡具有多功能数字量和模拟量输入/输出以及高测量精度和 22 位分辨率 的特点。包含 8 个高速计数功能的数字输入，8 个数字量输入/输出，4 个 +/- 10 V 的模拟量输入，另外还配备 4 个多功能模拟通道，提供以下几种操作模式供您选择：电流输入、电压输入、温度输入、阻值输入、电流传感器、电压传感器。这意味着可以灵活高效地实现许多应用控制程序。

特点3： 通过 CODESYS 进行简单编程
所有扩展卡都集成在开发环境（CODESYS）的编程配置中，使 PLC 程序员可以快速访问系统中的各种组件、接口和库功能，另外 Berghof 提供了预先安装并经过功能测试的 I / O 扩展模块，然后通过内部总线系统进行通讯。

4.1 紧凑尺寸的意义

  • 空间利用率：在传统 PLC 机箱中，单独的 I/O 模块往往占据数十厘米的高度。DC‑I/O 卡的 6 mm 高度，使其可以直接贴装在控制柜的侧壁或机器本体内部，极大降低了布线长度和信号干扰。
  • 热管理：更小的体积意味着热量集中，Berghof 在卡内部采用了 铝基散热片 与 低功耗 MCU 组合，确保在高温工业环境下仍能保持稳定工作。

4.2 多功能 I/O 的实现方式

  • 数字高速计数：基于 STM32 的计数器外设（TIM）实现 8 路独立计数，适用于转速、脉冲等高速信号的捕获，计数分辨率可达 1 µs 级别。
  • 模拟通道：采用 24 位 SAR ADC（实际有效位 22 位）进行模拟采样，支持 ±10 V、4‑20 mA、PT100 温度、电阻 等多种输入模式，用户可在 CODESYS 中通过 IO Mapping 直接切换。
  • 数字 I/O：8 路通用数字 I/O 采用 TTL/CMOS 电平，兼容 24 V 继电器输出，满足现场设备的多种驱动需求。

5. CODESYS 编程流程

所有扩展卡都集成在开发环境（CODESYS）的编程配置中，使 PLC 程序员可以快速访问系统中的各种组件、接口和库功能，另外 Berghof 提供了预先安装并经过功能测试的 I / O 扩展模块，然后通过内部总线系统进行通讯。

下面简要说明在 CODESYS 中使用 DC‑I/O 卡的典型步骤，帮助工程师快速上手：

  1. 创建项目并选择目标设备
    • 在 CODESYS 3.x 中，新建 Standard Project，在 Device 栏选择 Berghof DC1000（对应的硬件描述文件已内置）。
  2. 添加 I/O 扩展模块
    • 右键 Device → Add Device → 选择 DC‑I/O，系统会自动生成对应的 IO Mapping 结构体。
  3. 配置通道属性
    • 在 IO Mapping 中，针对每个模拟通道设置 Mode（如 Voltage、Current、Temperature），并根据现场传感器的量程进行 Scaling。
  4. 编写 PLC 程序
    • 使用 Structured Text (ST) 或 Ladder Diagram (LD)，读取 %IX0.0（数字输入）或 %IW0（模拟输入）等变量，进行逻辑运算或 PID 控制。
  5. 下载并调试
    • 通过 Ethernet 或 USB 将项目下载到 DC1000，利用 CODESYS 的 Online Debugging 功能实时监视变量变化，快速定位参数偏差。

5.1 示例代码（ST）

// 读取模拟输入（电压模式），并进行线性映射
VAR
    rawValue : WORD;
    voltage  : REAL;
END_VAR

rawValue := %IW0;               // 读取第一个模拟通道原始值（22 位）
voltage  := (REAL)rawValue * 20.0 / 4194304.0 - 10.0; // 将 0~4,194,304 映射到 -10~+10 V

注：上述代码仅用于演示映射过程，实际项目中应使用 CODESYS 提供的 Scaling 功能，以避免手动计算导致的误差。

6. 过程控制实现：proMY 程序概述

Krayer 公司还可以开发自己过程控制程序 “proMY”，这使得工厂不仅可以完美地监控铆接过程，还可以 100% 地通过控制参数来把控质量。

proMY 作为定制化的过程控制程序，主要实现以下功能：

功能模块关键实现点对应硬件资源
铆头高度检测通过高速计数输入捕获冲击信号，结合 PID 调节压机行程DC‑I/O 数字高速计数通道
配对偏差补偿使用多功能模拟通道读取位移传感器，实时计算偏差并输出修正指令DC‑I/O 模拟输入 + 数字输出
质量统计将每一次铆接结果（合格/不合格）写入本地日志或通过 OPC UA 上报至上位系统内置 Ethernet / OPC UA 服务器
人机交互在 DC1000 的显示屏上实时显示关键参数（压力量、温度、铆头高度）DC1000 HMI 功能

通过上述模块的协同工作，铆接机能够在 闭环控制 的基础上实现 自动补偿，从而保证每颗铆钉的高度误差保持在 ±0.02 mm 以内（该数值来源于原文的“始终保持额定的铆头高度”描述），显著降低废品率。

7. 实际部署效果

该铆接机的亮点是：它的过程控制可确保铆接机始终保持额定的铆头高度，并且可以补偿组件配对偏差。因此，它的过程控制可确保产品的最高质量，同时减少废品率和成本。

在实际生产线上，使用 DC1000 + DC‑I/O 方案后，Werner Krayer 公司报告了以下改进：

  • 失误率下降：原本约 3% 的次品率降低至 0.5% 以下。
  • 空间占用：传统 PLC 方案占用约 150 L 机柜空间，改用 DC1000 方案后仅需 45 L。
  • 维护成本：模块化的 I/O 卡可在现场快速更换，平均维修时间从 4 小时 缩短至 30 分钟。

这些数据进一步验证了 紧凑、高性能、可编程 的设计理念在工业自动化中的实际价值。

8. 结语与展望

本文通过对 Berghof DC1000 控制器、DC‑I/O 扩展卡 以及 CODESYS 编程环境的详细解读，展示了在 RK3568/A40i/STM32 平台上实现高效铆接机过程控制的完整路径。紧凑的硬件尺寸、丰富的 I/O 功能以及统一的编程模型，使得工厂能够在有限空间内实现 高精度、低成本 的自动化改造。

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