基于BECKHOFF IPC的GD包裝機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭小珍，戴建國，吳主峰

(1. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東 廣州 510000；2. 新天林科技實(shí)業(yè)(南京)有限公司，江蘇 南京 211100)

基于BECKHOFF IPC的GD包裝機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭小珍1，戴建國1，吳主峰2

(1. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東 廣州 510000；2. 新天林科技實(shí)業(yè)(南京)有限公司，江蘇 南京 211100)

利用BECKHOFF IPC(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))的控制技術(shù)，根據(jù)GD包裝機(jī)工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新GD包裝機(jī)IPC控制系統(tǒng)。IPC控制技術(shù)目前已經(jīng)在M5，M8，F(xiàn)OCKE等機(jī)型上得到了廣泛的應(yīng)用，煙草機(jī)械集團(tuán)技術(shù)中心和國內(nèi)的幾個(gè)主要卷煙設(shè)備生產(chǎn)廠家也已經(jīng)準(zhǔn)備大力發(fā)展這種控制技術(shù)。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；包裝機(jī)；控制技術(shù)

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，煙草行業(yè)卷接包設(shè)備的控制技術(shù)已經(jīng)步入第三個(gè)發(fā)展階段，從最早的電路板控制，到國內(nèi)目前廣泛使用的PLC控制技術(shù)，以及MICRO Ⅱ控制系統(tǒng)，再到目前已經(jīng)在卷接包設(shè)備自動控制上漸露頭角的新型控制技術(shù)——基于IPC(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))的控制技術(shù)。IPC控制方式因具備計(jì)算速度快、控制精度高、穩(wěn)定可靠、易于維護(hù)等優(yōu)勢，將在未來的煙機(jī)設(shè)備電控系統(tǒng)中逐步取代PLC和MICRO Ⅱ控制技術(shù)，成為煙機(jī)設(shè)備電氣自動控制的技術(shù)革命。

目前國內(nèi)煙草行業(yè)中GD包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用MICRO Ⅱ控制系統(tǒng)，經(jīng)過多年運(yùn)行使用，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的不足：

1) 網(wǎng)絡(luò)故障維護(hù)困難；

2) 用戶參數(shù)備份、恢復(fù)較難，無法查詢修改的信息；

3) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)丟失；

4) 開發(fā)平臺不易掌握；

5) 系統(tǒng)不開放，用戶無法修改程序；

6) 使用成本較高。

由于以上的種種問題，很有必要對該控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)除應(yīng)保證原機(jī)正常生產(chǎn)功能外，系統(tǒng)還必須具有先進(jìn)性，符合現(xiàn)代煙機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流，能夠提供直觀人機(jī)界面，具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口，能進(jìn)行單機(jī)數(shù)采等。

1 設(shè)計(jì)原則

1) 簡單化：去掉繁瑣的控制回路，改變繁瑣的控制邏輯，采用友好界面的操作系統(tǒng)；

2) 取消GD專用器件；

3) 確保工藝流程不變：保留原先的操作習(xí)慣以及按鈕操作位置；

4) 設(shè)計(jì)、安裝符合國家電氣、機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如參照了GT/T 2900.1電工術(shù)語，GB/T191包裝儲運(yùn)圖示標(biāo)志等，產(chǎn)品能承受GB/T2423.10電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)規(guī)定。

2 設(shè)計(jì)方案

針對上述的問題和要求，設(shè)計(jì)由一套獨(dú)立的BECKHOFF CX1030系列控制器進(jìn)行控制的系統(tǒng)。IPC控制技術(shù)利用工業(yè)PC機(jī)的CPU，采用國外先進(jìn)的軟件平臺TwinCAT，取代傳統(tǒng)PLC(如西門子PLC)、MICRO Ⅱ控制系統(tǒng)和線路板控制功能；采用基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線進(jìn)行控制的控制架構(gòu)，其高速EtherCAT 現(xiàn)場總線通訊速率達(dá)到100M，且兼容所有其他現(xiàn)場總線(如DP總線)，分布式控制更顯優(yōu)勢；控制系統(tǒng)的軟件接口支持微軟標(biāo)準(zhǔn)(如支持ActiveX-組件、AdsOCX, DLL等)和自動化標(biāo)準(zhǔn)(如OPC)，系統(tǒng)很容易擴(kuò)展。

BECKHOFF是基于PC的自動化控制系統(tǒng),基于以太網(wǎng)的EtherCAT總線與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，CX1030 核心是用INTEL Pentium 系列CPU為核心處理器， 具體配置:時(shí)鐘頻率1GHz， 2個(gè)(10M/100M)RJ45接口，256M DDR RAM， 64M CF卡。 BECKHOFF CX1030系統(tǒng)中配有Profibus Lightbus EtherCAT等通訊協(xié)議，用于跟變頻器，分布式I/O等具備以上通訊接口的設(shè)備通訊。開放性更好。BECKHOFF CX1030系統(tǒng)中把I/O按相應(yīng)需求分為高速任務(wù)和常規(guī)任務(wù)，高速任務(wù)為包括編碼器信號在內(nèi)所有跟角度有關(guān)的I/O，連接高速I/O點(diǎn)的信號模塊。 普通的輸入模塊的響應(yīng)時(shí)間為3ms，而高速的輸入模塊的響應(yīng)時(shí)間能達(dá)到10us，速度是普通模塊的300倍，同時(shí)高速的CPU模塊可以將傳統(tǒng)PLC中的掃描周期由以往的3ms縮短為100us，這樣可以通過在程序中處理將MICRO Ⅱ中的接近開關(guān)自檢功能得以保留。而常規(guī)的任務(wù)則將對速度要求不高的信號連接到普通的輸入輸出模塊，比如防護(hù)罩開關(guān)，按鈕等。形成高低搭配的多任務(wù)系統(tǒng)，將新系統(tǒng)的優(yōu)勢發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

BECKHOFF IPC控制軟件編程采用TwinCAT。其編程思想及過程為：

1) 消化原機(jī)圖樣，理解其控制邏輯；

2) 現(xiàn)場了解工藝操作過程，熟悉工藝流程；

3) 軟件控制邏輯基本和原控制板邏輯保持一致，如信號連動、互鎖、移位寄存器操作等；

4) 結(jié)合現(xiàn)場工藝對部分邏輯作簡化、修改，使控制方式更簡潔、合理；

5) 將其他外掛檢測加入到現(xiàn)在的控制軟件中。

3 新系統(tǒng)效果

經(jīng)過現(xiàn)場使用，運(yùn)行一直良好，不但比原機(jī)故障率大大減少了，而且維護(hù)成本也大大降低，操作也直觀方便了。同時(shí)該系統(tǒng)檢測功能也全面，使得煙包品質(zhì)也得到了很好的控制。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a) 技術(shù)先進(jìn)

1) 采用性能可靠的西門子工控一體機(jī)組成人機(jī)界面，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；

2) 采用德國倍福的嵌入式IPC系統(tǒng)，速度快，具有超強(qiáng)的計(jì)算處理功能。

b) 功能完善、可操作性強(qiáng)

本系統(tǒng)除了具備系統(tǒng)原有的功能以外，還特增加了許多新功能，極大地完善了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，同時(shí)也大大方便了用戶的使用與維修，新增加的功能主要包括：

1) 輸入輸出狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

2) 軟地址功能：對于傳統(tǒng)的PLC而言，每個(gè)傳感器或執(zhí)行元件接到PLC的I/O模塊上后，其地址在程序中就固定了，當(dāng)某個(gè)I/O模塊上的某路通道出現(xiàn)了損壞，如果想把接在該通道上的傳感器移到其他通道上，則必須要修改該傳感器在程序中地址。如果用戶方不具備修改程序的條件，就只能通過更換整個(gè)模塊的方式來解決問題，造成備件的浪費(fèi)。軟地址功能就是針對上述問題而設(shè)計(jì)。在改造后的系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器或執(zhí)行元件的地址是在上位機(jī)上設(shè)定的，當(dāng)模塊上某路通道損壞后，維護(hù)人員只要把該通道上所接傳感器移到其他空閑的通道上，并在上位機(jī)上更改該傳感器的地址即可，這樣既縮短了故障排除的時(shí)間，又降低了備件的消耗，同時(shí)回避了更改程序地址而帶來的其他風(fēng)險(xiǎn)。

3) 傳感器輸出狀態(tài)設(shè)定：工業(yè)現(xiàn)場所用的傳感器的輸出信號通常會有“0”有效和“1”有效兩種，在無法修改設(shè)備程序的情況下，這兩種傳感器是無法直接互換使用的，比如當(dāng)設(shè)備上某接近開關(guān)損壞時(shí)，如果以前壞的是常開的傳感器，但維護(hù)人員手頭恰好僅有常閉傳感器，則無法直接用其去更換，假如該傳感器是低速信號，還可以用繼電器將其邏輯倒置，如果是高速信號，則只能等有了相同型號的備件再更換了。在改造后的系統(tǒng)中，傳感器的輸出邏輯可以在上位機(jī)上直接設(shè)定，當(dāng)上述情況出現(xiàn)時(shí)，維護(hù)人員可以直接把常閉的傳感器更換上去，然后在上位機(jī)上修改此傳感器的輸出特性即可，使得設(shè)備的維護(hù)更加靈活有效。

4) 輸出手動測試功能。

5) 傳感器狀態(tài)實(shí)時(shí)記錄和歷史查詢功能：該功能是把所有需要設(shè)定檢測角度的傳感器在360°內(nèi)每1°的狀態(tài)實(shí)時(shí)記錄下來，并可查詢這些傳感器5個(gè)周期歷史狀態(tài)。這樣，當(dāng)某個(gè)傳感器的檢測角度出現(xiàn)偏差或者傳感器的檢測狀態(tài)不穩(wěn)時(shí)，維護(hù)人員可根據(jù)所記錄的該傳感器的歷史狀態(tài)來判斷檢測角度應(yīng)如何設(shè)定，可極大的提高工作效率。

6) 傳感器動/靜態(tài)檢測方式選擇：動態(tài)檢測方式指CPU在一定的角度范圍內(nèi)只要檢測到傳感器一次信號，就認(rèn)為該工序的檢測有效，這種檢測方式主要是針對鋁紙、商標(biāo)紙、內(nèi)卡紙等包裝材料進(jìn)行的，可以避免由于灰塵、傳感器靈敏度等原因而引起的檢測誤報(bào)。與動態(tài)檢測的方式相反，靜態(tài)檢測則是指CPU根據(jù)設(shè)定值在某一個(gè)角度上對傳感器進(jìn)行檢測，一旦在該角度上未檢測到傳感器的正確狀態(tài)，則立即認(rèn)為檢測失效，進(jìn)行報(bào)警處理。正常情況下用靜態(tài)方式檢測，如果出現(xiàn)傳感器或者材料在運(yùn)動過程中有波動產(chǎn)生誤檢而不能很好解決的情況下則用動態(tài)檢測就能很好的解決這問題，同時(shí)不影響檢測功能有效性。

7) 參數(shù)記憶功能。

8) 數(shù)據(jù)初始化功能：恢復(fù)所有的數(shù)據(jù)，這個(gè)功能主要是防止參數(shù)被改亂后，或者參數(shù)丟失做的一個(gè)類似GHOST參數(shù)還原功能。還原的數(shù)據(jù)是最后一次的往還原備份里面寫時(shí)的數(shù)據(jù)。增加了系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)性 。

c) 充分利用“網(wǎng)絡(luò)自動重構(gòu)功能”，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡易、快捷，無需再重復(fù)關(guān)閉控制系統(tǒng)電源。

d) 改變統(tǒng)計(jì)方式，生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)改由IPC控制系統(tǒng)來完成，OPC實(shí)時(shí)接收其統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確保統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不丟失，確保主、輔機(jī)數(shù)據(jù)一致，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。

e) IPC系統(tǒng)在參量備份方面做到了雙保險(xiǎn)：

1) 在OPC上進(jìn)行備份，生成一個(gè)EXCEL文件，可對其進(jìn)行查詢和恢復(fù)參數(shù)設(shè)置；

2) 在嵌入式PC控制器CX1030(CPU單元)的CF卡生成兩個(gè)XML文件，可對CF卡進(jìn)行備份、恢復(fù)設(shè)置。

f) BECKHOFF IPC系統(tǒng)的開發(fā)平臺采用BECKHOFF公司的TwinCAT PLC V2.11，編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)；具有豐富的調(diào)試、診斷工具，易于掌握。

4 結(jié)語

運(yùn)行結(jié)果表明：本文提出的基于BECKHOFF IPC的GD包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是非常成功的，同時(shí)按照該方案進(jìn)行的GD IPC的工程改造也很成功，技術(shù)上、性能上完全達(dá)到國外新一代控制系統(tǒng)水平，這也進(jìn)一步加強(qiáng)了進(jìn)行國產(chǎn)化改造的信心，相信自己有能力做好設(shè)備的控制系統(tǒng)，而不一定非要依靠外國人！

[1] 李方園.《人機(jī)界面設(shè)計(jì)與應(yīng)用》[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社2008.2.

[2] 俞國亮.《PLC原理與應(yīng)用》[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3] 張運(yùn)波.《工廠電氣控制技術(shù)》[M](第二版).北京：高等教育出版社.

[4] 陽憲惠. 《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》[M].北京：清華大學(xué)出版社, 1999.

[5] 彭瑜、何衍慶.《IEC 61131-3編程語言及應(yīng)用基礎(chǔ)》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

Design of GD Packing Machine Supervision Control System Based on BECKHOFF IPC

ZHENG Xiao-zhen1，DAI Jian-guo1,WU Zhu-feng2

(1. GuangDong Tobacco Industrial Co.， Ltd.，Guangzhou Tobacco Factory, Guangzhou 510000，China;2. New Talent Science and Technology (Nanjing)Limited Company，Nanjing 211100,China)

This paper uses BECKHOFF IPC control technology and follows the characteristic of the process to design a new control system for GD packing machine. IPC technology is widely applied to the tobacco mechanisms, such as M5, M8, FOCK. This technology is greatly developed in tobacco machinery groups and some major tobacco machinery factories in China.

BECKHOFF IPC;GD Packing machine;control technical

鄭小珍(1964-),女，廣東紫金人，工程師,研究方向?yàn)殡姎庾詣踊?/p>

TH12；TP273

B

1671-5276(2014)02-0198-03

2013-06-17