基于BECKHOFF IPC的GD包裝機組控制系統設計

鄭小珍，戴建國，吳主峰

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

基于BECKHOFF IPC的GD包裝機組控制系統設計

鄭小珍1，戴建國1，吳主峰2

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

利用BECKHOFF IPC(工業控制計算機)的控制技術，根據GD包裝機工藝特點，設計創新GD包裝機IPC控制系統。IPC控制技術目前已經在M5，M8，FOCKE等機型上得到了廣泛的應用，煙草機械集團技術中心和國內的幾個主要卷煙設備生產廠家也已經準備大力發展這種控制技術。

工業控制計算機；包裝機；控制技術

0 引言

隨著電子技術的發展，煙草行業卷接包設備的控制技術已經步入第三個發展階段，從最早的電路板控制，到國內目前廣泛使用的PLC控制技術，以及MICRO Ⅱ控制系統，再到目前已經在卷接包設備自動控制上漸露頭角的新型控制技術——基于IPC(工業控制計算機)的控制技術。IPC控制方式因具備計算速度快、控制精度高、穩定可靠、易于維護等優勢，將在未來的煙機設備電控系統中逐步取代PLC和MICRO Ⅱ控制技術，成為煙機設備電氣自動控制的技術革命。

目前國內煙草行業中GD包裝機的控制系統主要采用MICRO Ⅱ控制系統，經過多年運行使用，發現此系統存在以下幾個方面的不足：

1) 網絡故障維護困難；

2) 用戶參數備份、恢復較難，無法查詢修改的信息；

3) 統計數據丟失；

4) 開發平臺不易掌握；

5) 系統不開放，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進行重新設計。新設計后的控制系統除應保證原機正常生產功能外，系統還必須具有先進性，符合現代煙機控制系統發展的潮流，能夠提供直觀人機界面，具有計算機網絡接口，能進行單機數采等。

1 設計原則

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；

2) 取消GD專用器件；

3) 確保工藝流程不變：保留原先的操作習慣以及按鈕操作位置；

4) 設計、安裝符合國家電氣、機械相關標準，如參照了GT/T 2900.1電工術語，GB/T191包裝儲運圖示標志等，產品能承受GB/T2423.10電工電子產品環境試驗規定。

2 設計方案

針對上述的問題和要求，設計由一套獨立的BECKHOFF CX1030系列控制器進行控制的系統。IPC控制技術利用工業PC機的CPU，采用國外先進的軟件平臺TwinCAT，取代傳統PLC(如西門子PLC)、MICRO Ⅱ控制系統和線路板控制功能；采用基于EtherCAT工業以太網總線進行控制的控制架構，其高速EtherCAT 現場總線通訊速率達到100M，且兼容所有其他現場總線(如DP總線)，分布式控制更顯優勢；控制系統的軟件接口支持微軟標準(如支持ActiveX-組件、AdsOCX, DLL等)和自動化標準(如OPC)，系統很容易擴展。

BECKHOFF是基于PC的自動化控制系統,基于以太網的EtherCAT總線與上位機交換數據，CX1030 核心是用INTEL Pentium 系列CPU為核心處理器， 具體配置:時鐘頻率1GHz， 2個(10M/100M)RJ45接口，256M DDR RAM， 64M CF卡。 BECKHOFF CX1030系統中配有Profibus Lightbus EtherCAT等通訊協議，用于跟變頻器，分布式I/O等具備以上通訊接口的設備通訊。開放性更好。BECKHOFF CX1030系統中把I/O按相應需求分為高速任務和常規任務，高速任務為包括編碼器信號在內所有跟角度有關的I/O，連接高速I/O點的信號模塊。 普通的輸入模塊的響應時間為3ms，而高速的輸入模塊的響應時間能達到10us，速度是普通模塊的300倍，同時高速的CPU模塊可以將傳統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中的接近開關自檢功能得以保留。而常規的任務則將對速度要求不高的信號連接到普通的輸入輸出模塊，比如防護罩開關，按鈕等。形成高低搭配的多任務系統，將新系統的優勢發揮到最佳狀態。

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

1) 消化原機圖樣，理解其控制邏輯；

2) 現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) 結合現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在的控制軟件中。

3 新系統效果

經過現場使用，運行一直良好，不但比原機故障率大大減少了，而且維護成本也大大降低，操作也直觀方便了。同時該系統檢測功能也全面，使得煙包品質也得到了很好的控制。具有以下優點：

a) 技術先進

1) 采用性能可靠的西門子工控一體機組成人機界面，數據處理能力強；

2) 采用德國倍福的嵌入式IPC系統，速度快，具有超強的計算處理功能。

b) 功能完善、可操作性強

本系統除了具備系統原有的功能以外，還特增加了許多新功能，極大地完善了系統的設計性能，同時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) 輸入輸出狀態實時監控功能。

2) 軟地址功能：對于傳統的PLC而言，每個傳感器或執行元件接到PLC的I/O模塊上后，其地址在程序中就固定了，當某個I/O模塊上的某路通道出現了損壞，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模塊的方式來解決問題，造成備件的浪費。軟地址功能就是針對上述問題而設計。在改造后的系統中，每個傳感器或執行元件的地址是在上位機上設定的，當模塊上某路通道損壞后，維護人員只要把該通道上所接傳感器移到其他空閑的通道上，并在上位機上更改該傳感器的地址即可，這樣既縮短了故障排除的時間，又降低了備件的消耗，同時回避了更改程序地址而帶來的其他風險。

3) 傳感器輸出狀態設定：工業現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，比如當設備上某接近開關損壞時，如果以前壞的是常開的傳感器，但維護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。在改造后的系統中，傳感器的輸出邏輯可以在上位機上直接設定，當上述情況出現時，維護人員可以直接把常閉的傳感器更換上去，然后在上位機上修改此傳感器的輸出特性即可，使得設備的維護更加靈活有效。

4) 輸出手動測試功能。

5) 傳感器狀態實時記錄和歷史查詢功能：該功能是把所有需要設定檢測角度的傳感器在360°內每1°的狀態實時記錄下來，并可查詢這些傳感器5個周期歷史狀態。這樣，當某個傳感器的檢測角度出現偏差或者傳感器的檢測狀態不穩時，維護人員可根據所記錄的該傳感器的歷史狀態來判斷檢測角度應如何設定，可極大的提高工作效率。

6) 傳感器動/靜態檢測方式選擇：動態檢測方式指CPU在一定的角度范圍內只要檢測到傳感器一次信號，就認為該工序的檢測有效，這種檢測方式主要是針對鋁紙、商標紙、內卡紙等包裝材料進行的，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。與動態檢測的方式相反，靜態檢測則是指CPU根據設定值在某一個角度上對傳感器進行檢測，一旦在該角度上未檢測到傳感器的正確狀態，則立即認為檢測失效，進行報警處理。正常情況下用靜態方式檢測，如果出現傳感器或者材料在運動過程中有波動產生誤檢而不能很好解決的情況下則用動態檢測就能很好的解決這問題，同時不影響檢測功能有效性。

7) 參數記憶功能。

8) 數據初始化功能：恢復所有的數據，這個功能主要是防止參數被改亂后，或者參數丟失做的一個類似GHOST參數還原功能。還原的數據是最后一次的往還原備份里面寫時的數據。增加了系統的抗風險性 。

c) 充分利用“網絡自動重構功能”，網絡維護簡易、快捷，無需再重復關閉控制系統電源。

d) 改變統計方式，生產數據統計改由IPC控制系統來完成，OPC實時接收其統計結果，確保統計數據不丟失，確保主、輔機數據一致，確保數據的真實性、準確性。

e) IPC系統在參量備份方面做到了雙保險：

1) 在OPC上進行備份，生成一個EXCEL文件，可對其進行查詢和恢復參數設置；

2) 在嵌入式PC控制器CX1030(CPU單元)的CF卡生成兩個XML文件，可對CF卡進行備份、恢復設置。

f) BECKHOFF IPC系統的開發平臺采用BECKHOFF公司的TwinCAT PLC V2.11，編程語言符合IEC61131-3標準；具有豐富的調試、診斷工具，易于掌握。

4 結語

運行結果表明：本文提出的基于BECKHOFF IPC的GD包裝機控制系統設計方案是非常成功的，同時按照該方案進行的GD IPC的工程改造也很成功，技術上、性能上完全達到國外新一代控制系統水平，這也進一步加強了進行國產化改造的信心，相信自己有能力做好設備的控制系統，而不一定非要依靠外國人！

[1] 李方園.《人機界面設計與應用》[M].北京：化學工業出版社2008.2.

[2] 俞國亮.《PLC原理與應用》[M].北京：清華大學出版社.

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

[4] 陽憲惠. 《現場總線技術及其應用》[M].北京：清華大學出版社, 1999.

[5] 彭瑜、何衍慶.《IEC 61131-3編程語言及應用基礎》[M].北京：機械工業出版社, 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,研究方向為電氣自動化。

TH12；TP273

B

1671-5276(2014)02-0198-03

2013-06-17