鄉(xiāng)碧云，龍國(guó)安，鐘海龍

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東順德 528333；2.廣東科豪木工機(jī)械有限公司，廣東順德 528308）

我國(guó)家具工業(yè)木制品加工工業(yè)、人造板工業(yè)的自動(dòng)化，依賴于木工機(jī)械行業(yè)。除進(jìn)口人造板生產(chǎn)線以外，其他木工產(chǎn)業(yè)基本處于傳統(tǒng)的通用設(shè)備單件小批量生產(chǎn)模式階段，根本談不上自動(dòng)化加工。木材工業(yè)流水線需求的木工機(jī)械是過渡階段使用的設(shè)備，木工機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)該是數(shù)控，可以配套流水線的先進(jìn)木工機(jī)械，現(xiàn)在的自動(dòng)上下料雙端及錯(cuò)位封邊生產(chǎn)線即是這個(gè)階段的典型自動(dòng)化生產(chǎn)線的代表，木工機(jī)械的專業(yè)化生產(chǎn)將促使木工機(jī)械逐步向?qū)I(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)線的階段發(fā)展[1]。

1 一種衣柜板自動(dòng)上下料雙端及錯(cuò)位封邊生產(chǎn)線組成

如圖1所示，是自動(dòng)上下料雙端及錯(cuò)位封邊生產(chǎn)線整線布局示意圖。

1.1 自動(dòng)上下料雙端及錯(cuò)位封邊生產(chǎn)線的工藝流程說明

圖1中，板式木工家具雙端及錯(cuò)位封邊網(wǎng)絡(luò)型采用兩臺(tái)龍門上下料機(jī)配合一臺(tái)雙端封邊機(jī)、兩臺(tái)錯(cuò)位的單端封邊機(jī)等。龍門機(jī)可自動(dòng)將一垛板料有序地放到輸送輥臺(tái)上，雙端封邊機(jī)首先將板料的窄邊封好，然后錯(cuò)位封邊機(jī)封好長(zhǎng)邊，最后第二臺(tái)龍門機(jī)將封好四邊的板料整齊的堆垛好并輸送出去。

圖1 上下料雙端及錯(cuò)位封邊生產(chǎn)線布局示意圖

三工位龍門式上下料機(jī)設(shè)備的提速、正確分板、準(zhǔn)確定位；各種轉(zhuǎn)向機(jī)和動(dòng)力移動(dòng)輥臺(tái)生產(chǎn)線傳輸設(shè)備配合加工速度自動(dòng)調(diào)速、傳輸過程中物料齊板壓料送料，保證生產(chǎn)線流暢生產(chǎn)，提高效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力資源。

1.2 網(wǎng)絡(luò)型生產(chǎn)線的特色和創(chuàng)新

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的封邊機(jī)都是以單機(jī)的形式在使用，不具備連線自動(dòng)生產(chǎn)功能。板料進(jìn)入主機(jī)都是用人工送入和人工接收，封邊機(jī)圓盤狀的封邊帶都是用完一盤再放入另外一盤，在換帶的過程中是需要停機(jī)等待，板料調(diào)整由人工完成，各單臺(tái)加工機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用PLC分散控制方式，通過各主機(jī)PLC的I/O信號(hào)握手交互組成流水線控制，只能形成設(shè)備布局上的流水作業(yè)。

為了改進(jìn)生產(chǎn)線的控制性能和自動(dòng)化程度，首先進(jìn)行了單機(jī)設(shè)備的改進(jìn)，加入自動(dòng)換帶，自動(dòng)調(diào)整的設(shè)備功能，對(duì)自動(dòng)線采用生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建整體控制系統(tǒng)方式，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的集中、全自動(dòng)控制。并且根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)用戶的使用習(xí)慣，還設(shè)計(jì)了產(chǎn)線中的各設(shè)備既可集中控制、亦可獨(dú)立控制的功能，既可作為整線自動(dòng)運(yùn)行，又可作為單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，還能柔性組合[4]成各種組合的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。本自動(dòng)線具有不間斷連續(xù)工作和最大限度減少操作人員的特點(diǎn)，設(shè)備引領(lǐng)的木工機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)走向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展[5]。

1.3 采用網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建自動(dòng)線整體控制系統(tǒng)

采用雙主站的主、從站的網(wǎng)絡(luò)控制總體結(jié)構(gòu)。主站對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，而從站除對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行控制外，還接收主站的控制信息，并將本地設(shè)備的狀態(tài)信息反饋給主站。上料或者下料龍門機(jī)控制器將作為主站控制器，加工機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)作為從站，主站通過以太網(wǎng)向各設(shè)備傳送控制數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，并接收從各設(shè)備節(jié)點(diǎn)反饋的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備參數(shù)的載入、提取以及對(duì)設(shè)備的控制和監(jiān)視。

2 木工設(shè)備自動(dòng)線控制系統(tǒng)的組建方案

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)雙端及錯(cuò)位封邊自動(dòng)線設(shè)備組成及使用要求的詳細(xì)分析，建立雙端及錯(cuò)位封邊網(wǎng)絡(luò)型自動(dòng)線的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)[3]。從下至上依次為設(shè)備層、控制層和網(wǎng)絡(luò)層。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制層次圖

2.1.1 設(shè)備層

設(shè)備層由上料龍門機(jī)械臂、封邊機(jī)或排鉆機(jī)，下料龍門機(jī)械臂、輥筒傳送線等設(shè)備的硬件本體組成。根據(jù)各設(shè)備的工藝特點(diǎn)，可劃分為三類：即上下料設(shè)備、加工設(shè)備和傳輸設(shè)備。

2.1.2 控制層

控制層中包括機(jī)械臂的控制和加工機(jī)及傳輸線控制兩個(gè)部分。根據(jù)各設(shè)備既可集中控制，又可單獨(dú)控制的要求。本方案設(shè)計(jì)在控制層將采用各設(shè)備控制模塊獨(dú)立運(yùn)行的方式，每個(gè)設(shè)備均配置一個(gè)獨(dú)立的控制器。

（1）龍門機(jī)械臂控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)方案中，龍門機(jī)械臂控制系統(tǒng)擬采用固高科技的CPAC（計(jì)算機(jī)可編程自動(dòng)控制器）。CPAC包含軟件平臺(tái)（OtoStudio）和硬件平臺(tái)（GUC），它將運(yùn)動(dòng)控制、PLC、機(jī)器視覺、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺(tái)集成一體，提供包含自動(dòng)化控制器、人機(jī)界面、遠(yuǎn)程I/O模塊在內(nèi)的完整解決方案[2]。

如圖3所示，GUC控制器由嵌入式PC模塊、運(yùn)動(dòng)控制單元（DSP+FPGA） 、軟PLC構(gòu)成。其中，嵌入式PC負(fù)責(zé)人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)交互等實(shí)時(shí)性要求不高卻需要消耗大量硬件資源的任務(wù)。運(yùn)動(dòng)控制單元采用單獨(dú)的DSP+FPGA負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制等高實(shí)時(shí)性任務(wù)的處理，軟PLC則進(jìn)行I/O、邏輯控制等PLC功能處理。

其中，上料和下料龍門機(jī)械臂各使用一臺(tái)獨(dú)立的GUC控制器進(jìn)行控制。

圖3 上下料龍門機(jī)控制器（GUC）功能說明

（2）加工機(jī)及傳輸線控制系統(tǒng)

在原有設(shè)備中，各臺(tái)加工機(jī)均采用獨(dú)立PLC進(jìn)行控制，功能穩(wěn)定可靠。因此，本方案中將保留封邊機(jī)的現(xiàn)有控制方式，即各單機(jī)采用PLC控制。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)層

在控制層中，實(shí)現(xiàn)了各

設(shè)備獨(dú)立控制的基本要求，但各控制器為信息孤島，相互間無法通訊互聯(lián)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制，本方案中增加了網(wǎng)絡(luò)層。

為了滿足網(wǎng)絡(luò)層的控制要求，各控制器應(yīng)具備以太網(wǎng)絡(luò)接入功能，對(duì)于GUC控制器，自帶網(wǎng)絡(luò)接口，硬件上可滿足網(wǎng)絡(luò)通訊要求。而對(duì)于封邊機(jī)使用的PLC控制器，需在原有PLC上添加以太網(wǎng)接口模塊或者換裝具備以太網(wǎng)功能的PLC。

所有控制器將作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)集線設(shè)備提供的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口連入到局域以太網(wǎng)中。每個(gè)控制器將分配一個(gè)固定的IP地址。

本方案中，網(wǎng)絡(luò)控制將采用主、從站模式。上料或者下料機(jī)械臂的GUC控制器將作為主控制器，通過以太網(wǎng)向各設(shè)備傳送控制數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，并接收從各設(shè)備節(jié)點(diǎn)反饋的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備參數(shù)的載入、提取以及對(duì)設(shè)備的控制和監(jiān)視。

網(wǎng)絡(luò)層的物理實(shí)現(xiàn)考慮采用100 M工業(yè)以太網(wǎng)。

2.1.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互標(biāo)準(zhǔn)方案采用一個(gè)有線連接的HMI終端，HMI終端與GUC控制器間通過G-Link總線(百兆以太網(wǎng))連接，線長(zhǎng)50 m，既可掛接在上料機(jī)械臂控制器上，同時(shí)亦可掛接在下料機(jī)械臂控制器上。操作者只需通過一個(gè)終端，即可操作、監(jiān)控產(chǎn)線中的主要設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案采用如圖4所示的主、從站的網(wǎng)絡(luò)控制方式。主站對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，而從站除對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行控制外，還接收主站的控制信息，并將本地設(shè)備的狀態(tài)信息反饋給主站。

設(shè)計(jì)在主站控制器上的軟件負(fù)責(zé)人機(jī)交互、本地設(shè)備控制及參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程設(shè)備控制及參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封包、傳輸、解析等功能。而設(shè)計(jì)在從站上的軟件負(fù)責(zé)本地設(shè)備控制、主站數(shù)據(jù)解析、設(shè)備狀態(tài)反饋等功能。

圖4 軟件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在實(shí)際使用時(shí)，龍門機(jī)械臂的GUC控制器，既有可能作為主站，也有可能作為從站，為此，設(shè)計(jì)方案雙主站工作模式。實(shí)現(xiàn)雙主站的軟件工作原理如下所述。

設(shè)計(jì)在上、下料機(jī)械臂控制器上的控制軟件采用了TCP/IP數(shù)據(jù)的收發(fā)模式。所有控制器（包括主站本身）均分配了一個(gè)IP地址。

控制軟件在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要確定發(fā)送的目標(biāo)機(jī)地址。在本方案中，目標(biāo)地址并非以控制器是主站還是從站作為分析依據(jù)，而是以IP地址作為依據(jù)，這樣，無論數(shù)據(jù)是發(fā)送給本機(jī)還是給遠(yuǎn)程機(jī)，都將首先封裝成TCP/IP的數(shù)據(jù)包，再根據(jù)目標(biāo)的IP地址進(jìn)行分發(fā)，如果該IP地址對(duì)應(yīng)著遠(yuǎn)程機(jī)，則通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，如果該IP地址對(duì)應(yīng)著本地機(jī)，則反射回本機(jī)。

為防止用戶同時(shí)操作兩臺(tái)HMI時(shí)出現(xiàn)指令重入情況，將在軟件內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)和操作互斥處理。

3 網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，各設(shè)備有聯(lián)網(wǎng)和單機(jī)兩種工作模式，運(yùn)行狀態(tài)分為自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行。經(jīng)雙方約定，設(shè)備只有在單機(jī)模式下，才可進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。設(shè)備處在聯(lián)網(wǎng)模式時(shí)，不能進(jìn)行手動(dòng)運(yùn)行。

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)組成方式可知，生產(chǎn)線有多種可能的聯(lián)網(wǎng)工作方式，與此適應(yīng)，設(shè)計(jì)在保持基本控制框架不變的情況下，提出與之適應(yīng)的幾種網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。

3.1 全線聯(lián)網(wǎng)

所有設(shè)備均聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)，所有設(shè)備均處在同一網(wǎng)絡(luò)中，控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（1）用戶在軟件中設(shè)置聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表，將所有設(shè)備添加到聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表中；

（2）系統(tǒng)運(yùn)行后，將所有設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)；

圖5 全線聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）各設(shè)備的參數(shù)可從總控HMI處設(shè)置，也可在本地HMI處設(shè)置；

（4）主控GUC定時(shí)讀取各設(shè)備工作狀態(tài)和報(bào)警信息，并顯示在總控HMI上；

（5）任一設(shè)備處于非自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)將通知所有設(shè)備，停止該設(shè)備前的所有設(shè)備。

3.2 多機(jī)聯(lián)網(wǎng)（部分設(shè)備不聯(lián)網(wǎng)）

如圖6所示，為生產(chǎn)線中的多機(jī)處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，部分設(shè)備不聯(lián)網(wǎng)。

在此狀態(tài)下：

圖6 多機(jī)聯(lián)網(wǎng)（部分設(shè)備不聯(lián)網(wǎng)）

（1）用戶需在軟件中重新設(shè)置聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表，將不聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從表中去除；

（2）系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)時(shí)將不連接PLC_3和GUC_2；

（3）總控HMI不能對(duì)不聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行任何操控。

3.3 多機(jī)聯(lián)網(wǎng)（部分設(shè)備單機(jī)模式）

如圖7所示，一臺(tái)設(shè)備雙端封邊機(jī)處于單機(jī)工作狀態(tài)，其他設(shè)備處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

在此狀態(tài)下：

（1）系統(tǒng)不斷開PLC_N在網(wǎng)絡(luò)中的連接，底層仍然監(jiān)控雙端封邊機(jī)的狀態(tài)；

圖7 多機(jī)聯(lián)網(wǎng)（部分設(shè)備單機(jī)模式）

（2）總控HMI不能對(duì)雙端封邊機(jī)設(shè)置參數(shù)；

（3）對(duì)雙端封邊機(jī)的操作只能通過本地HMI進(jìn)行；

（4）雙端封邊機(jī)的狀態(tài)不影響其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行。

3.4 兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)

用戶為最大程度利用設(shè)備，可能將生產(chǎn)線分為兩個(gè)部分使用。此時(shí)前端工序（如上料+單端封邊）處于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，后端工序（如雙端封邊機(jī)+下料）處于另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。如圖8狀態(tài)下：

（1）用戶在軟件中設(shè)置聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表1和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表2，根據(jù)實(shí)際使用情況將設(shè)備分別添加到兩個(gè)表中；

（2）系統(tǒng)運(yùn)行后，將所有設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中；

圖8 兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)

（3）兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)將各自獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，即網(wǎng)絡(luò)1中的設(shè)備狀態(tài)不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)2中的設(shè)備運(yùn)行情況，反之亦然。

（4）設(shè)定聯(lián)網(wǎng)組數(shù)最高為兩組，一組為總控聯(lián)網(wǎng)，一組為單機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

3.5 單機(jī)使用

各設(shè)備均可單機(jī)使用，相互之間無工作協(xié)調(diào)需求。在此狀態(tài)下，用戶在本地HMI上選擇單機(jī)模式即可。

4 結(jié)論

在國(guó)內(nèi)木工機(jī)械的產(chǎn)品系列中，有雙端及錯(cuò)位封邊線，封邊排鉆線等多條自動(dòng)線生產(chǎn)設(shè)備。項(xiàng)目中的上下料機(jī)、運(yùn)輸設(shè)備，封邊機(jī)，排鉆等設(shè)備多為單機(jī)生產(chǎn)模式，突破PLC控制技術(shù)接入以太網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)難題后，自動(dòng)線采用生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建整體控制系統(tǒng)方式，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的集中、全自動(dòng)控制，即既可作為整線自動(dòng)運(yùn)行，又可作為單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，還可根據(jù)生產(chǎn)需要組合產(chǎn)線上的相關(guān)設(shè)備組成新的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性控制。本自動(dòng)線具有不間斷連續(xù)工作和最大限度減少操作人員的特點(diǎn)。

［1］馬巖.我國(guó)數(shù)控木工機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀及自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)方向［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012（1）：4-9.

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