文/震雄集團(tuán) 黃俊軍

注塑機(jī)先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)

文/震雄集團(tuán) 黃俊軍

控制裝置的設(shè)計(jì)水平是注塑機(jī)先進(jìn)性的重要體現(xiàn)，但長期以來，國內(nèi)高檔注塑機(jī)的控制系統(tǒng)都是從國外進(jìn)口，而本文中所進(jìn)行的研究，是以自主研發(fā)的具有國際先進(jìn)水平，且融合了PLC、MC、HMI和實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用作為試點(diǎn)，以期替代國外的進(jìn)口產(chǎn)品。

注塑機(jī)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在其控制裝置的設(shè)計(jì)水平上，目前國內(nèi)注塑機(jī)大部分采用PLC或者基于單片機(jī)芯片的控制系統(tǒng)，這類控制系統(tǒng)存在實(shí)時性差、速度慢、控制精度不高、開發(fā)周期長以及保養(yǎng)維修升級困難等局限。另一方面，注塑機(jī)正朝著高速、高效、低能耗和高自動化的方向發(fā)展，這也要求注塑機(jī)擁有完善的自動化控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以確保對注塑過程的工藝參數(shù)進(jìn)行高重復(fù)、高靈敏且可靠的控制。

長期以來，國內(nèi)高檔注塑機(jī)的控制系統(tǒng)都從國外進(jìn)口，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，不僅如此，進(jìn)口的通用控制系統(tǒng)不能完全滿足注塑機(jī)非線性運(yùn)動規(guī)律的要求，且價格昂貴。而本文中介紹的數(shù)控系統(tǒng)，其目標(biāo)是以自主研發(fā)的具有國際先進(jìn)水平，且融合了PLC、MC、HMI和實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用作為試點(diǎn)，以替代國外的進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的符合多樣化注塑工藝的實(shí)時高速多功能控制。

主要研究內(nèi)容

1. 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)軟硬件平臺的研發(fā)

面向注塑機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)主要包括兩部分：基礎(chǔ)軟硬件平臺和注塑機(jī)企業(yè)根據(jù)市場、工藝等在該平臺上做的注塑機(jī)應(yīng)用軟件。而本文所介紹的數(shù)控系統(tǒng)其一項(xiàng)主要的研發(fā)內(nèi)容就是為用戶提供網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控的基礎(chǔ)軟硬件平臺。該數(shù)控平臺具備如下優(yōu)勢：高性能處理器，以滿足實(shí)時控制需求；融合了PLC、MC和HMI功能；具備實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線；利用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線可以自由擴(kuò)展各類型IO模塊，滿足驅(qū)動閥門、溫控器等的要求；利用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線可直接連接伺服驅(qū)動、變頻器等；具備OPC等網(wǎng)絡(luò)通信接口；IEC61131-3編程環(huán)境，與硬件和操作系統(tǒng)無關(guān)。

2. 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控應(yīng)用軟件開發(fā)

這一項(xiàng)開發(fā)內(nèi)容主要分為4個部分：先開發(fā)最基本的系統(tǒng)，以完成最基本的邏輯控制，開發(fā)內(nèi)容包括邏輯程序、HMI和溫度PID算法的開發(fā)；逐個開發(fā)功能模塊，包括伺服電動機(jī)合模軸的程序、比例閥/伺服閥合模軸的程序、鎖模力自動調(diào)節(jié)程序、低壓模保程序以及伺服電動機(jī)/比例閥頂針軸的開發(fā)；按要求把功能模塊拼起來組成特定注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，如對于全伺服注塑機(jī)而言，需要將有關(guān)伺服電動機(jī)控制的軸模塊拼起來；開發(fā)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送和保存功能模塊，用于將客戶所要傳送和保存的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)的指定主機(jī)上。

本文中介紹的數(shù)控系統(tǒng)需要用于各種高端機(jī)型，鑒于不同機(jī)型的控制要求不一樣，驅(qū)動單元不同（有的是伺服電動機(jī)驅(qū)動，有的是伺服閥或者比例閥控制），需要的控制算法也有區(qū)別，因此本數(shù)控系統(tǒng)采用軟件模塊化。正因?yàn)槿绱?，同一機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行伺服電動機(jī)、伺服閥和比例閥的算法實(shí)現(xiàn)，如對開合模機(jī)構(gòu)而言，其驅(qū)動方式可以是方向閥控制的油缸、比例閥控制的油缸、伺服閥控制的油缸、伺服電動機(jī)驅(qū)動的絲桿以及電液驅(qū)動的開合模機(jī)構(gòu)，需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。

3. 基于物聯(lián)網(wǎng)的注塑機(jī)售后服務(wù)管理系統(tǒng)

目前，國內(nèi)很多裝備制造企業(yè)的售后服務(wù)模式仍沿用傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場模式。此模式有其局限性，如售后服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；分散型小客戶的需求總量經(jīng)常占據(jù)銷售的大頭；頻繁地派出工程師到現(xiàn)場，增加了售后服務(wù)成本；機(jī)械裝備的核心零部件如伺服驅(qū)動電動機(jī)、控制系統(tǒng)和傳感器等在進(jìn)貨、系統(tǒng)集成以及銷售后難以得到有效追溯。另外需要注意的是，機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)的結(jié)合日益緊密，裝備的運(yùn)行等主要靠計(jì)算機(jī)軟件支持，因此工作軟件缺陷的定期修復(fù)或者工作性能的提升等也變得日益重要。

對于解決上述售后服務(wù)過程中出現(xiàn)的問題，提升裝備制造企業(yè)的售后服務(wù)能力，減少售后服務(wù)成本，是注塑機(jī)企業(yè)的迫切需求。而結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，為裝備制造企業(yè)的遠(yuǎn)程售后服務(wù)與技術(shù)支持提供了可能。

4. 注塑工藝優(yōu)化與節(jié)能減排研究

這項(xiàng)研究主要包括在網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控平臺上，根據(jù)功能要求確定控制程序和算法，以及檢測系統(tǒng)對工件的檢測結(jié)果進(jìn)行自動選擇和實(shí)施最優(yōu)的控制。另外，還對整個工藝過程進(jìn)行了深入研究，利用網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控信息化管理技術(shù)對各驅(qū)動部件的能源利用加以管理，動態(tài)調(diào)整功能部件的通電和休眠以及傳輸帶的速率等，在不影響安全、壽命和加工質(zhì)量的前提下，降低注塑機(jī)的能源消耗。

擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

1.數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

目前，注塑設(shè)備品牌多、型號各異、協(xié)議差別大且通信接口兼容性差，機(jī)臺基本獨(dú)立運(yùn)行，運(yùn)行過程中自身的狀態(tài)信息難以傳達(dá)給MES，因此需要研發(fā)一套能將設(shè)備與MES系統(tǒng)連接的中間件，從而將機(jī)械本身的狀態(tài)信息顯示于MES，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)車間的信息化管理，提高企業(yè)的生產(chǎn)和管理水平。

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控軟硬件體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時性技術(shù)

這是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)時性主要包括了計(jì)算的實(shí)時性和通信的實(shí)時性兩個方面。計(jì)算的實(shí)時性主要取決于處理器性能和軟件的優(yōu)化。而通信的實(shí)時性主要依賴現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制和帶寬。由于數(shù)控系統(tǒng)采取串行通信方案，因此通信延遲成了決定系統(tǒng)實(shí)時性的主要因素。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要首先確定各主要環(huán)節(jié)對采樣實(shí)時性的需求，并確定負(fù)載數(shù)量。由于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控采取了類似PLC的循環(huán)采樣方式，因此處理器性能可否支持最小采樣間隔是重點(diǎn)。在現(xiàn)場通信方面，擬采用實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。目前，國內(nèi)外有多種實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)，在選擇的時候，既要考慮其技術(shù)性能又要考慮其全球廠商支持程度和未來發(fā)展的趨勢等。

擬采用的方法、技術(shù)路線及工藝流程

本數(shù)控系統(tǒng)的研究分為針對機(jī)械裝備的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)方案的選型、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的開發(fā)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化等幾個部分。

目前，國際上具有代表性的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是德國倍福公司的產(chǎn)品。該公司主要利用Intel X86處理器平臺，結(jié)合WinXPE和WinCE操作系統(tǒng)，以及德國CodeSys Runtime和自主研發(fā)的TwinCAT自動化軟件，為用戶提供能夠融合PLC、MC、CNC和HMI等功能的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系列產(chǎn)品，但其存在價格昂貴和供貨周期長等問題?，F(xiàn)在，國內(nèi)有若干廠家開始利用Codesys技術(shù)開發(fā)與德國倍福公司相似的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品在開發(fā)方式、軟件兼容性等方面都與倍福公司產(chǎn)品相似。但是，國內(nèi)的產(chǎn)品尚處在起步階段，未經(jīng)過大規(guī)模應(yīng)用的考驗(yàn)，因此本數(shù)控系統(tǒng)采取的技術(shù)路線是，先應(yīng)用國際先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)方案搭建樣機(jī)，同步地也搭建基于國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控產(chǎn)品（中科院計(jì)算所順德分所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控產(chǎn)品）的樣機(jī)。

在現(xiàn)場總線方面，選擇EtherCAT作為現(xiàn)場總線通信方案，由于其具備實(shí)時性、先進(jìn)性、開放性以及支持廠家眾多等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了本數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控的首選。

在信息化硬件接口方面，國際上普遍支持工業(yè)以太網(wǎng)的方式。軟件接口方面，目前國際上主流的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控接口以O(shè)PC為主。基于此，此次研究將工業(yè)以太網(wǎng)和OPC通信作為數(shù)控系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)之間的通信接口。

在機(jī)械裝備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，擬采用SAAS服務(wù)模式，即在后臺開發(fā)機(jī)械裝備物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)運(yùn)營中心。該中心可以為客戶提供賬戶和密碼。用戶登錄后，可以實(shí)時看到其遠(yuǎn)程機(jī)械裝備的運(yùn)營。同時還提供數(shù)據(jù)庫支持，可以查看機(jī)械裝備運(yùn)營日志，診斷故障，幫助客戶更新軟件等。該系統(tǒng)的開發(fā)采用國內(nèi)成熟的實(shí)時數(shù)據(jù)庫平臺和應(yīng)用平臺做二次開發(fā)。同時還要集成視頻等應(yīng)用。

機(jī)械裝備物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

特色和創(chuàng)新突破點(diǎn)

1.數(shù)控系統(tǒng)的特色

各注塑機(jī)單機(jī)之間以及各部分如注射、合模和驅(qū)動等都用高速現(xiàn)場總線互聯(lián)，通過利用高速實(shí)時現(xiàn)場總線技術(shù)，使得無論是注塑機(jī)單機(jī)還是多臺塑機(jī)之間都擁有控制系統(tǒng)部署簡便、通信可靠、連接電纜數(shù)量少以及自動化組建全球支持廠家多等優(yōu)點(diǎn)。此外，整機(jī)還擁有對外的網(wǎng)絡(luò)通信硬件和軟件接口，方便接入各種信息系統(tǒng)。

注塑機(jī)可以在軟件上規(guī)劃工藝參數(shù)，并預(yù)存到工藝數(shù)據(jù)庫中，以滿足不同注塑工藝的需求，且能自動生成執(zhí)行代碼，驅(qū)動機(jī)械裝備工作，使得機(jī)械具備智能化和柔性化的特點(diǎn)。本功能需要底層硬件的支持，要將一些需通過手工調(diào)整的機(jī)械工藝步驟轉(zhuǎn)換成自動調(diào)節(jié)，智能化軟件才能發(fā)揮最大效能。

值得一提的是，本系統(tǒng)可以接入機(jī)械裝備物聯(lián)網(wǎng)售后服務(wù)管理系統(tǒng)。

2.創(chuàng)新突破點(diǎn)

本數(shù)控系統(tǒng)中蘊(yùn)含了幾項(xiàng)創(chuàng)新突破點(diǎn)，主要包括：

首先，是自動化技術(shù)與信息化技術(shù)的深度融合。利用通用處理器技術(shù)、軟運(yùn)動控制技術(shù)和實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)，將注塑機(jī)用到的自動化技術(shù)如PLC、MC、HMI和CNC等功能和產(chǎn)品在統(tǒng)一的軟硬件平臺上高度整合為網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)。控制主機(jī)與伺服單元之間通過現(xiàn)場總線驅(qū)動，極大提高了機(jī)械的性能。同時，該網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)具備信息化軟硬件接口，可以無縫連接物聯(lián)網(wǎng)售后服務(wù)管理系統(tǒng)和MES系統(tǒng)。在工作過程中，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端也可以“一網(wǎng)到底”對驅(qū)動等核心部件加以監(jiān)視甚至實(shí)施在線狀態(tài)修改、機(jī)械遠(yuǎn)程診斷和軟件更新，以滿足現(xiàn)場和柔性工作的需求。支持手機(jī)、PAD等無線移動終端。

其次，能實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)裝備機(jī)械的聯(lián)網(wǎng)?？蛻艨山杌ヂ?lián)網(wǎng)的強(qiáng)大優(yōu)勢，將工廠內(nèi)所有應(yīng)用此款控制器的機(jī)器進(jìn)行高效的生產(chǎn)管理、工藝、調(diào)校和品質(zhì)檢測等各項(xiàng)資源整合。具有無線網(wǎng)絡(luò)功能，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和信息管理，讓客戶充分享受到資訊化的高效與方便。利用高速以太網(wǎng)路或是無線網(wǎng)絡(luò)作為傳送界面，把注塑機(jī)與中央伺服器連接在一起。注塑機(jī)在每一個周期中的注塑參數(shù)均傳送至伺服器，利用內(nèi)聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的功能，公司內(nèi)部員工只要有足夠權(quán)限，便能在公司內(nèi)的電腦得知各臺注塑機(jī)的生產(chǎn)情況；而身在外地的管理者，更能通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)端車間監(jiān)控，甚至作出生產(chǎn)排程的更改及排單報表。

第三，能實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)向更高的控制精度發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，速度、精度和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度等都有了很大的提升，這樣一來注塑機(jī)整體的運(yùn)動精度也顯著提高。

最后，由于數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化，因此可以將具有標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的智能化發(fā)展。