BECKHOFF基于PC的控制技術(shù)在印刷機上的應(yīng)用

一、 項目簡介
1、 項目背景
　　基于倍福PC-BASE系統(tǒng)的瓦楞紙板印刷機，其研發(fā)地點位于湖北京山輕工機械股份有限公司。湖北京山輕工機械股份有限公司主要以紙板、紙箱的生產(chǎn)和研發(fā)為主，是中國最大的紙板、紙箱包裝機械生產(chǎn)和出口基地之一，是中國輕工總會和中國包裝總公司定點生產(chǎn)紙制品包裝機械的最大骨干企業(yè)之一。
　　此次研發(fā)的印刷機系我公司在原有印刷機基礎(chǔ)上，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行了升級改造，對控制系統(tǒng)進行了更新，增加了自動換單系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、遠程診斷和維護系統(tǒng)，極大地提高了設(shè)備的自動化程度。
2、 設(shè)備工藝介紹

1、 軌道  2、送紙部  3、印刷部  4、開槽部  5、模切部
圖1 整機示意圖

　　印刷機設(shè)備主要由軌道、送紙部單元，印刷單元，開槽單元和模切單元組成。其中，軌道為其他部件的支撐體，用于承載其他部件的質(zhì)量和引導(dǎo)其移動；送紙部是印刷機的起始部分，它是將送紙桌上的紙板自動、連續(xù)、準確的送入印刷、開槽以及模切等部分，紙板通過送紙部后，表面變得清潔，從而使印刷質(zhì)量得到了有效保證；印刷單元一般由1~6組相同的設(shè)備組成。每個色組對應(yīng)一種顏色，紙板經(jīng)過印刷單元時候，依靠紙板與印版之間的重合，使印版上的油墨附著在紙板上，從而完成對紙板的印刷；開槽單元承接印刷完畢的紙板，對紙板進行壓痕、修邊、開槽、切角、打孔等加工，使印好的紙板變成紙箱箱坯；模切單元對印刷好圖案文字的紙板進行紙箱箱坯的滾切加工。紙板依次進過送紙、印刷、開槽和模切（可選）后，成為印好圖案的紙箱，再經(jīng)過后續(xù)設(shè)備的加工處理，就可以變成完成完整的紙箱了。根據(jù)紙板的規(guī)格，印刷效率一般在每分鐘100~300片之間。

3、 項目硬件組成
　　針對印刷機的控制需求，此次用到的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由以下幾個部分組成：

4、 項目設(shè)備圖片
　　采用此系統(tǒng)，我們開發(fā)了兩款不同規(guī)格的印刷機，如圖所示為其中一款機型。紙板最大印刷機面積為2200mmX3500mm。
 

圖2 整機設(shè)備

圖3 遠程I/O模塊

二、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
 

圖4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

　　印刷機整個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。工控機（IPC）為控制的主體，利用倍福TwinCAT自動化軟件編寫邏輯控制程序在工控機上運行，通過EtherCAT高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線來收發(fā)各機組遠程I/O端子模塊信息，同時運行生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件，對生產(chǎn)過程進行管控；各機組上安裝HMI，通過TCP/IP協(xié)議與IPC建立通訊，以顯示各部分的工況和調(diào)整工藝參數(shù)。
三、 控制系統(tǒng)完成的功能
1、 設(shè)備的邏輯過程控制
　　利用倍福TwinCAT自動化軟件的PLC功能，編寫邏輯控制程序，控制設(shè)備的啟停、移動、位置顯示調(diào)整等。
　　各部分的功能寫成獨立的程序段，相同功能寫成功能塊，便于多次調(diào)用，同時也便于程序的可移植性。
 

圖5硬件配置
 
圖6 程序功能塊示例

2、 生產(chǎn)管理
　　利用高級語言編寫上位機程序，應(yīng)用在工控機上。通過BECKHOFF固有通訊方式與TwinCAT的PLC程序進行通訊，可以輸入訂單、發(fā)送換單指令到印刷機的各部分，各部分按照指令，進行相應(yīng)的調(diào)整。同時，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能收集各部分的生產(chǎn)狀態(tài)信息并保存于計算機中，以便查閱。管理系統(tǒng)主界面如圖所示。
 

圖7 生產(chǎn)管理系統(tǒng)主界面

3、 遠程診斷、維護
　　必要時將工控機接入Internet，工程師就可以通過Internet遠程操作方式，觀察現(xiàn)場設(shè)備的工況。同時，還可以對程序進行升級和更新。

4、 視頻監(jiān)控
　　在印刷機上安裝無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，在顯示器上就可以看到印刷機的運行情況。如接入Internet，還可以將現(xiàn)場運行狀態(tài)發(fā)送到異地辦公系統(tǒng)及工程技術(shù)人員。可移動的無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭特別適合于工程師查找現(xiàn)場故障。
 

圖8 網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控畫面

四、 項目運行
　　此產(chǎn)品在京山輕機2012年5月份的新產(chǎn)品展示會中推出的兩款不同規(guī)格的印刷機中得到了完美的展示。
五、 開發(fā)體會
　　經(jīng)過近兩個月的程序編寫和安裝調(diào)試，我們在利用BECKHOFF基于PC的控制技術(shù)進行開發(fā)過程中也有如下體會：
　　1、在產(chǎn)品開發(fā)之前，我們做了大量的市場調(diào)查和方案對比。發(fā)現(xiàn)在相同性能下，此套控制系統(tǒng)相對于其他系統(tǒng)來說，如西門子、施耐德等，價格略低，價格上相對于其他品牌產(chǎn)品來說具有一定的優(yōu)勢。
　　2、基于PC的控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)清晰、明了，施工工藝簡單，特別是遠程I/O控制模式特別適宜于一對多的管理。同時將PLC控制系統(tǒng)和上位機管理系統(tǒng)植入到同一個工控機，既降低了成本，也大大減小了上位機與下位機之間進行通訊而造成的開發(fā)難度。
　　3、基于PC的編程軟件TwinCAT通用性較強，與目前常見的NC系統(tǒng)如力士樂、施耐德等編程一致，且簡單易學(xué)，易于程序的編寫和調(diào)試，節(jié)省人力和物力。
當(dāng)然，這套系統(tǒng)也存在一定的缺點，其對工控機的硬件和軟件依賴性很高，需保證良好的工控環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。如非法操作造成的硬盤損壞和接入網(wǎng)絡(luò)后中毒都有可能控制系統(tǒng)的損壞。
參考文獻
1、TwinCAT PLC 編程手冊（2011 更新版）。