印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案中工控機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何亮+陳宇輝+江潯+曾宇鵬

目前輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)普遍存在電氣故障率高、維護(hù)繁瑣、維修費(fèi)用居高不下的難題，并面臨因關(guān)鍵電氣部件停產(chǎn)，部分機(jī)械狀態(tài)良好的輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)將淪為一堆廢鐵的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在現(xiàn)有輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)一套印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案。本文所研究的工控機(jī)系統(tǒng)，就是該解決方案的核心部分，為維護(hù)現(xiàn)有輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)，延長其使用年限，降低設(shè)備故障率，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案與工控機(jī)系統(tǒng)

1.印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案

印刷控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化解決方案是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)印刷生產(chǎn)流程、企業(yè)信息管理的網(wǎng)絡(luò)化。該解決方案由工控機(jī)系統(tǒng)、單元計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、總線系統(tǒng)以及嵌入式可變印刷自動(dòng)套準(zhǔn)系統(tǒng)4部分組成。其中，工控機(jī)系統(tǒng)是整套解決方案的核心部分。通過印刷控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化解決方案的實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到與印刷企業(yè)ERP系統(tǒng)進(jìn)行無縫銜接的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)印刷企業(yè)的信息管理與生產(chǎn)流程控制的一體化。

2.工控機(jī)系統(tǒng)

工控機(jī)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，可對(duì)生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具的總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。在印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案中所設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的工控機(jī)系統(tǒng)，需要與輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)控制系統(tǒng)的信息單元相對(duì)接，能夠形成、處理、發(fā)出輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)所能接收和辨識(shí)的各類控制數(shù)據(jù)。

工控機(jī)系統(tǒng)作為輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案）的上位機(jī)，屬于控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，承擔(dān)了輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互的作用，不僅負(fù)責(zé)將操作人員的具體操作指令經(jīng)過總線控制系統(tǒng)傳達(dá)至對(duì)應(yīng)的單元控制部件（UC），還需要處理各控制單元反饋的信號(hào)和信息，將輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)實(shí)時(shí)反映給操作人員，此外還擔(dān)負(fù)著優(yōu)化輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)印刷參數(shù)的責(zé)任。

工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

根據(jù)工控機(jī)系統(tǒng)在輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的作用，其應(yīng)涵蓋的功能包括：輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)操作、輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)油墨預(yù)置、輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控、輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)故障診斷和輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能。工控機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工控機(jī)系統(tǒng)及所運(yùn)行的系統(tǒng)軟件應(yīng)具有五大主要特性：開放性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)集成化、人機(jī)界面更加友好、多任務(wù)和多線程性。

基于網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機(jī)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分有：操作指令控制臺(tái)、工控機(jī)服務(wù)器、油墨預(yù)置服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)輸出與總線輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備（即單元計(jì)算機(jī)）及其他相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。印刷數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至工控機(jī)服務(wù)器，并通過工控機(jī)服務(wù)器分發(fā)至操作指令控制臺(tái)，操作人員通過操作指令控制臺(tái)的交互操作，將輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)操作指令通過總線系統(tǒng)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)輸出與總線輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備發(fā)配到印刷機(jī)各控制單元，由此完成一系列的印刷操作；同時(shí)，前端印刷油墨數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接湍A(yù)置服務(wù)器，經(jīng)過油墨預(yù)置服務(wù)器處理后的油墨信號(hào)將實(shí)時(shí)配合操作指令控制臺(tái)的印刷指令，發(fā)送至印刷機(jī)的油墨控制單元，完成印刷數(shù)據(jù)油墨預(yù)置等運(yùn)行操作。圖2為基于網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機(jī)工作過程。

除了滿足功能的需求外，工控機(jī)系統(tǒng)還必須考慮實(shí)際運(yùn)行需求，如工控機(jī)系統(tǒng)應(yīng)不間斷運(yùn)行、輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)引起共振、碎紙屑會(huì)污染環(huán)境等因素。因此，相對(duì)于普通PC設(shè)備而言，工業(yè)級(jí)的工控機(jī)系統(tǒng)最重要的特性是超強(qiáng)的穩(wěn)定性，工控機(jī)系統(tǒng)的硬件必須符合能長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行的功能要求。

工控機(jī)系統(tǒng)的可選方案

大型印刷機(jī)的工控機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)過程輸入、輸出通道兩部分。工控機(jī)系統(tǒng)的主要類別有IPC（PC總線工業(yè)電腦）、PLC（可編程控制系統(tǒng)）、DCS（分散型控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）和 NCS（網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)）?；诠た貦C(jī)系統(tǒng)組件間的信息通道媒介，網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有如下3種。

1.使用TCP/IP和ARCNET實(shí)現(xiàn)工控機(jī)系統(tǒng)

較多輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)是印刷機(jī)的印刷操作指令通過工業(yè)級(jí)TCP/IP和ARCNET來傳送到各個(gè)信息系統(tǒng)。這種方案能夠適配各種舊型輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)的總線，使得工控機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

其中，ARCNET的網(wǎng)絡(luò)連接速率一般是2.5Mbps，這一速度不能滿足網(wǎng)絡(luò)化控制對(duì)數(shù)據(jù)傳送速度的要求，并且ARCNET網(wǎng)絡(luò)容易受到干擾，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此本方案不能滿足網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)讀取各種生產(chǎn)要素信息的要求。

2.采用普通雙絞線連接的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)系統(tǒng)

將整個(gè)輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，工控機(jī)與輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部分通過普通的以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

3.采用光纖連接的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)系統(tǒng)

使用由光纖連接的以太網(wǎng)來連接工控機(jī)與輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分。工控機(jī)與輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分通過光纖模塊收發(fā)信號(hào)。

該方案能極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速度以及穩(wěn)定性，但為適應(yīng)采用光纖連接的以太網(wǎng)的速率以及接口，必須對(duì)控制系統(tǒng)總線進(jìn)行較大的改造，加上以太網(wǎng)采用光纖連接會(huì)產(chǎn)生高昂的成本，從而使得這個(gè)方案的造價(jià)太高。

因此，基于整體性能與價(jià)格兩方面的考慮，方案二采用雙絞線連接的以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)工控機(jī)系統(tǒng)，既提供了穩(wěn)定且高速的數(shù)據(jù)連接鏈路，而且解決了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸率、誤碼率等難題，滿足了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及對(duì)于采用普通雙絞線連接的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)系統(tǒng)方案的考慮，工控機(jī)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有兩種方案。

第一種方案，為了避免工控機(jī)的單點(diǎn)失效，在工控機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了工控機(jī)的熱備機(jī)；熱備機(jī)與主工控機(jī)硬件配置一致，并且并聯(lián)至相同的以太網(wǎng)鏈路。一旦主工控機(jī)出現(xiàn)故障，熱備機(jī)可以實(shí)時(shí)啟動(dòng)以維持生產(chǎn)，杜絕單點(diǎn)故障發(fā)生。每組操作指令控制臺(tái)均通過以太網(wǎng)與工控機(jī)連接，工控機(jī)作為其服務(wù)器。同時(shí)，工控機(jī)和油墨預(yù)置服務(wù)器通過以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的其他部位。企業(yè)其他管理系統(tǒng)也可以通過以太網(wǎng)從工控機(jī)獲取實(shí)時(shí)的相關(guān)生產(chǎn)信息，例如ERP系統(tǒng)等。這種方案的投入成本屬于輕量級(jí)，并且基本能滿足一般印刷生產(chǎn)要求。

第二種方案，針對(duì)每組操作指令控制臺(tái)都部署一臺(tái)相應(yīng)的工控機(jī)，工控機(jī)作為操作指令控制臺(tái)的服務(wù)器。通過使用閃存卡的存儲(chǔ)技術(shù)，可以根據(jù)閃存卡加密狗插配工控機(jī)，隨時(shí)切換任意一臺(tái)工控機(jī)作為主工控機(jī)，其余則為副工控機(jī)。同樣，連接控制系統(tǒng)所有部分的鏈路都是以太網(wǎng)，所有的主副工控機(jī)都存儲(chǔ)了同樣的控制系統(tǒng)，因此，企業(yè)其他管理系統(tǒng)能夠從多個(gè)渠道獲得實(shí)時(shí)的生產(chǎn)信息，大大增強(qiáng)工控機(jī)系統(tǒng)的信息承載能力。同時(shí)，這種架構(gòu)部署方式能夠大大減輕主工控機(jī)的負(fù)載壓力。

這兩種方案都能滿足輪轉(zhuǎn)膠印機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制的需求，但是方案二能提供更加靈活的故障處理方式，并且給操作人員更加流暢的操作體驗(yàn)。在未來網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)信息量日益增長并且成本接近的情況下，方案二較方案一具有更優(yōu)的架構(gòu)和功能擴(kuò)展性，是印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案的最優(yōu)選擇。

工控機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)方案中，印刷機(jī)系統(tǒng)服務(wù)器和操作指令控制臺(tái)的控制器需常年運(yùn)轉(zhuǎn)，電氣零件使用幾年之后壽命就會(huì)縮短，尤其是需要旋轉(zhuǎn)的零件，例如風(fēng)扇和硬盤。另外，工控機(jī)內(nèi)部硬件配置設(shè)計(jì)如果遵循傳統(tǒng)工業(yè)PC的“主板+物理硬盤+內(nèi)存”的老舊硬件配置設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將有可能因本身潛在的硬件及功能隱患，出現(xiàn)無法預(yù)計(jì)的故障。因此，工控機(jī)系統(tǒng)需選擇符合要求的硬件，根據(jù)鏈路設(shè)計(jì)連接方式以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行部署，同時(shí)也要考慮實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境。

我們從工控機(jī)硬件配置、操作系統(tǒng)軟件、操作臺(tái)與印刷設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊以及避免單點(diǎn)失效等方面，對(duì)工控機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了深度的研發(fā)改造。其中，工控機(jī)硬件設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

1.啟用沒有旋轉(zhuǎn)的零件

啟用沒有旋轉(zhuǎn)的零件，例如硬盤和風(fēng)扇，降低因物理環(huán)境所造成的故障風(fēng)險(xiǎn)。

2.使用閃存卡作為存儲(chǔ)設(shè)備

使用閃存卡代替物理硬盤的存儲(chǔ)方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)。一方面，操作指令控制臺(tái)服務(wù)器程序都保存在閃存卡中，一旦工控機(jī)發(fā)生故障需要更換或重新安裝程序時(shí)，可以快速完成故障恢復(fù)，操作簡(jiǎn)單并且可減少機(jī)器故障率。另一方面，會(huì)使得工控機(jī)的切換更加簡(jiǎn)單，通過閃存卡的插入或拔出就能將任意一臺(tái)工控機(jī)設(shè)置為主工控機(jī)或副工控機(jī)。

3.提升油墨預(yù)置服務(wù)器的穩(wěn)定性

在對(duì)油墨預(yù)置服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，提升服務(wù)器配置，并且部署一臺(tái)同樣配置的服務(wù)器作為熱備機(jī)來保證油墨預(yù)置服務(wù)器的穩(wěn)定性。同時(shí)，兩臺(tái)服務(wù)器均設(shè)計(jì)使用Raid磁盤陣列來保證服務(wù)器有足夠的I/O能力，熱備機(jī)與主服務(wù)器實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的高可用性。

4.其他特點(diǎn)

包括使用新一代硬件，如CPU、RAM等，使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定、處理速度更快；降低計(jì)算機(jī)、控制器故障（死機(jī)）率，提高生產(chǎn)效率，并減輕維修人員的工作壓力。

根據(jù)上面特點(diǎn)和需求分析，工控機(jī)系統(tǒng)相關(guān)硬件指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

工控機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

基于采用以太網(wǎng)通信鏈路的工控機(jī)系統(tǒng)，通過主、副工控機(jī)結(jié)構(gòu)的部署將極大提高系統(tǒng)的可靠性，為安全生產(chǎn)提供可靠保障。在建設(shè)和實(shí)施過程中，通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的信息化改造和網(wǎng)絡(luò)鏈路的提升，通過網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機(jī)系統(tǒng)最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，油墨缸集控、工藝參數(shù)自控（溫控、速控、張力自動(dòng)控制、水墨混合比例調(diào)控等）、品質(zhì)參數(shù)自控（廢報(bào)率、藥水pH值自檢記錄）等功能；將公司信息管理系統(tǒng)中的生產(chǎn)指令和生產(chǎn)計(jì)劃，逐層落實(shí)到作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工藝指標(biāo)和生產(chǎn)指令中，并最終下達(dá)給自動(dòng)控制系統(tǒng)，再通過數(shù)據(jù)采集，將自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息，逐級(jí)反饋、匯總、分析，最終返回信息管理系統(tǒng)中；徹底解決印刷機(jī)控制信息系統(tǒng)與管理信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互接口問題，使決策者能通過企業(yè)綜合管理信息平臺(tái)實(shí)時(shí)了解印刷設(shè)備的運(yùn)維情況，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機(jī)系統(tǒng)，打破了公司信息管理系統(tǒng)與印刷機(jī)之間信息孤島的壁壘，將兩者連接成為一個(gè)有機(jī)整體，進(jìn)一步提高了公司控制系統(tǒng)下達(dá)、執(zhí)行、反饋、分析的綜合能力，促進(jìn)了企業(yè)生產(chǎn)制造流程的整體優(yōu)化，提升了公司對(duì)于生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)的控制水平。