EtherCAT實時以太網(wǎng)在GD121卷接機組電控系統(tǒng)中的應用

蒲鳳康，李華文，趙宇，陳冬

(1.昆明海闊科技有限公司，云南 昆明 650118;2.紅云紅河煙草集團昆明卷煙廠，云南 昆明 650118;3.德國倍福自動化有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

GD專用控制系統(tǒng)不是控制技術的發(fā)展方向。無論早期的FZ電路板系統(tǒng)還是后期的MICROⅡ控制系統(tǒng)，都由GD公司產(chǎn)品專用，從技術而言存在巨大封閉性，這決定了其零備件采購、售后服務及功能升級或擴展受到局限。相對于目前工業(yè)控制技術的發(fā)展，這些控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能已顯落后，事實上現(xiàn)階段在進口的新型卷煙機都在使用IPC系統(tǒng)。

IPC系統(tǒng)避免了MICROⅡ系統(tǒng)的落后性和伺服系統(tǒng)被淘汰，同時系統(tǒng)維護方便，擴展性強，設備數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、分析功能完備，這是該領域的優(yōu)勢發(fā)展方向，也是煙草行業(yè)的運用發(fā)展方向。

1 卷接機組控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

GD121卷接機組由意大利GD公司設計制造，確定生產(chǎn)能力12 000支/分。GD121卷煙機設計簡潔，功能完善，操作控制較為簡易方便，便于保養(yǎng)維修，該機型具有先進的卷煙紙分切機構(gòu)，其卷煙紙、水松紙拼接機構(gòu)也合理實用，尤其是后車身喂料系統(tǒng)來料穩(wěn)定，有效保證了煙支的質(zhì)量。優(yōu)越的除塵系統(tǒng)，對設備的清潔及正常運作起到較大的作用。GD121高速卷煙機采用機械同步調(diào)整，具有設備運行穩(wěn)定、故障率低，維修使用方便的特點［1］。在國內(nèi)卷煙生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用。

該卷接機組采用GD公司自己訂制開發(fā)的MICROⅡ系統(tǒng)。運行接近20年，電氣元件已進入故障高發(fā)期。給設備維護及運行帶來極大的不便，由于GD公司MICROⅡ系統(tǒng)開放性較差，也增加了設備的故障率和電氣故障停機次數(shù)，給生產(chǎn)帶來了很大的影響。MICROⅡ系統(tǒng)具有較為突出的特點。

1.1 MICROⅡ控制系統(tǒng)的特點

MICROⅡ控制系統(tǒng)是GD公司針對卷接機、卷煙包裝機的設備特點及控制的需求自行設計、開發(fā)的一套專用電控系統(tǒng)，用于該公司生產(chǎn)的各類型卷煙、卷煙包裝設備、連接系統(tǒng)。

MICROⅡ系統(tǒng)有以下幾個比較明顯的特點:

(1)MICROⅡ系統(tǒng)是GD公司針對GD公司生產(chǎn)卷接機、卷煙包裝機的設備特點及控制的需求而開發(fā)，具有極強的針對性和專用性。在GD生產(chǎn)的設備以外設備從未應用。這樣也可以說它的封閉性較高，其它工控廠商無任何硬件支持。

(2)MICROⅡ系統(tǒng)的編程技術，引進了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設計模式。系統(tǒng)軟件采用實時多任務操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)模式設計。實現(xiàn)任務的切換、網(wǎng)絡通訊、輸入輸出的處理、系統(tǒng)的資源管理、用戶程序管理、用戶程序的下載等。用戶程序的設計上采用GD訂制的編程語言GDL(GDEPLUS)面向?qū)ο蟮母呒壵Z言完成諸如機器的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、運動控制、與用戶交互等功能。

(3)MICROⅡ系統(tǒng)采用完全集成化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在硬件上MICROⅡ系統(tǒng)中所有IO板卡、驅(qū)動板卡、特殊功能板卡完全安裝在同一機籠中。在開發(fā)環(huán)境中集成所有的控制和服務過程，控制系統(tǒng)可以對系統(tǒng)的輸入、輸出、電機驅(qū)動實現(xiàn)監(jiān)視與控制，提高了編程和維修的方便性。

(4)MICROⅡ系統(tǒng)采用了高性能硬件系結(jié)構(gòu)。采用了當時的80386DX技術、多處理器結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)從而降低對主CPU處理能力的要求?？刂瓢蹇ú捎肈SP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、大規(guī)模集成電路等技術，元器件選用貼片元件，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(5)MICROⅡ系統(tǒng)編程環(huán)境中集成了人機界面的編程功能?？梢詫崿F(xiàn)人機界面和操作接口。

(6)MICROⅡ系統(tǒng)的自診斷功能。通過硬件和軟件的結(jié)合，系統(tǒng)對外圍設備實現(xiàn)自診斷功能。降低了運行維護人員的工作強度。

1.2 MICROⅡ網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析

GD公司為MICROⅡ系統(tǒng)開發(fā)了GD網(wǎng)絡(GDLAN)，通過GDLAN可以實現(xiàn)控制器與控制器之間的信息交換、人機界面的通信及與其它相連設備的連接和通信。

GDLAN的底層為ARCNET，采用令牌總線(token-bus)控制方式的總線型網(wǎng)絡協(xié)議。應用層軟件實現(xiàn)GD公司CNT-OPC請求-應答式協(xié)議。GDLAN采用同軸電纜為傳輸介質(zhì)。

Arcnet是Datapoint公司于1977開發(fā)的一種安裝廣泛的局域網(wǎng)(LAN)技術，它采用令牌總線(token-bus)方案來管理LAN上工作站和其他設備之間的共享線路，其中，LAN服務器總是在一條總線上連續(xù)循環(huán)的發(fā)送一個空信息幀。當有設備要發(fā)送報文時，它就在空幀中插入一個“令牌”以及相應的報文。當目標設備或LAN服務器接收到該報文后，就將“令牌”重新設置為0，以便該幀可被其他設備重復使用。這種方案十分有效，特別是在網(wǎng)絡負荷大的時候，為網(wǎng)絡中的各個設備提供平等使用網(wǎng)絡資源的機會［2］。

2 適合卷煙機的發(fā)展前途的技術分析

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，計算機技術的普及和發(fā)展以及現(xiàn)代控制技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代自動化工業(yè)的要求。相比之下原機控制系統(tǒng)已顯現(xiàn)出相當多的不足和局限。如原機控制系統(tǒng)的響應無法滿足系統(tǒng)的高速需求;無法提供多種編程語言已滿足不同層次設計開發(fā)人員需求;專有網(wǎng)絡已無法滿足工廠管理對信息互聯(lián)要求。工業(yè)計算機(IPC)、計算機集散控制系統(tǒng)(DCS)和PLC的相互融合?；赑C(PC-Based)的自動化控制系統(tǒng)以其開放的體系結(jié)構(gòu)、通用工業(yè)以太網(wǎng)、大規(guī)模的存儲、以及專家分析系統(tǒng)越來越受到人們的重視。它代表了自動化領域未來和創(chuàng)新發(fā)展的方向。

EtherCAT(以太網(wǎng)控制自動化技術)是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)［3］，EtherCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology(控制自動化技術)首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

XFC(eXtreme Fast Control)［4］極速控制技術代表著德國倍福公司(Beckhoff)一種速度極快且時間確定性極高的控制技術。它是控制領域所涉及到的硬件技術和軟件技術的綜合體，具體包括高性能工業(yè)PC、極快速的輸入輸出模塊，超高速EtherCat通訊網(wǎng)絡及整合所有硬件的TwinCAT自動化系統(tǒng)軟件。采用XFC技術，可以實現(xiàn)外部信號輸入經(jīng)過程序運算再將結(jié)果輸出到外部的總響應時間≤100 μs。該技術為受技術限制而無法滿足性能要求的用戶提供了一種全方位提升控制性能的新理念。過去，控制周期一般都在10～20 ms左右，且通信接口無約束地運行，其周期抖動會影響與之相關聯(lián)的過程信號響應。隨著高性能工業(yè)PC控制器的實用性技術迅猛發(fā)展，控制周期可降至1～2 ms，幾乎縮減了10倍。因此，很多特殊的控制回路被轉(zhuǎn)移到中央設備控制器中處理，既節(jié)省了成本，同時也極大地提高了智能化算法應用的靈活性。

XFC技術則可以使響應時間再縮減10倍，即控制周期時間低至100 μs以內(nèi)，而不會對中央智能化和相關的高性能算法產(chǎn)生任何影響。此外，XFC技術不僅可以縮短控制周期，而且還為納米級時間同步控制提供了可靠解決方案。

如圖1所示，TwinCAT 3［5］為工程技術開辟了一條新的道路，并通過添加很多功能對實時內(nèi)核進行擴展。工程環(huán)境完全集成在微軟的Visual Studio框架中，除了系統(tǒng)配置、運動控制、I/O和IEC61131 PLC編程語言之外，還可以進行編程和調(diào)試。使用這些編程語言能夠創(chuàng)建可以在TwinCAT 3實時內(nèi)核中執(zhí)行的模塊。能夠執(zhí)行的模塊數(shù)量幾乎無限。TwinCAT 3中的任務數(shù)量也得到了顯著提升。TwinCAT 3實時內(nèi)核環(huán)境使得模塊能夠裝載到一個多核處理器的不同核上。

圖1 TwinCAT 3簡介圖

3 GD121電氣控制系統(tǒng)的控制方案

在GD121電氣控制系統(tǒng)的控制方案中我們選用倍福自動化有限公司CX系列的2040為主控制器(如圖2所示)。CX2000系列控制器采用堅固耐用的金屬外殼，直接DIN導軌安裝方式，采用多核處理器、模塊化PC和I/O接口，具有很高的處理能力、系統(tǒng)構(gòu)建靈活性及良好的EMC。其處理器有三種基本類型:Intel Celeron 1.4 GHz 單核(CX2020)、Intel Core?i7 1.5 GHz 雙核(CX2030)或 Intel Core?i7 2.1 GHz 4 核(CX2040)。因此，該嵌入式控制器和強大的工業(yè)PC一樣，可以實現(xiàn)包括 PLC、運動控制、CNC、機器人等多功能融合。

圖2 控制器外形圖

由于采用了高性能CPU、XFC以及TWinCat 3等新技術，使得GD121原機許多難以突破的重、難點技術得以輕松實現(xiàn)，極大的降低了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)風險，降低了維護成本。

采用多核心的CPU和TWinCat 3可以將原機的以前只能分散在多個系統(tǒng)才能實現(xiàn)的各個功能如機器邏輯控制功能、平均重量控制、煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)等融合到一個控制器中，充分利用CPU的多核特性，將這些功能以任務的形式合理地分配到CPU的不同運行核中，這樣解決了原機各個系統(tǒng)相互之間網(wǎng)絡、通信的復雜度。同時同一CPU、同一進程、同一控制程序的控制方式使得各個功能之間的信息交換變得極為可靠、高效和方便(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

4 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能模塊(如圖4所示)。

圖4 系統(tǒng)功能塊圖

4.1 自檢測功能的傳感器的信號處理

傳感器正常且沒有檢測到物體時輸出波形如圖5所示。

傳感器正常，且檢測到物體時輸出波形如圖6所示。

如果傳感器損壞(PNP)時，無脈沖輸出，有兩種可能狀態(tài)+24 V或0 V

圖5 自診斷傳感器輸入波形圖1

圖6 自診斷傳感器輸入波形圖2

通過高速輸入模塊+軟件濾波方式［6］，用軟件判斷脈沖是否存在從而判斷傳感器的好壞。

4.2 平均重量控制模塊

在實際生產(chǎn)過程中，卷煙機G.D121的額定速度為12 000 c/min，實際生產(chǎn)速度達10 000 c/min左右，單支煙的處理時間約為10 ms.系統(tǒng)對煙支的密度值的采樣值越多越來表針煙支的重量實際情況，當采樣次數(shù)大于100次/每支煙時就能非常準確表現(xiàn)煙支的重量、密度的變化情況，同時也要求系統(tǒng)能夠在極短的時間內(nèi)完成計算分析。重量控制的系統(tǒng)的運行處理能力和實時性要求較高。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的實時性、響應用時間、處理能力無法滿足。必須采用單獨的系統(tǒng)、應用大量的專業(yè)板卡才能實現(xiàn)。XFC技術的應用使該問題得以輕松實現(xiàn)，而且控制更為精確、快速。采用EL1252記錄開關量上升沿時間，可以精確到納秒。EL3702用來進行模擬量高速采樣，可以做到100 kHz采樣頻率。EL5101用來記錄帶時間戳的編碼器位置。以上數(shù)據(jù)可以通過EtherCAT分布式時鐘進行同步處理。系統(tǒng)根據(jù)前N支煙的實際密度與重量值，計算出移動平均值與目標重量設定值比較得到相應的差值，PID計算出削減圓盤的位置增量調(diào)整值，控制削減圓盤的位置上下移動。減少或增加供給煙絲的數(shù)量，確保煙支重量在較小范圍之內(nèi)波動。從而避免煙支大量的避免吸絲帶阻塞導致煙支空松、空段等現(xiàn)象出現(xiàn)。并根據(jù)刀口的位置和煙條煙絲密度的對應關系，判斷計算出煙支的緊頭位置，判斷出相對于刀口的位置是否正確，并控制調(diào)整緊頭位置。

4.3 煙支質(zhì)量檢測控制模塊

煙支質(zhì)量檢測控制模塊包括漏氣檢測和空松頭、缺嘴檢測。在Beckhoff公司XFC技術和CPU的處理能力的支持下，系統(tǒng)的采樣速度比原機采樣速度提高，采樣精度更高，程序的運算、處理所需的時間更短、廢煙剔除更為準確。壓力傳感器、空頭傳感器信號先經(jīng)過放大處理，然后送入EL3702用來進行模擬量高速采樣模塊。采樣值經(jīng)過軟件平滑處理后，與系統(tǒng)設定值進行比較判斷分析煙支是否為漏氣或空頭、缺嘴煙支，并在相應的鼓輪壞煙剔除。在質(zhì)量檢測系統(tǒng)采用了“采用的氣源裝置”，在算法設計上應用了平滑濾波技術和門限控制設計［7］，提高了系統(tǒng)對煙支的檢測精度降低誤剔率。在參數(shù)的設置上的用戶可以根據(jù)經(jīng)驗快速設定，系統(tǒng)也可以根據(jù)對正在生產(chǎn)的煙支的采樣值進行分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，系統(tǒng)自行確定相應的控制參數(shù)。

4.4 盤紙和水松紙加速模塊

將原機器的加速電機更換為Beckhoff的AM5000系列的交流伺服電動機。驅(qū)動器做為一個子站接入控制系統(tǒng)。在Twin-CAT組態(tài)中增加一個相應的NC并在Codesys中建立相應的變量即可對伺服軸進行相應的控制。相比PLC系統(tǒng)對伺服的操作的難度大幅度的降低，而對于伺服的位置、速度控制的精度且有極大的提高。當前的工作盤紙的直徑等于或小于設定直徑時，啟動盤紙加速程序。根據(jù)機器當前的工作速度V1計算出煙條的線速度，再計算出所需的盤紙加速度設定值啟動盤紙加速電機。盤紙加速電機運轉(zhuǎn)后，監(jiān)測盤紙回速電機的速度值V2，當V1=V2時啟接紙程序。經(jīng)改造后使用了新的交流伺服系統(tǒng)和EtherCAT總線［8］，使加速精度得到了很大的提高，從而極大地提高了動態(tài)接紙的可靠性，減少了因斷紙造成的損耗。

5 系統(tǒng)特點

(1)采用性能可靠的倍福IPC，將煙支平均重量控制、煙支質(zhì)量檢測、機器邏輯控制及人機界面在同一個IPC中運行，數(shù)據(jù)交換、處理能力強;

(2)采用分布式I/O設計，改變了以往機組的多PLC形式，體現(xiàn)了“集中處理，分散控制”的思想，系統(tǒng)可靠性增強;

(3)采用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術，使機組控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)更簡單、明晰，數(shù)據(jù)傳輸快速可靠.

(4)充分利用了IPC的 XFC高速IO響應速度快、精度高、抗干擾能力和計算能力強系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能對每個煙支可進行上百次的數(shù)據(jù)采樣，IPC系統(tǒng)快速實時對煙支進行質(zhì)量判斷分析。并在程序中進行優(yōu)化設計，從而提高了系統(tǒng)檢測的精度和控制準確性。

(5)采用具有智能化的自診斷、自適應功能系統(tǒng)中使用的IO端子模塊，TwinCAT軟件可以方便地讀取出這些狀態(tài)位的狀態(tài)，再配合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的故障分析能力，可以方便、快速、準確地診斷出系統(tǒng)自身的故障，并在人機界面顯示報警。

6 結(jié)束語

基于IPC的GD121卷接機組電控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。控制層和信息層的均采用工業(yè)以態(tài)網(wǎng)并嚴格分開。在一個IPC中實現(xiàn)了機器的邏輯控制功能并完了煙支的質(zhì)量檢測和重量控制功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性更高、可靠性更好。

［1］GD121卷煙機操作手冊［K］.意大利GD公司:1995.

［2］ARCNET_互動百科［EB/OL］http://hudong.com/wiki/arcnet.

［3］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用［M］.北京:清華大學出版社，1999.

［4］論壇列表——中國工控網(wǎng)［EB/OL］http://www.gongkong.com/static/stofourm/1231.htm.

［5］Beckhoff Automation GmbH.EtherCAT Communication Theory［EB/OL］.2007.http://www.ethercat.org/.

［6］王新華，周峰，李劍鋒，等.軟PLC運行系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn)［J］.北京工業(yè)大學學報，2006，33(8):745-749.

［7］宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［8］郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線 EtherCAT驅(qū)動程序設計及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.