基于EtherCAT協(xié)議的輻照工藝設(shè)計(jì)

摘要：隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)逐步邁向數(shù)字化和智能化。在線材輻照工藝中，傳統(tǒng)的輻照工藝設(shè)備分布離散，系統(tǒng)集成度不高，難以獲取完整的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)字化管理，文章基于EtherCAT協(xié)議，設(shè)計(jì)了一套集成度高、響應(yīng)迅速的線材輻照加工工藝流程；通過將輻照加工過程中的全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)了輻照加工的數(shù)字化管理。

關(guān)鍵詞：EtherCAT；線材輻照；在線換盤；MES

中圖分類號(hào)：TP272 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

傳統(tǒng)線材輻照加工工藝的控制方式為離散式［1］。系統(tǒng)由收放線機(jī)、束下工藝設(shè)備和儲(chǔ)線架等獨(dú)立的機(jī)構(gòu)組成，通過物理線路進(jìn)行連接。這種設(shè)置導(dǎo)致系統(tǒng)集成度低，數(shù)據(jù)獲取困難，無法有效與制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）連接。此外，單臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)化水平有限，通常依賴傳統(tǒng)的繼電器控制和通過傳動(dòng)板進(jìn)行的變速控制。在這種情況下，系統(tǒng)故障后的故障排查較為困難，設(shè)備狀態(tài)的可視化效果差，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。

1 輻照工藝介紹

線材輻照加工工藝設(shè)備主要包含束下設(shè)備、收（放）線儲(chǔ)線架以及雙工位收（放）盤機(jī)模塊，如圖1所示。

1.1 束下設(shè)備

束下設(shè)備是輻照工藝的核心模塊，起到對(duì)接電子加速器的作用，根據(jù)電子加速打出的電子束流強(qiáng)度來調(diào)整束下輥筒的速度，使加工線材獲取穩(wěn)定的輻照劑量。其中，束下輥筒是束下設(shè)備的核心，通過它的轉(zhuǎn)動(dòng)來拉動(dòng)放線儲(chǔ)線架中的線材進(jìn)入束下區(qū)域進(jìn)行輻照處理。

1.2 收（放）線儲(chǔ)線架

放線儲(chǔ)線架作為緩沖機(jī)構(gòu)，當(dāng)束下輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將線材從放線儲(chǔ)線架拉入束下區(qū)域。由于放線儲(chǔ)線架的位置偏低，需要放線機(jī)主動(dòng)快速放線，以保持儲(chǔ)線架的位置穩(wěn)定。收線儲(chǔ)線架接收輥筒傳出線材，其位置偏高，需要收線機(jī)主動(dòng)快速收線，保持收線架位置穩(wěn)定。

1.3 收（放）盤機(jī)

收（放）盤機(jī)通過隨動(dòng)調(diào)整，確保線材在整個(gè)輻照加工過程中的穩(wěn)定運(yùn)行。放線機(jī)在放線儲(chǔ)線架位置偏低時(shí)主動(dòng)快速放線，收線機(jī)在收線儲(chǔ)線架位置偏高時(shí)主動(dòng)快速收線，確保儲(chǔ)線架位置始終處于平衡狀態(tài)。

整套線材輻照加工系統(tǒng)通過束下輥筒的主導(dǎo)作用和外部收放線機(jī)的隨動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了線材在輻照過程中的穩(wěn)定傳輸。儲(chǔ)線架作為緩沖機(jī)構(gòu)，有效協(xié)調(diào)了放線和收線的速度，確保了線材在輻照處理中的連續(xù)性和穩(wěn)定性。通過這種精密的控制系統(tǒng)，輻照加工過程能夠達(dá)到高效且穩(wěn)定的效果。

2 基于EtherCAT的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 EtherCAT介紹

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種開放性強(qiáng)、高性能、低成本且兼容以太網(wǎng)的技術(shù)［2］。自2014年轉(zhuǎn)化為中國推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)以來，EtherCAT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其最大優(yōu)勢在于性能高，基于EtherCAT工業(yè)的以太網(wǎng)絡(luò)的100個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為3 μs［3］。下面介紹EtherCAT的以太網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。

2.1.1 高效數(shù)據(jù)傳輸

EtherCAT通過“處理即讀/寫”（Processing on the Fly）的技術(shù)，直接在網(wǎng)絡(luò)幀中處理數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

2.1.2 精確同步

EtherCAT使用分布時(shí)鐘技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的節(jié)點(diǎn)同步。整體的同步時(shí)鐘得到很好的校準(zhǔn)，使多個(gè)從站的同步差異低于1 μs。

2.1.3 經(jīng)濟(jì)高效

由于EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，無需專用的通信芯片，降低了系統(tǒng)的硬件成本。此外，其高效的數(shù)據(jù)處理能力也減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，進(jìn)一步節(jié)約了成本。

2.1.4 簡單應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，EtherCAT相對(duì)簡單，只須對(duì)遠(yuǎn)程I/O和伺服進(jìn)行地址分配及數(shù)據(jù)映射，編程與傳統(tǒng)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）相似。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本方案主站的PLC采用匯川AM403控制器，可帶16個(gè)軸的EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器。下設(shè)15個(gè)從站，EtherCAT總線上依次掛載束下伺服、放線架相應(yīng)模塊、放線機(jī)相應(yīng)模塊、收線機(jī)相應(yīng)模塊、收線儲(chǔ)線架相應(yīng)模塊。同時(shí)，PLC配備8口交換機(jī)，分別接入束下觸摸屏、收線機(jī)觸摸屏、放線機(jī)觸摸屏，接入公司的MES網(wǎng)絡(luò)。具體布局方案如圖2所示。

該方案設(shè)計(jì)了一套基于EtherCAT協(xié)議的工業(yè)總線輻照加工工藝，具有高度集成、自動(dòng)化和可視化的特點(diǎn)。系統(tǒng)布線減少了30%以上，大量信號(hào)通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換控制，系統(tǒng)構(gòu)造簡潔明了，有利于后期維護(hù)。

程序規(guī)劃分為EtherCAT協(xié)議高速循環(huán)程序和普通控制循環(huán)程序。系統(tǒng)由5臺(tái)設(shè)備組成，每臺(tái)設(shè)備均包含一個(gè)軸控的EtherCAT程序和普通控制程序。

3 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

3.1 主站PLC與電子加速器交互

主站采用匯川AM403中型PLC，基板插入4AD模塊。電子加速器通過模擬量及數(shù)字量信號(hào)與束下PLC交互，提供束流強(qiáng)度信號(hào)和故障信號(hào)等。主站PLC通過數(shù)字量信號(hào)控制加速器束流的上升、下降及緊急停機(jī)。

交互流程如下：電子加速器和輻照工藝系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，束下控制柜給出束流上升信號(hào)，電子加速器開始升束流；根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算束下輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過EtherCAT控制束下伺服軸運(yùn)行。

3.2 收（放）線儲(chǔ)線架

收（放）線儲(chǔ)線架是放線機(jī)和束下輥筒之間的緩沖儲(chǔ)線機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是放線機(jī)的速度反饋調(diào)整機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)程模塊掛載至EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，包括本身的基礎(chǔ)控制IO模塊。儲(chǔ)線架由實(shí)際位置反饋的AD模塊以及張力控制的張力伺服軸組成，根據(jù)主站PLC的收（放）線架程序塊進(jìn)行控制，其基本功能包括儲(chǔ)線上升、下降、張力調(diào)整、斷線功能等檢測。

在該方案中，立式儲(chǔ)線架的儲(chǔ)線高度為4 m，儲(chǔ)線圈數(shù)為10圈，實(shí)際儲(chǔ)線為80m。當(dāng)工藝速度降至80 m/min時(shí)，員工有1 min的時(shí)間進(jìn)行換盤操作。本機(jī)為雙工位，僅停掉當(dāng)前空盤工位，將線頭接至備用工位并啟動(dòng)備用工位，在線換盤用時(shí)不超30 s，員工操作時(shí)間充裕。

收（放）線儲(chǔ)線架位置由電位器進(jìn)行反饋，在該方案中，安裝10圈電位器，反饋電壓為0～10 V。系統(tǒng)設(shè)置5 V電壓為運(yùn)行狀態(tài)平衡點(diǎn)，即儲(chǔ)線架中間位置。程序根據(jù)平衡點(diǎn)位置進(jìn)行比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）運(yùn)算，調(diào)整收（放）線機(jī)伺服軸轉(zhuǎn)速，以保證儲(chǔ)線位置恒定。

儲(chǔ)線架張力是重要的工藝參數(shù)之一，保持合理的張力可以杜絕線材的拉伸，同時(shí)避免線材在儲(chǔ)線架或束下輥筒上松散［4］。如果線材松散，那么會(huì)造成絞線、束下打滑等現(xiàn)象以及線材拉斷或無法牽出等狀況，將產(chǎn)生大量廢品。該方案采用匯川EtherCAT伺服控制張力，張力控制精度可達(dá)0.2%，張力大小由束下PLC統(tǒng)一控制。

3.3 在線換盤功能

收（放）線機(jī)遠(yuǎn)程模塊掛載至EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，包括控制IO模塊及收（放）線伺服軸。收（放）線機(jī)主動(dòng)追蹤儲(chǔ)線架位置，通過PID算法調(diào)整伺服轉(zhuǎn)速，具有排線伺服功能。收（放）線機(jī)功能包括機(jī)體上升、下降、夾線機(jī)構(gòu)、束流上升、停止、下降信號(hào)以及在線換盤功能。同時(shí)，收（放）線機(jī)配備觸摸屏，對(duì)系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括電子加速器束流大小、產(chǎn)品輻照劑量、束流升降停狀態(tài)、換盤運(yùn)行指示、儲(chǔ)線架當(dāng)前位置等相關(guān)參數(shù)。操作員在收（放）線機(jī)觸摸屏中可觀察整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定所有參數(shù)。

當(dāng)傳統(tǒng)加工工藝換盤時(shí)，系統(tǒng)須要停掉加速器，進(jìn)行停機(jī)換盤。任何品牌的電子加速器在進(jìn)行一次停止再啟動(dòng)的操作過程中至少需要消耗6 min的時(shí)間。而加速器功率在400 kW左右，每次啟停要額外消耗大量的電能，對(duì)電網(wǎng)及加速器自身元件均產(chǎn)生沖擊。同時(shí)，啟停段的產(chǎn)品劑量不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，該方案應(yīng)考慮在線換盤功能，避免加速器停機(jī)，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。以放盤即將空盤為例，在線換盤流程如圖3所示。

當(dāng)放盤即將空盤時(shí)，工作人員須要按換盤啟動(dòng)按鈕激活換盤程序。當(dāng)換盤程序激活后，儲(chǔ)線架平衡點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置為9 V，即等效于儲(chǔ)線架高度的90%，此時(shí)放盤機(jī)通過PID調(diào)速使儲(chǔ)線架保持在新的平衡點(diǎn)位置。同時(shí)，程序給出束流下降的信號(hào)，當(dāng)儲(chǔ)線架調(diào)整至新的平衡點(diǎn)時(shí)，程序給出束流下降信號(hào)，使加速器束流降至設(shè)定低位。由于束流的下降，束下輥筒的速度下降，外部工藝速度也隨之下降，系統(tǒng)處于低速運(yùn)行狀態(tài)。在當(dāng)前工位線材耗盡時(shí)處于盤底狀態(tài)，系統(tǒng)停掉當(dāng)前的工位，在程序內(nèi)激活捆綁的夾線功能，定住線尾，切斷當(dāng)前工位與儲(chǔ)線架的PID調(diào)速程序。束下直接拉動(dòng)儲(chǔ)線架內(nèi)線材，在儲(chǔ)線架線材耗盡之前完成換盤；夾線后工作人員將備用盤線頭與線尾快速連接。根據(jù)前文分析，當(dāng)儲(chǔ)線為80 m、工藝速度降至80 m/min時(shí)，工作人員有1 min的換盤操作時(shí)間，完成后按下?lián)Q盤停止信號(hào)，當(dāng)前工位運(yùn)行放卷。激活當(dāng)前工位與儲(chǔ)線架的PID調(diào)速程序。此時(shí)，在程序內(nèi)有序復(fù)至5 V儲(chǔ)線架中心平衡位置，加速器束流上升至運(yùn)行設(shè)定值，系統(tǒng)重返至高速加工狀態(tài)。

3.4 輻照工藝接入MES

MES是提高企業(yè)信息化水平和競爭力的一種生產(chǎn)管理系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)工藝及車間特點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)的生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、可視化、自動(dòng)化。

本套輻照工藝實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化流程，設(shè)備集成度高［5］，全數(shù)據(jù)可操作，據(jù)此可完全接入MES。MES根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則、交期、生產(chǎn)情況自動(dòng)排單，無須員工手動(dòng)排程，可直接將排單信息發(fā)送到工藝主PLC上，通過觸摸屏查看須要生產(chǎn)的產(chǎn)品單號(hào)。工作人員在找到待加工的產(chǎn)品后，通過掃描槍掃描產(chǎn)品工單，與MES進(jìn)行核對(duì)。MES在核對(duì)排單產(chǎn)品無誤后，查詢工單參數(shù)數(shù)據(jù)庫，直接將工藝參數(shù)下發(fā)至現(xiàn)場主控PLC進(jìn)行生產(chǎn)，無須工作人員手動(dòng)操作。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，在生產(chǎn)異常的情況下，MES可直接給出現(xiàn)場設(shè)備警告，避免生產(chǎn)事故。

4 結(jié)語

本文摒棄了傳統(tǒng)輻照加工工藝的離散式設(shè)計(jì)，基于EtherCAT協(xié)議設(shè)計(jì)了一套集成度高、可接入MES的1進(jìn)1出4工位、在線換盤的輻照線材加工工藝。配置更高的匯川AM600系列PLC后，工藝系統(tǒng)可擴(kuò)展至4進(jìn)4出16工位的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率可提升3倍以上。

本套系統(tǒng)將5臺(tái)分體設(shè)備融合在一套EtherCAT總線控制系統(tǒng)中，簡化各設(shè)備之間的布線，僅需網(wǎng)線將5臺(tái)設(shè)備依次串聯(lián)起來，提供高速穩(wěn)定的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)和伺服軸控?，F(xiàn)場施工布線減少30%以上，控制接線簡單、維修難度低、運(yùn)維成本低。系統(tǒng)元器件均采用國產(chǎn)匯川PLC及驅(qū)動(dòng)器，全面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)國產(chǎn)化，在低價(jià)高質(zhì)量的前提下保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際的生產(chǎn)使用過程中，其控制及響應(yīng)速度要優(yōu)于其他工業(yè)總線，故障率低，深受實(shí)際生產(chǎn)車間的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Design of irradiation process based on EtherCAT protocol

CUI" Xiaoming， LU" Yuting

（Shenzhen Woer Heat-Shrinkable Material Co.， Ltd.， Shenzhen 518100， China）

Abstract： As social production advances，traditional manufacturing is gradually moving towards digitalization and intelligence. In the wire irradiation process， traditional irradiation equipment is distributed and discrete， with low system integration， making it difficult to obtain complete production process data. To achieve more efficient digital management， this paper designs a highly integrated and rapidly responsive wire irradiation processing workflow based on the EtherCAT protocol. By integrating all production data from the irradiation process into the manufacturing execution system（MES）， the digitalization management of the irradiation process is realized.

Key words： EtherCAT; wire irradiation; online spool replacement; manufacturing execution system