基于以太型網絡柔性組合控制的自動生產線系統研究

鄉碧云，龍國安，鐘海龍

（1.順德職業技術學院，廣東順德 528333；2.廣東科豪木工機械有限公司，廣東順德 528308）

我國家具工業木制品加工工業、人造板工業的自動化，依賴于木工機械行業。除進口人造板生產線以外，其他木工產業基本處于傳統的通用設備單件小批量生產模式階段，根本談不上自動化加工。木材工業流水線需求的木工機械是過渡階段使用的設備，木工機械生產企業開發的產品應該是數控，可以配套流水線的先進木工機械，現在的自動上下料雙端及錯位封邊生產線即是這個階段的典型自動化生產線的代表，木工機械的專業化生產將促使木工機械逐步向專業化自動生產線的階段發展[1]。

1 一種衣柜板自動上下料雙端及錯位封邊生產線組成

如圖1所示，是自動上下料雙端及錯位封邊生產線整線布局示意圖。

1.1 自動上下料雙端及錯位封邊生產線的工藝流程說明

圖1中，板式木工家具雙端及錯位封邊網絡型采用兩臺龍門上下料機配合一臺雙端封邊機、兩臺錯位的單端封邊機等。龍門機可自動將一垛板料有序地放到輸送輥臺上，雙端封邊機首先將板料的窄邊封好，然后錯位封邊機封好長邊，最后第二臺龍門機將封好四邊的板料整齊的堆垛好并輸送出去。

圖1 上下料雙端及錯位封邊生產線布局示意圖

三工位龍門式上下料機設備的提速、正確分板、準確定位；各種轉向機和動力移動輥臺生產線傳輸設備配合加工速度自動調速、傳輸過程中物料齊板壓料送料，保證生產線流暢生產，提高效率，減輕勞動強度，減少人力資源。

1.2 網絡型生產線的特色和創新

目前國內市場的封邊機都是以單機的形式在使用，不具備連線自動生產功能。板料進入主機都是用人工送入和人工接收，封邊機圓盤狀的封邊帶都是用完一盤再放入另外一盤，在換帶的過程中是需要停機等待，板料調整由人工完成，各單臺加工機電氣控制系統采用PLC分散控制方式，通過各主機PLC的I/O信號握手交互組成流水線控制，只能形成設備布局上的流水作業。

為了改進生產線的控制性能和自動化程度，首先進行了單機設備的改進，加入自動換帶，自動調整的設備功能，對自動線采用生產線網絡化構建整體控制系統方式，可以實現生產線的集中、全自動控制。并且根據國內生產用戶的使用習慣，還設計了產線中的各設備既可集中控制、亦可獨立控制的功能，既可作為整線自動運行，又可作為單機獨立運行，還能柔性組合[4]成各種組合的生產環節。本自動線具有不間斷連續工作和最大限度減少操作人員的特點，設備引領的木工機械產品生產走向自動化和智能化方向發展[5]。

1.3 采用網絡化構建自動線整體控制系統

采用雙主站的主、從站的網絡控制總體結構。主站對所有設備進行集中監控和參數設置，而從站除對本地設備進行控制外，還接收主站的控制信息，并將本地設備的狀態信息反饋給主站。上料或者下料龍門機控制器將作為主站控制器，加工機以及運輸機作為從站，主站通過以太網向各設備傳送控制數據和系統參數，并接收從各設備節點反饋的狀態信息，從而實現各設備參數的載入、提取以及對設備的控制和監視。

2 木工設備自動線控制系統的組建方案

2.1 控制系統結構設計

通過對雙端及錯位封邊自動線設備組成及使用要求的詳細分析，建立雙端及錯位封邊網絡型自動線的系統控制結構[3]。從下至上依次為設備層、控制層和網絡層。如圖2所示。

圖2 系統控制層次圖

2.1.1 設備層

設備層由上料龍門機械臂、封邊機或排鉆機，下料龍門機械臂、輥筒傳送線等設備的硬件本體組成。根據各設備的工藝特點，可劃分為三類：即上下料設備、加工設備和傳輸設備。

2.1.2 控制層

控制層中包括機械臂的控制和加工機及傳輸線控制兩個部分。根據各設備既可集中控制，又可單獨控制的要求。本方案設計在控制層將采用各設備控制模塊獨立運行的方式，每個設備均配置一個獨立的控制器。

（1）龍門機械臂控制系統

設計方案中，龍門機械臂控制系統擬采用固高科技的CPAC（計算機可編程自動控制器）。CPAC包含軟件平臺（OtoStudio）和硬件平臺（GUC），它將運動控制、PLC、機器視覺、現場網絡和軟件平臺集成一體，提供包含自動化控制器、人機界面、遠程I/O模塊在內的完整解決方案[2]。

如圖3所示，GUC控制器由嵌入式PC模塊、運動控制單元（DSP+FPGA） 、軟PLC構成。其中，嵌入式PC負責人機界面、數據處理、網絡交互等實時性要求不高卻需要消耗大量硬件資源的任務。運動控制單元采用單獨的DSP+FPGA負責運動控制等高實時性任務的處理，軟PLC則進行I/O、邏輯控制等PLC功能處理。

其中，上料和下料龍門機械臂各使用一臺獨立的GUC控制器進行控制。

圖3 上下料龍門機控制器（GUC）功能說明

（2）加工機及傳輸線控制系統

在原有設備中，各臺加工機均采用獨立PLC進行控制，功能穩定可靠。因此，本方案中將保留封邊機的現有控制方式，即各單機采用PLC控制。

2.1.3 網絡層

在控制層中，實現了各

設備獨立控制的基本要求，但各控制器為信息孤島，相互間無法通訊互聯，為了實現設備的網絡化控制，本方案中增加了網絡層。

為了滿足網絡層的控制要求，各控制器應具備以太網絡接入功能，對于GUC控制器，自帶網絡接口，硬件上可滿足網絡通訊要求。而對于封邊機使用的PLC控制器，需在原有PLC上添加以太網接口模塊或者換裝具備以太網功能的PLC。

所有控制器將作為一個節點，通過網絡集線設備提供的TCP/IP網絡接口連入到局域以太網中。每個控制器將分配一個固定的IP地址。

本方案中，網絡控制將采用主、從站模式。上料或者下料機械臂的GUC控制器將作為主控制器，通過以太網向各設備傳送控制數據和系統參數，并接收從各設備節點反饋的狀態信息，從而實現各設備參數的載入、提取以及對設備的控制和監視。

網絡層的物理實現考慮采用100 M工業以太網。

2.1.4 人機交互

人機交互標準方案采用一個有線連接的HMI終端，HMI終端與GUC控制器間通過G-Link總線(百兆以太網)連接，線長50 m，既可掛接在上料機械臂控制器上，同時亦可掛接在下料機械臂控制器上。操作者只需通過一個終端，即可操作、監控產線中的主要設備。

2.2 系統軟件總體設計

設計方案采用如圖4所示的主、從站的網絡控制方式。主站對所有設備進行集中監控和參數設置，而從站除對本地設備進行控制外，還接收主站的控制信息，并將本地設備的狀態信息反饋給主站。

設計在主站控制器上的軟件負責人機交互、本地設備控制及參數設置、遠程設備控制及參數設置、網絡數據封包、傳輸、解析等功能。而設計在從站上的軟件負責本地設備控制、主站數據解析、設備狀態反饋等功能。

圖4 軟件網絡架構

在實際使用時，龍門機械臂的GUC控制器，既有可能作為主站，也有可能作為從站，為此，設計方案雙主站工作模式。實現雙主站的軟件工作原理如下所述。

設計在上、下料機械臂控制器上的控制軟件采用了TCP/IP數據的收發模式。所有控制器（包括主站本身）均分配了一個IP地址。

控制軟件在發送數據時，首先需要確定發送的目標機地址。在本方案中，目標地址并非以控制器是主站還是從站作為分析依據，而是以IP地址作為依據，這樣，無論數據是發送給本機還是給遠程機，都將首先封裝成TCP/IP的數據包，再根據目標的IP地址進行分發，如果該IP地址對應著遠程機，則通過網絡傳輸數據，如果該IP地址對應著本地機，則反射回本機。

為防止用戶同時操作兩臺HMI時出現指令重入情況，將在軟件內部進行數據保護和操作互斥處理。

3 網絡控制結構

在本系統中，各設備有聯網和單機兩種工作模式，運行狀態分為自動和手動運行。經雙方約定，設備只有在單機模式下，才可進入手動狀態。設備處在聯網模式時，不能進行手動運行。

根據聯網組成方式可知，生產線有多種可能的聯網工作方式，與此適應，設計在保持基本控制框架不變的情況下，提出與之適應的幾種網絡控制結構。

3.1 全線聯網

所有設備均聯網運行，此時，所有設備均處在同一網絡中，控制結構如圖5所示。

（1）用戶在軟件中設置聯網設備表，將所有設備添加到聯網設備表中；

（2）系統運行后，將所有設備連接到網絡；

圖5 全線聯網結構

（3）各設備的參數可從總控HMI處設置，也可在本地HMI處設置；

（4）主控GUC定時讀取各設備工作狀態和報警信息，并顯示在總控HMI上；

（5）任一設備處于非自動運行狀態，系統將通知所有設備，停止該設備前的所有設備。

3.2 多機聯網（部分設備不聯網）

如圖6所示，為生產線中的多機處于聯網狀態，部分設備不聯網。

在此狀態下：

圖6 多機聯網（部分設備不聯網）

（1）用戶需在軟件中重新設置聯網設備表，將不聯網設備從表中去除；

（2）系統在聯網時將不連接PLC_3和GUC_2；

（3）總控HMI不能對不聯網設備進行任何操控。

3.3 多機聯網（部分設備單機模式）

如圖7所示，一臺設備雙端封邊機處于單機工作狀態，其他設備處于聯網運行狀態。

在此狀態下：

（1）系統不斷開PLC_N在網絡中的連接，底層仍然監控雙端封邊機的狀態；

圖7 多機聯網（部分設備單機模式）

（2）總控HMI不能對雙端封邊機設置參數；

（3）對雙端封邊機的操作只能通過本地HMI進行；

（4）雙端封邊機的狀態不影響其他聯網設備的運行。

3.4 兩個子網絡

用戶為最大程度利用設備，可能將生產線分為兩個部分使用。此時前端工序（如上料+單端封邊）處于一個網絡中，后端工序（如雙端封邊機+下料）處于另一個網絡中。如圖8狀態下：

（1）用戶在軟件中設置聯網設備表1和聯網設備表2，根據實際使用情況將設備分別添加到兩個表中；

（2）系統運行后，將所有設備連接到網絡中；

圖8 兩個子網絡

（3）兩個子網絡將各自獨立聯網運行，即網絡1中的設備狀態不會影響到網絡2中的設備運行情況，反之亦然。

（4）設定聯網組數最高為兩組，一組為總控聯網，一組為單機聯網。

3.5 單機使用

各設備均可單機使用，相互之間無工作協調需求。在此狀態下，用戶在本地HMI上選擇單機模式即可。

4 結論

在國內木工機械的產品系列中，有雙端及錯位封邊線，封邊排鉆線等多條自動線生產設備。項目中的上下料機、運輸設備，封邊機，排鉆等設備多為單機生產模式，突破PLC控制技術接入以太網應用的技術難題后，自動線采用生產線網絡化構建整體控制系統方式，可以實現生產線的集中、全自動控制，即既可作為整線自動運行，又可作為單機獨立運行，還可根據生產需要組合產線上的相關設備組成新的生產模式，實現生產線的柔性控制。本自動線具有不間斷連續工作和最大限度減少操作人員的特點。

［1］馬巖.我國數控木工機械的發展現狀及自動化技術的研發方向［J］.林業機械與木工設備，2012（1）：4-9.

［2］王礡.GUC系列運動控制器用戶手冊［Z］.固高科技（深圳）有限公司，2010.

［3］龍騰宇.網絡型自動生產線控制系統技術［Z］.深港產學研基地運動控制應用技術實驗室，2012.

［4］呂景泉.自動化生產線安裝與調試：第2版［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［5］葉靈燕.木工機械行業加緊自動化升級［N］.中國貿易報，2014-03-04，（6）.