注塑機先進網絡化數控系統的開發

文/震雄集團 黃俊軍

注塑機先進網絡化數控系統的開發

文/震雄集團 黃俊軍

控制裝置的設計水平是注塑機先進性的重要體現，但長期以來，國內高檔注塑機的控制系統都是從國外進口，而本文中所進行的研究，是以自主研發的具有國際先進水平，且融合了PLC、MC、HMI和實時工業以太網的網絡化數控系統在注塑機上的應用作為試點，以期替代國外的進口產品。

注塑機的先進性主要體現在其控制裝置的設計水平上，目前國內注塑機大部分采用PLC或者基于單片機芯片的控制系統，這類控制系統存在實時性差、速度慢、控制精度不高、開發周期長以及保養維修升級困難等局限。另一方面，注塑機正朝著高速、高效、低能耗和高自動化的方向發展，這也要求注塑機擁有完善的自動化控制與調節系統，以確保對注塑過程的工藝參數進行高重復、高靈敏且可靠的控制。

長期以來，國內高檔注塑機的控制系統都從國外進口，缺乏自主知識產權，不僅如此，進口的通用控制系統不能完全滿足注塑機非線性運動規律的要求，且價格昂貴。而本文中介紹的數控系統，其目標是以自主研發的具有國際先進水平，且融合了PLC、MC、HMI和實時工業以太網的網絡化數控系統在注塑機上的應用作為試點，以替代國外的進口產品，實現具有自主知識產權的符合多樣化注塑工藝的實時高速多功能控制。

主要研究內容

1. 網絡化數控系統基礎軟硬件平臺的研發

面向注塑機的數控系統主要包括兩部分：基礎軟硬件平臺和注塑機企業根據市場、工藝等在該平臺上做的注塑機應用軟件。而本文所介紹的數控系統其一項主要的研發內容就是為用戶提供網絡化數控的基礎軟硬件平臺。該數控平臺具備如下優勢：高性能處理器，以滿足實時控制需求；融合了PLC、MC和HMI功能；具備實時工業以太網現場總線；利用工業以太網現場總線可以自由擴展各類型IO模塊，滿足驅動閥門、溫控器等的要求；利用工業以太網現場總線可直接連接伺服驅動、變頻器等；具備OPC等網絡通信接口；IEC61131-3編程環境，與硬件和操作系統無關。

2. 網絡化數控應用軟件開發

這一項開發內容主要分為4個部分：先開發最基本的系統，以完成最基本的邏輯控制，開發內容包括邏輯程序、HMI和溫度PID算法的開發；逐個開發功能模塊，包括伺服電動機合模軸的程序、比例閥/伺服閥合模軸的程序、鎖模力自動調節程序、低壓模保程序以及伺服電動機/比例閥頂針軸的開發；按要求把功能模塊拼起來組成特定注塑機的控制系統，如對于全伺服注塑機而言，需要將有關伺服電動機控制的軸模塊拼起來；開發數據網絡傳送和保存功能模塊，用于將客戶所要傳送和保存的數據傳送到網絡的指定主機上。

本文中介紹的數控系統需要用于各種高端機型，鑒于不同機型的控制要求不一樣，驅動單元不同（有的是伺服電動機驅動，有的是伺服閥或者比例閥控制），需要的控制算法也有區別，因此本數控系統采用軟件模塊化。正因為如此，同一機構需要進行伺服電動機、伺服閥和比例閥的算法實現，如對開合模機構而言，其驅動方式可以是方向閥控制的油缸、比例閥控制的油缸、伺服閥控制的油缸、伺服電動機驅動的絲桿以及電液驅動的開合模機構，需要根據不同的情況進行算法實現。

3. 基于物聯網的注塑機售后服務管理系統

目前，國內很多裝備制造企業的售后服務模式仍沿用傳統的人工現場模式。此模式有其局限性，如售后服務標準不統一；分散型小客戶的需求總量經常占據銷售的大頭；頻繁地派出工程師到現場，增加了售后服務成本；機械裝備的核心零部件如伺服驅動電動機、控制系統和傳感器等在進貨、系統集成以及銷售后難以得到有效追溯。另外需要注意的是，機械裝備與計算機等控制系統的結合日益緊密，裝備的運行等主要靠計算機軟件支持，因此工作軟件缺陷的定期修復或者工作性能的提升等也變得日益重要。

對于解決上述售后服務過程中出現的問題，提升裝備制造企業的售后服務能力，減少售后服務成本，是注塑機企業的迫切需求。而結合了網絡化數控系統的應用，為裝備制造企業的遠程售后服務與技術支持提供了可能。

4. 注塑工藝優化與節能減排研究

這項研究主要包括在網絡化數控平臺上，根據功能要求確定控制程序和算法，以及檢測系統對工件的檢測結果進行自動選擇和實施最優的控制。另外，還對整個工藝過程進行了深入研究，利用網絡化數控信息化管理技術對各驅動部件的能源利用加以管理，動態調整功能部件的通電和休眠以及傳輸帶的速率等，在不影響安全、壽命和加工質量的前提下，降低注塑機的能源消耗。

擬解決的關鍵技術

1.數據接口標準化技術

目前，注塑設備品牌多、型號各異、協議差別大且通信接口兼容性差，機臺基本獨立運行，運行過程中自身的狀態信息難以傳達給MES，因此需要研發一套能將設備與MES系統連接的中間件，從而將機械本身的狀態信息顯示于MES，實現企業生產車間的信息化管理，提高企業的生產和管理水平。

網絡化數控軟硬件體系結構示意圖

2.網絡化數控系統的實時性技術

這是需要解決的關鍵技術之一。實時性主要包括了計算的實時性和通信的實時性兩個方面。計算的實時性主要取決于處理器性能和軟件的優化。而通信的實時性主要依賴現場總線通信網絡的通信機制和帶寬。由于數控系統采取串行通信方案，因此通信延遲成了決定系統實時性的主要因素。在系統設計過程中，需要首先確定各主要環節對采樣實時性的需求，并確定負載數量。由于網絡化數控采取了類似PLC的循環采樣方式，因此處理器性能可否支持最小采樣間隔是重點。在現場通信方面，擬采用實時工業以太網技術。目前，國內外有多種實時工業以太網，在選擇的時候，既要考慮其技術性能又要考慮其全球廠商支持程度和未來發展的趨勢等。

擬采用的方法、技術路線及工藝流程

本數控系統的研究分為針對機械裝備的網絡化數控系統方案的選型、制造執行系統MES的開發和生產工藝優化等幾個部分。

目前，國際上具有代表性的網絡化數控系統是德國倍福公司的產品。該公司主要利用Intel X86處理器平臺，結合WinXPE和WinCE操作系統，以及德國CodeSys Runtime和自主研發的TwinCAT自動化軟件，為用戶提供能夠融合PLC、MC、CNC和HMI等功能的網絡化數控系列產品，但其存在價格昂貴和供貨周期長等問題。現在，國內有若干廠家開始利用Codesys技術開發與德國倍福公司相似的產品。這些產品在開發方式、軟件兼容性等方面都與倍福公司產品相似。但是，國內的產品尚處在起步階段，未經過大規模應用的考驗，因此本數控系統采取的技術路線是，先應用國際先進的產品技術方案搭建樣機，同步地也搭建基于國產網絡化數控產品（中科院計算所順德分所開發的網絡化數控產品）的樣機。

在現場總線方面，選擇EtherCAT作為現場總線通信方案，由于其具備實時性、先進性、開放性以及支持廠家眾多等優點，因此成為了本數控系統實現網絡化數控的首選。

在信息化硬件接口方面，國際上普遍支持工業以太網的方式。軟件接口方面，目前國際上主流的網絡化數控接口以OPC為主。基于此，此次研究將工業以太網和OPC通信作為數控系統與信息化系統之間的通信接口。

在機械裝備物聯網技術方面，擬采用SAAS服務模式，即在后臺開發機械裝備物聯網的服務運營中心。該中心可以為客戶提供賬戶和密碼。用戶登錄后，可以實時看到其遠程機械裝備的運營。同時還提供數據庫支持，可以查看機械裝備運營日志，診斷故障，幫助客戶更新軟件等。該系統的開發采用國內成熟的實時數據庫平臺和應用平臺做二次開發。同時還要集成視頻等應用。

機械裝備物聯網體系結構示意圖

特色和創新突破點

1.數控系統的特色

各注塑機單機之間以及各部分如注射、合模和驅動等都用高速現場總線互聯，通過利用高速實時現場總線技術，使得無論是注塑機單機還是多臺塑機之間都擁有控制系統部署簡便、通信可靠、連接電纜數量少以及自動化組建全球支持廠家多等優點。此外，整機還擁有對外的網絡通信硬件和軟件接口，方便接入各種信息系統。

注塑機可以在軟件上規劃工藝參數，并預存到工藝數據庫中，以滿足不同注塑工藝的需求，且能自動生成執行代碼，驅動機械裝備工作，使得機械具備智能化和柔性化的特點。本功能需要底層硬件的支持，要將一些需通過手工調整的機械工藝步驟轉換成自動調節，智能化軟件才能發揮最大效能。

值得一提的是，本系統可以接入機械裝備物聯網售后服務管理系統。

2.創新突破點

本數控系統中蘊含了幾項創新突破點，主要包括：

首先，是自動化技術與信息化技術的深度融合。利用通用處理器技術、軟運動控制技術和實時以太網技術，將注塑機用到的自動化技術如PLC、MC、HMI和CNC等功能和產品在統一的軟硬件平臺上高度整合為網絡化數控系統。控制主機與伺服單元之間通過現場總線驅動，極大提高了機械的性能。同時，該網絡化數控系統具備信息化軟硬件接口，可以無縫連接物聯網售后服務管理系統和MES系統。在工作過程中，遠程監控終端也可以“一網到底”對驅動等核心部件加以監視甚至實施在線狀態修改、機械遠程診斷和軟件更新，以滿足現場和柔性工作的需求。支持手機、PAD等無線移動終端。

其次，能實現注塑機裝備機械的聯網。客戶可借互聯網的強大優勢，將工廠內所有應用此款控制器的機器進行高效的生產管理、工藝、調校和品質檢測等各項資源整合。具有無線網絡功能，可實現對生產過程的監控和信息管理，讓客戶充分享受到資訊化的高效與方便。利用高速以太網路或是無線網絡作為傳送界面，把注塑機與中央伺服器連接在一起。注塑機在每一個周期中的注塑參數均傳送至伺服器，利用內聯網及互聯網的功能，公司內部員工只要有足夠權限，便能在公司內的電腦得知各臺注塑機的生產情況；而身在外地的管理者，更能通過互聯網進行遠端車間監控，甚至作出生產排程的更改及排單報表。

第三，能實現注塑機向更高的控制精度發展。通過網絡傳輸數據，速度、精度和控制系統的數據處理速度等都有了很大的提升，這樣一來注塑機整體的運動精度也顯著提高。

最后，由于數據接口標準化，因此可以將具有標準接口的智能傳感器接入控制系統，實現注塑機的智能化發展。