基于EtherCAT協議的輻照工藝設計

摘要：隨著社會生產的發展，傳統制造業逐步邁向數字化和智能化。在線材輻照工藝中，傳統的輻照工藝設備分布離散，系統集成度不高，難以獲取完整的生產過程數據。為了實現更高效的數字化管理，文章基于EtherCAT協議，設計了一套集成度高、響應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數據接入制造執行系統（MES），實現了輻照加工的數字化管理。

關鍵詞：EtherCAT；線材輻照；在線換盤；MES

中圖分類號：TP272 "文獻標志碼： A

0 引言

傳統線材輻照加工工藝的控制方式為離散式［1］。系統由收放線機、束下工藝設備和儲線架等獨立的機構組成，通過物理線路進行連接。這種設置導致系統集成度低，數據獲取困難，無法有效與制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）連接。此外，單臺設備的自動化水平有限，通常依賴傳統的繼電器控制和通過傳動板進行的變速控制。在這種情況下，系統故障后的故障排查較為困難，設備狀態的可視化效果差，不利于產品質量的追溯。

1 輻照工藝介紹

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

1.1 束下設備

束下設備是輻照工藝的核心模塊，起到對接電子加速器的作用，根據電子加速打出的電子束流強度來調整束下輥筒的速度，使加工線材獲取穩定的輻照劑量。其中，束下輥筒是束下設備的核心，通過它的轉動來拉動放線儲線架中的線材進入束下區域進行輻照處理。

1.2 收（放）線儲線架

放線儲線架作為緩沖機構，當束下輥筒轉動時，將線材從放線儲線架拉入束下區域。由于放線儲線架的位置偏低，需要放線機主動快速放線，以保持儲線架的位置穩定。收線儲線架接收輥筒傳出線材，其位置偏高，需要收線機主動快速收線，保持收線架位置穩定。

1.3 收（放）盤機

收（放）盤機通過隨動調整，確保線材在整個輻照加工過程中的穩定運行。放線機在放線儲線架位置偏低時主動快速放線，收線機在收線儲線架位置偏高時主動快速收線，確保儲線架位置始終處于平衡狀態。

整套線材輻照加工系統通過束下輥筒的主導作用和外部收放線機的隨動調整，實現了線材在輻照過程中的穩定傳輸。儲線架作為緩沖機構，有效協調了放線和收線的速度，確保了線材在輻照處理中的連續性和穩定性。通過這種精密的控制系統，輻照加工過程能夠達到高效且穩定的效果。

2 基于EtherCAT的系統方案設計

2.1 EtherCAT介紹

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種開放性強、高性能、低成本且兼容以太網的技術［2］。自2014年轉化為中國推薦性國家標準以來，EtherCAT技術在工業領域的應用越來越廣泛。其最大優勢在于性能高，基于EtherCAT工業的以太網絡的100個分布式I/O數據的刷新周期僅為3 μs［3］。下面介紹EtherCAT的以太網絡特點。

2.1.1 高效數據傳輸

EtherCAT通過“處理即讀/寫”（Processing on the Fly）的技術，直接在網絡幀中處理數據，減少了數據傳輸延遲。

2.1.2 精確同步

EtherCAT使用分布時鐘技術，可以實現亞微秒級的節點同步。整體的同步時鐘得到很好的校準，使多個從站的同步差異低于1 μs。

2.1.3 經濟高效

由于EtherCAT使用標準的以太網硬件，無需專用的通信芯片，降低了系統的硬件成本。此外，其高效的數據處理能力也減少了網絡帶寬的需求，進一步節約了成本。

2.1.4 簡單應用

在實際應用中，EtherCAT相對簡單，只須對遠程I/O和伺服進行地址分配及數據映射，編程與傳統可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）相似。

2.2 系統方案設計

本方案主站的PLC采用匯川AM403控制器，可帶16個軸的EtherCAT伺服驅動器。下設15個從站，EtherCAT總線上依次掛載束下伺服、放線架相應模塊、放線機相應模塊、收線機相應模塊、收線儲線架相應模塊。同時，PLC配備8口交換機，分別接入束下觸摸屏、收線機觸摸屏、放線機觸摸屏，接入公司的MES網絡。具體布局方案如圖2所示。

該方案設計了一套基于EtherCAT協議的工業總線輻照加工工藝，具有高度集成、自動化和可視化的特點。系統布線減少了30%以上，大量信號通過總線進行數據交換控制，系統構造簡潔明了，有利于后期維護。

程序規劃分為EtherCAT協議高速循環程序和普通控制循環程序。系統由5臺設備組成，每臺設備均包含一個軸控的EtherCAT程序和普通控制程序。

3 系統工藝設計

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字量信號與束下PLC交互，提供束流強度信號和故障信號等。主站PLC通過數字量信號控制加速器束流的上升、下降及緊急停機。

交互流程如下：電子加速器和輻照工藝系統準備就緒，束下控制柜給出束流上升信號，電子加速器開始升束流；根據產品參數計算束下輥筒轉動速度，通過EtherCAT控制束下伺服軸運行。

3.2 收（放）線儲線架

收（放）線儲線架是放線機和束下輥筒之間的緩沖儲線機構，同時也是放線機的速度反饋調整機構。遠程模塊掛載至EtherCAT網絡，包括本身的基礎控制IO模塊。儲線架由實際位置反饋的AD模塊以及張力控制的張力伺服軸組成，根據主站PLC的收（放）線架程序塊進行控制，其基本功能包括儲線上升、下降、張力調整、斷線功能等檢測。

在該方案中，立式儲線架的儲線高度為4 m，儲線圈數為10圈，實際儲線為80m。當工藝速度降至80 m/min時，員工有1 min的時間進行換盤操作。本機為雙工位，僅停掉當前空盤工位，將線頭接至備用工位并啟動備用工位，在線換盤用時不超30 s，員工操作時間充裕。

收（放）線儲線架位置由電位器進行反饋，在該方案中，安裝10圈電位器，反饋電壓為0～10 V。系統設置5 V電壓為運行狀態平衡點，即儲線架中間位置。程序根據平衡點位置進行比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）運算，調整收（放）線機伺服軸轉速，以保證儲線位置恒定。

儲線架張力是重要的工藝參數之一，保持合理的張力可以杜絕線材的拉伸，同時避免線材在儲線架或束下輥筒上松散［4］。如果線材松散，那么會造成絞線、束下打滑等現象以及線材拉斷或無法牽出等狀況，將產生大量廢品。該方案采用匯川EtherCAT伺服控制張力，張力控制精度可達0.2%，張力大小由束下PLC統一控制。

3.3 在線換盤功能

收（放）線機遠程模塊掛載至EtherCAT網絡，包括控制IO模塊及收（放）線伺服軸。收（放）線機主動追蹤儲線架位置，通過PID算法調整伺服轉速，具有排線伺服功能。收（放）線機功能包括機體上升、下降、夾線機構、束流上升、停止、下降信號以及在線換盤功能。同時，收（放）線機配備觸摸屏，對系統重要運行參數進行設定，包括電子加速器束流大小、產品輻照劑量、束流升降停狀態、換盤運行指示、儲線架當前位置等相關參數。操作員在收（放）線機觸摸屏中可觀察整個系統的運行狀態，設定所有參數。

當傳統加工工藝換盤時，系統須要停掉加速器，進行停機換盤。任何品牌的電子加速器在進行一次停止再啟動的操作過程中至少需要消耗6 min的時間。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，對電網及加速器自身元件均產生沖擊。同時，啟停段的產品劑量不穩定，影響產品質量。因此，該方案應考慮在線換盤功能，避免加速器停機，提高生產效率及產品質量。以放盤即將空盤為例，在線換盤流程如圖3所示。

當放盤即將空盤時，工作人員須要按換盤啟動按鈕激活換盤程序。當換盤程序激活后，儲線架平衡點系統內設置為9 V，即等效于儲線架高度的90%，此時放盤機通過PID調速使儲線架保持在新的平衡點位置。同時，程序給出束流下降的信號，當儲線架調整至新的平衡點時，程序給出束流下降信號，使加速器束流降至設定低位。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，系統處于低速運行狀態。在當前工位線材耗盡時處于盤底狀態，系統停掉當前的工位，在程序內激活捆綁的夾線功能，定住線尾，切斷當前工位與儲線架的PID調速程序。束下直接拉動儲線架內線材，在儲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。根據前文分析，當儲線為80 m、工藝速度降至80 m/min時，工作人員有1 min的換盤操作時間，完成后按下換盤停止信號，當前工位運行放卷。激活當前工位與儲線架的PID調速程序。此時，在程序內有序復至5 V儲線架中心平衡位置，加速器束流上升至運行設定值，系統重返至高速加工狀態。

3.4 輻照工藝接入MES

MES是提高企業信息化水平和競爭力的一種生產管理系統。根據生產工藝及車間特點進行二次開發的生產制造管理系統，實現生產過程的智能化、可視化、自動化。

本套輻照工藝實現全自動化流程，設備集成度高［5］，全數據可操作，據此可完全接入MES。MES根據預設規則、交期、生產情況自動排單，無須員工手動排程，可直接將排單信息發送到工藝主PLC上，通過觸摸屏查看須要生產的產品單號。工作人員在找到待加工的產品后，通過掃描槍掃描產品工單，與MES進行核對。MES在核對排單產品無誤后，查詢工單參數數據庫，直接將工藝參數下發至現場主控PLC進行生產，無須工作人員手動操作。同時，在生產過程中對現場生產數據實時記錄，保證產品加工質量，在生產異常的情況下，MES可直接給出現場設備警告，避免生產事故。

4 結語

本文摒棄了傳統輻照加工工藝的離散式設計，基于EtherCAT協議設計了一套集成度高、可接入MES的1進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，工藝系統可擴展至4進4出16工位的生產工藝，生產效率可提升3倍以上。

本套系統將5臺分體設備融合在一套EtherCAT總線控制系統中，簡化各設備之間的布線，僅需網線將5臺設備依次串聯起來，提供高速穩定的實時反饋信號和伺服軸控。現場施工布線減少30%以上，控制接線簡單、維修難度低、運維成本低。系統元器件均采用國產匯川PLC及驅動器，全面實現了系統國產化，在低價高質量的前提下保證了系統的穩定運行。在實際的生產使用過程中，其控制及響應速度要優于其他工業總線，故障率低，深受實際生產車間的好評。

參考文獻

［1］王歡.電子束輻射交聯PE/EVA基熱收縮材料及其性能研究［D］.揚州：揚州大學，2017.

［2］楊斌.基于EtherCAT和PLC的多功能開關壽命測試系統［J］.中國儀器儀表，2024（2）：67-72.

［3］李宗坡.基于EtherCAT的主站系統設計與優化［D］.廣州：廣東工業大學，2022.

［4］浦敏.熱縮材料輻照控制系統的設計［D］.蘇州：蘇州大學，2008.

［5］張韜，劉康，廖映華.基于EtherCAT協議的FMS多設備實時數據采集技術［J］.機床與液壓，2022（1）：112-116.

（編輯 沈 強編輯）

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