基于BECKHOFF IPC的GD包装机组控制系统设计

郑小珍，戴建国，吴主峰

(1. 广东中烟工业有限责任公司广州卷烟厂，广东 广州 510000；2. 新天林科技实业(南京)有限公司，江苏 南京 211100)

基于BECKHOFF IPC的GD包装机组控制系统设计

郑小珍1，戴建国1，吴主峰2

(1. 广东中烟工业有限责任公司广州卷烟厂，广东 广州 510000；2. 新天林科技实业(南京)有限公司，江苏 南京 211100)

利用BECKHOFF IPC(工业控制计算机)的控制技术，根据GD包装机工艺特点，设计创新GD包装机IPC控制系统。IPC控制技术目前已经在M5，M8，FOCKE等机型上得到了广泛的应用，烟草机械集团技术中心和国内的几个主要卷烟设备生产厂家也已经准备大力发展这种控制技术。

工业控制计算机；包装机；控制技术

0 引言

随着电子技术的发展，烟草行业卷接包设备的控制技术已经步入第三个发展阶段，从最早的电路板控制，到国内目前广泛使用的PLC控制技术，以及MICRO Ⅱ控制系统，再到目前已经在卷接包设备自动控制上渐露头角的新型控制技术——基于IPC(工业控制计算机)的控制技术。IPC控制方式因具备计算速度快、控制精度高、稳定可靠、易于维护等优势，将在未来的烟机设备电控系统中逐步取代PLC和MICRO Ⅱ控制技术，成为烟机设备电气自动控制的技术革命。

目前国内烟草行业中GD包装机的控制系统主要采用MICRO Ⅱ控制系统，经过多年运行使用，发现此系统存在以下几个方面的不足：

1) 网络故障维护困难；

2) 用户参数备份、恢复较难，无法查询修改的信息；

3) 统计数据丢失；

4) 开发平台不易掌握；

5) 系统不开放，用户无法修改程序；

6) 使用成本较高。

由于以上的种种问题，很有必要对该控制系统进行重新设计。新设计后的控制系统除应保证原机正常生产功能外，系统还必须具有先进性，符合现代烟机控制系统发展的潮流，能够提供直观人机界面，具有计算机网络接口，能进行单机数采等。

1 设计原则

1) 简单化：去掉繁琐的控制回路，改变繁琐的控制逻辑，采用友好界面的操作系统；

2) 取消GD专用器件；

3) 确保工艺流程不变：保留原先的操作习惯以及按钮操作位置；

4) 设计、安装符合国家电气、机械相关标准，如参照了GT/T 2900.1电工术语，GB/T191包装储运图示标志等，产品能承受GB/T2423.10电工电子产品环境试验规定。

2 设计方案

针对上述的问题和要求，设计由一套独立的BECKHOFF CX1030系列控制器进行控制的系统。IPC控制技术利用工业PC机的CPU，采用国外先进的软件平台TwinCAT，取代传统PLC(如西门子PLC)、MICRO Ⅱ控制系统和线路板控制功能；采用基于EtherCAT工业以太网总线进行控制的控制架构，其高速EtherCAT 现场总线通讯速率达到100M，且兼容所有其他现场总线(如DP总线)，分布式控制更显优势；控制系统的软件接口支持微软标准(如支持ActiveX-组件、AdsOCX, DLL等)和自动化标准(如OPC)，系统很容易扩展。

BECKHOFF是基于PC的自动化控制系统,基于以太网的EtherCAT总线与上位机交换数据，CX1030 核心是用INTEL Pentium 系列CPU为核心处理器， 具体配置:时钟频率1GHz， 2个(10M/100M)RJ45接口，256M DDR RAM， 64M CF卡。 BECKHOFF CX1030系统中配有Profibus Lightbus EtherCAT等通讯协议，用于跟变频器，分布式I/O等具备以上通讯接口的设备通讯。开放性更好。BECKHOFF CX1030系统中把I/O按相应需求分为高速任务和常规任务，高速任务为包括编码器信号在内所有跟角度有关的I/O，连接高速I/O点的信号模块。 普通的输入模块的响应时间为3ms，而高速的输入模块的响应时间能达到10us，速度是普通模块的300倍，同时高速的CPU模块可以将传统PLC中的扫描周期由以往的3ms缩短为100us，这样可以通过在程序中处理将MICRO Ⅱ中的接近开关自检功能得以保留。而常规的任务则将对速度要求不高的信号连接到普通的输入输出模块，比如防护罩开关，按钮等。形成高低搭配的多任务系统，将新系统的优势发挥到最佳状态。

BECKHOFF IPC控制软件编程采用TwinCAT。其编程思想及过程为：

1) 消化原机图样，理解其控制逻辑；

2) 现场了解工艺操作过程，熟悉工艺流程；

3) 软件控制逻辑基本和原控制板逻辑保持一致，如信号连动、互锁、移位寄存器操作等；

4) 结合现场工艺对部分逻辑作简化、修改，使控制方式更简洁、合理；

5) 将其他外挂检测加入到现在的控制软件中。

3 新系统效果

经过现场使用，运行一直良好，不但比原机故障率大大减少了，而且维护成本也大大降低，操作也直观方便了。同时该系统检测功能也全面，使得烟包品质也得到了很好的控制。具有以下优点：

a) 技术先进

1) 采用性能可靠的西门子工控一体机组成人机界面，数据处理能力强；

2) 采用德国倍福的嵌入式IPC系统，速度快，具有超强的计算处理功能。

b) 功能完善、可操作性强

本系统除了具备系统原有的功能以外，还特增加了许多新功能，极大地完善了系统的设计性能，同时也大大方便了用户的使用与维修，新增加的功能主要包括：

1) 输入输出状态实时监控功能。

2) 软地址功能：对于传统的PLC而言，每个传感器或执行元件接到PLC的I/O模块上后，其地址在程序中就固定了，当某个I/O模块上的某路通道出现了损坏，如果想把接在该通道上的传感器移到其他通道上，则必须要修改该传感器在程序中地址。如果用户方不具备修改程序的条件，就只能通过更换整个模块的方式来解决问题，造成备件的浪费。软地址功能就是针对上述问题而设计。在改造后的系统中，每个传感器或执行元件的地址是在上位机上设定的，当模块上某路通道损坏后，维护人员只要把该通道上所接传感器移到其他空闲的通道上，并在上位机上更改该传感器的地址即可，这样既缩短了故障排除的时间，又降低了备件的消耗，同时回避了更改程序地址而带来的其他风险。

3) 传感器输出状态设定：工业现场所用的传感器的输出信号通常会有“0”有效和“1”有效两种，在无法修改设备程序的情况下，这两种传感器是无法直接互换使用的，比如当设备上某接近开关损坏时，如果以前坏的是常开的传感器，但维护人员手头恰好仅有常闭传感器，则无法直接用其去更换，假如该传感器是低速信号，还可以用继电器将其逻辑倒置，如果是高速信号，则只能等有了相同型号的备件再更换了。在改造后的系统中，传感器的输出逻辑可以在上位机上直接设定，当上述情况出现时，维护人员可以直接把常闭的传感器更换上去，然后在上位机上修改此传感器的输出特性即可，使得设备的维护更加灵活有效。

4) 输出手动测试功能。

5) 传感器状态实时记录和历史查询功能：该功能是把所有需要设定检测角度的传感器在360°内每1°的状态实时记录下来，并可查询这些传感器5个周期历史状态。这样，当某个传感器的检测角度出现偏差或者传感器的检测状态不稳时，维护人员可根据所记录的该传感器的历史状态来判断检测角度应如何设定，可极大的提高工作效率。

6) 传感器动/静态检测方式选择：动态检测方式指CPU在一定的角度范围内只要检测到传感器一次信号，就认为该工序的检测有效，这种检测方式主要是针对铝纸、商标纸、内卡纸等包装材料进行的，可以避免由于灰尘、传感器灵敏度等原因而引起的检测误报。与动态检测的方式相反，静态检测则是指CPU根据设定值在某一个角度上对传感器进行检测，一旦在该角度上未检测到传感器的正确状态，则立即认为检测失效，进行报警处理。正常情况下用静态方式检测，如果出现传感器或者材料在运动过程中有波动产生误检而不能很好解决的情况下则用动态检测就能很好的解决这问题，同时不影响检测功能有效性。

7) 参数记忆功能。

8) 数据初始化功能：恢复所有的数据，这个功能主要是防止参数被改乱后，或者参数丢失做的一个类似GHOST参数还原功能。还原的数据是最后一次的往还原备份里面写时的数据。增加了系统的抗风险性 。

c) 充分利用“网络自动重构功能”，网络维护简易、快捷，无需再重复关闭控制系统电源。

d) 改变统计方式，生产数据统计改由IPC控制系统来完成，OPC实时接收其统计结果，确保统计数据不丢失，确保主、辅机数据一致，确保数据的真实性、准确性。

e) IPC系统在参量备份方面做到了双保险：

1) 在OPC上进行备份，生成一个EXCEL文件，可对其进行查询和恢复参数设置；

2) 在嵌入式PC控制器CX1030(CPU单元)的CF卡生成两个XML文件，可对CF卡进行备份、恢复设置。

f) BECKHOFF IPC系统的开发平台采用BECKHOFF公司的TwinCAT PLC V2.11，编程语言符合IEC61131-3标准；具有丰富的调试、诊断工具，易于掌握。

4 结语

运行结果表明：本文提出的基于BECKHOFF IPC的GD包装机控制系统设计方案是非常成功的，同时按照该方案进行的GD IPC的工程改造也很成功，技术上、性能上完全达到国外新一代控制系统水平，这也进一步加强了进行国产化改造的信心，相信自己有能力做好设备的控制系统，而不一定非要依靠外国人！

[1] 李方园.《人机界面设计与应用》[M].北京：化学工业出版社2008.2.

[2] 俞国亮.《PLC原理与应用》[M].北京：清华大学出版社.

[3] 张运波.《工厂电气控制技术》[M](第二版).北京：高等教育出版社.

[4] 阳宪惠. 《现场总线技术及其应用》[M].北京：清华大学出版社, 1999.

[5] 彭瑜、何衍庆.《IEC 61131-3编程语言及应用基础》[M].北京：机械工业出版社, 2009.

Design of GD Packing Machine Supervision Control System Based on BECKHOFF IPC

ZHENG Xiao-zhen1，DAI Jian-guo1,WU Zhu-feng2

(1. GuangDong Tobacco Industrial Co.， Ltd.，Guangzhou Tobacco Factory, Guangzhou 510000，China;2. New Talent Science and Technology (Nanjing)Limited Company，Nanjing 211100,China)

This paper uses BECKHOFF IPC control technology and follows the characteristic of the process to design a new control system for GD packing machine. IPC technology is widely applied to the tobacco mechanisms, such as M5, M8, FOCK. This technology is greatly developed in tobacco machinery groups and some major tobacco machinery factories in China.

BECKHOFF IPC;GD Packing machine;control technical

郑小珍(1964-),女，广东紫金人，工程师,研究方向为电气自动化。

TH12；TP273

B

1671-5276(2014)02-0198-03

2013-06-17