印刷网络化解决方案中工控机系统的设计与实现

何亮+陈宇辉+江浔+曾宇鹏

目前轮转胶印机普遍存在电气故障率高、维护繁琐、维修费用居高不下的难题，并面临因关键电气部件停产，部分机械状态良好的轮转胶印机将沦为一堆废铁的潜在风险。因此，有必要在现有轮转胶印机的控制系统基础上，研发一套印刷网络化解决方案。本文所研究的工控机系统，就是该解决方案的核心部分，为维护现有轮转胶印机，延长其使用年限，降低设备故障率，奠定了坚实基础。

印刷网络化解决方案与工控机系统

1.印刷网络化解决方案

印刷控制技术的网络化解决方案是指利用计算机技术和网络技术实现印刷生产流程、企业信息管理的网络化。该解决方案由工控机系统、单元计算机系统、总线系统以及嵌入式可变印刷自动套准系统4部分组成。其中，工控机系统是整套解决方案的核心部分。通过印刷控制技术网络化解决方案的实现，最终达到与印刷企业ERP系统进行无缝衔接的目的，进而实现印刷企业的信息管理与生产流程控制的一体化。

2.工控机系统

工控机即工业控制计算机，是一种采用总线结构，可对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具的总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。在印刷网络化解决方案中所设计、实现的工控机系统，需要与轮转胶印机控制系统的信息单元相对接，能够形成、处理、发出轮转胶印机所能接收和辨识的各类控制数据。

工控机系统作为轮转胶印机网络化控制系统（印刷网络化解决方案）的上位机，属于控制系统中关键的组成部分，承担了轮转胶印机控制系统人机交互的作用，不仅负责将操作人员的具体操作指令经过总线控制系统传达至对应的单元控制部件（UC），还需要处理各控制单元反馈的信号和信息，将轮转胶印机当前的状态实时反映给操作人员，此外还担负着优化轮转胶印机印刷参数的责任。

工控机系统的构成及功能

根据工控机系统在轮转胶印机网络化控制系统中的作用，其应涵盖的功能包括：轮转胶印机操作、轮转胶印机油墨预置、轮转胶印机远程操作与监控、轮转胶印机故障诊断和轮转胶印机运行状态监视等功能。工控机系统的结构示意图如图1所示。工控机系统及所运行的系统软件应具有五大主要特性：开放性、实时性、网络集成化、人机界面更加友好、多任务和多线程性。

基于网络化控制的工控机系统的主要构成部分有：操作指令控制台、工控机服务器、油墨预置服务器、网络输出与总线输入转换设备（即单元计算机）及其他相关的网络设备。印刷数据通过网络传输至工控机服务器，并通过工控机服务器分发至操作指令控制台，操作人员通过操作指令控制台的交互操作，将轮转胶印机操作指令通过总线系统，经过网络输出与总线输入转换设备发配到印刷机各控制单元，由此完成一系列的印刷操作；同时，前端印刷油墨数据经网络传输到油墨预置服务器，经过油墨预置服务器处理后的油墨信号将实时配合操作指令控制台的印刷指令，发送至印刷机的油墨控制单元，完成印刷数据油墨预置等运行操作。图2为基于网络化控制的工控机工作过程。

除了满足功能的需求外，工控机系统还必须考虑实际运行需求，如工控机系统应不间断运行、轮转胶印机运转会引起共振、碎纸屑会污染环境等因素。因此，相对于普通PC设备而言，工业级的工控机系统最重要的特性是超强的稳定性，工控机系统的硬件必须符合能长时间平稳运行的功能要求。

工控机系统的可选方案

大型印刷机的工控机系统采用总线结构，包括系统过程输入、输出通道两部分。工控机系统的主要类别有IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）和 NCS（网络化控制系统）。基于工控机系统组件间的信息通道媒介，网络化控制的工控机系统设计方案有如下3种。

1.使用TCP/IP和ARCNET实现工控机系统

较多轮转胶印机控制系统的架构是印刷机的印刷操作指令通过工业级TCP/IP和ARCNET来传送到各个信息系统。这种方案能够适配各种旧型轮转胶印机的总线，使得工控机系统的实现较为简单。

其中，ARCNET的网络连接速率一般是2.5Mbps，这一速度不能满足网络化控制对数据传送速度的要求，并且ARCNET网络容易受到干扰，会影响系统的稳定性，因此本方案不能满足网络化控制系统通过网络读取各种生产要素信息的要求。

2.采用普通双绞线连接的以太网实现工控机系统

将整个轮转胶印机控制系统的架构通过以太网实现，工控机与轮转胶印机系统各个部分通过普通的以太网进行连接。

3.采用光纤连接的以太网实现工控机系统

使用由光纤连接的以太网来连接工控机与轮转胶印机系统的各个部分。工控机与轮转胶印机系统的各个部分通过光纤模块收发信号。

该方案能极大地提高数据传输速度以及稳定性，但为适应采用光纤连接的以太网的速率以及接口，必须对控制系统总线进行较大的改造，加上以太网采用光纤连接会产生高昂的成本，从而使得这个方案的造价太高。

因此，基于整体性能与价格两方面的考虑，方案二采用双绞线连接的以太网来实现工控机系统，既提供了稳定且高速的数据连接链路，而且解决了网络化控制系统的网络吞吐量、数据传输率、误码率等难题，满足了网络化控制系统的设计要求。

根据网络化控制系统的设计要求以及对于采用普通双绞线连接的以太网实现工控机系统方案的考虑，工控机系统的整体设计结构有两种方案。

第一种方案，为了避免工控机的单点失效，在工控机系统中设置了工控机的热备机；热备机与主工控机硬件配置一致，并且并联至相同的以太网链路。一旦主工控机出现故障，热备机可以实时启动以维持生产，杜绝单点故障发生。每组操作指令控制台均通过以太网与工控机连接，工控机作为其服务器。同时，工控机和油墨预置服务器通过以太网控制系统的其他部位。企业其他管理系统也可以通过以太网从工控机获取实时的相关生产信息，例如ERP系统等。这种方案的投入成本属于轻量级，并且基本能满足一般印刷生产要求。

第二种方案，针对每组操作指令控制台都部署一台相应的工控机，工控机作为操作指令控制台的服务器。通过使用闪存卡的存储技术，可以根据闪存卡加密狗插配工控机，随时切换任意一台工控机作为主工控机，其余则为副工控机。同样，连接控制系统所有部分的链路都是以太网，所有的主副工控机都存储了同样的控制系统，因此，企业其他管理系统能够从多个渠道获得实时的生产信息，大大增强工控机系统的信息承载能力。同时，这种架构部署方式能够大大减轻主工控机的负载压力。

这两种方案都能满足轮转胶印机网络化控制的需求，但是方案二能提供更加灵活的故障处理方式，并且给操作人员更加流畅的操作体验。在未来网络化控制系统信息量日益增长并且成本接近的情况下，方案二较方案一具有更优的架构和功能扩展性，是印刷网络化解决方案的最优选择。

工控机系统的硬件结构

在设计方案中，印刷机系统服务器和操作指令控制台的控制器需常年运转，电气零件使用几年之后寿命就会缩短，尤其是需要旋转的零件，例如风扇和硬盘。另外，工控机内部硬件配置设计如果遵循传统工业PC的“主板+物理硬盘+内存”的老旧硬件配置设计，系统将有可能因本身潜在的硬件及功能隐患，出现无法预计的故障。因此，工控机系统需选择符合要求的硬件，根据链路设计连接方式以及结构进行部署，同时也要考虑实际生产环境。

我们从工控机硬件配置、操作系统软件、操作台与印刷设备间的数据通讯以及避免单点失效等方面，对工控机系统进行了深度的研发改造。其中，工控机硬件设计具有以下特点。

1.启用没有旋转的零件

启用没有旋转的零件，例如硬盘和风扇，降低因物理环境所造成的故障风险。

2.使用闪存卡作为存储设备

使用闪存卡代替物理硬盘的存储方式具有诸多优点。一方面，操作指令控制台服务器程序都保存在闪存卡中，一旦工控机发生故障需要更换或重新安装程序时，可以快速完成故障恢复，操作简单并且可减少机器故障率。另一方面，会使得工控机的切换更加简单，通过闪存卡的插入或拔出就能将任意一台工控机设置为主工控机或副工控机。

3.提升油墨预置服务器的稳定性

在对油墨预置服务器进行设计时，提升服务器配置，并且部署一台同样配置的服务器作为热备机来保证油墨预置服务器的稳定性。同时，两台服务器均设计使用Raid磁盘阵列来保证服务器有足够的I/O能力，热备机与主服务器实时同步数据，进一步提升系统的高可用性。

4.其他特点

包括使用新一代硬件，如CPU、RAM等，使控制系统更稳定、处理速度更快；降低计算机、控制器故障（死机）率，提高生产效率，并减轻维修人员的工作压力。

根据上面特点和需求分析，工控机系统相关硬件指标参数如表1所示。

工控机系统的优点

基于采用以太网通信链路的工控机系统，通过主、副工控机结构的部署将极大提高系统的可靠性，为安全生产提供可靠保障。在建设和实施过程中，通过对生产设备的信息化改造和网络链路的提升，通过网络化控制的工控机系统最终可实现对整个生产工艺参数数据的实时采集，油墨缸集控、工艺参数自控（温控、速控、张力自动控制、水墨混合比例调控等）、品质参数自控（废报率、药水pH值自检记录）等功能；将公司信息管理系统中的生产指令和生产计划，逐层落实到作业计划、作业标准、工艺指标和生产指令中，并最终下达给自动控制系统，再通过数据采集，将自动控制系统的实时信息，逐级反馈、汇总、分析，最终返回信息管理系统中；彻底解决印刷机控制信息系统与管理信息平台的数据交互接口问题，使决策者能通过企业综合管理信息平台实时了解印刷设备的运维情况，提高生产效率和降低生产成本。

综上所述，网络化控制的工控机系统，打破了公司信息管理系统与印刷机之间信息孤岛的壁垒，将两者连接成为一个有机整体，进一步提高了公司控制系统下达、执行、反馈、分析的综合能力，促进了企业生产制造流程的整体优化，提升了公司对于生产重要环节的控制水平。