注塑機先進網絡化數控系統淺談
2018-3-27 來源：震雄集團，廣東深圳 作者：黃俊軍
摘要:本文闡述了注塑機國內數控制系統在設計水平上的不足而歐美控制系統的網先進性和網絡化已經成為了當今注塑機控制系統的潮流。同時也闡述了網絡化數控系統與信息化融合發展的注塑機控制系統是新趨勢。
關鍵詞: 注塑機、網絡化，信息化，自動化、數控系統、EtherCAT、現場總線、非線性
1、前言
注塑機是塑料加工領域的關鍵設備。中國是全球最大的注塑機制造國，也是全球注塑機保有量最大的國家。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。雖然上述兩種方法可以完成注塑機的正常運行，但是該種控制系統存在以下不足:控制系統實時性差，速度慢，控制精度不高，開發周期長，保養維修升級困難。另外，注塑機正朝著高速、高效、低能耗和高自動化的方向發展，這就要求注塑機具有完善的自動化控制與調節系統，以確保對注射成型過程的工藝參數實行高重復度、高靈敏度的可靠性。
當今國際高端注塑機的控制裝置正朝著智能化、模塊化、簡便化發展，長期以來，國內市場的高檔注塑機的控制系統都是從國外進口，缺乏自主知識產權，目前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，本項目的目標是以自主研發的具有國際先進水平，融合PLC, MC, HM工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，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系統。這也是當前我國裝備制造行業迫切需要解決的問題之一，它對提升產業的技術水平，提高產品的附加值有著重要而深遠的意義。
此外隨著金融危機、原材料、能源成本和勞動力成本的快速上升，中國制造業正而臨著嚴峻的挑戰。利潤率低，招工困難、工人管理難等問題逐步成為困擾我國制造業進一步發展的重要制約因素。注塑機是制造業的基礎裝備之一，我國擁有全球最大的注塑機保有量。制造業企業迫切需要利用自動化技術和信息化技術提升業工廠的管理水平，提高生產線率，節約能源和原材料的消耗。這些都要求注塑機等制造業裝備所使用的數控系統具備網絡化和信息化接口，具有接入制造執行系統MES的能力。MES等先進制造信息化管理技術，可以實現管理生產車間的機械裝備、生產過程，實現對生產過程的全程信息化監控、數據自動采集、統計和分析，對機械裝備故障和制造過程問題的遠程排查、生產過程能源管理等。目前沿海一些城市一些國際知名的家電制造商，均提出了對注塑車間進行信息化聯網改造的需求。然而由于這些車間所大量使用的注塑機不具備網絡化和信息化接口，尚難以直接利用現有注塑機的數控系統實現車間的聯網和信息化管理等工作。因此具備信息化接口的注塑機網絡化數控系統是未來注塑機以及其他裝備數控技術的發展方向，是工業化和信息化兩化融合的具體結合點，對我國產業的轉型和升級具有深遠的意義。
2、國內外注塑機控制系統技術發展現狀與趨勢
2.1 注塑機數控系統發展現狀與趨勢
目前，國內應用于注塑機的數控系統技術路線五花八門。主要的類型包括PLC、單片機等。這些控制器所采用的處理器和操作系統和技術路線樣式繁多，技術方案五花八門。這些產品的編程方式也是五花八門。有利用工EC61131 - 3語言編程的PLC。也有利用C, C十十，MFC編程的產品。此外，這些數控系統的通信方式也是五花八門。有利用脈沖通信的，有利用低速串口通信的，如RS232, RS485等。有利用CAN總線通信的，還有利用各種以太網協議通信的。許多注塑機制造企業，自動化、信息化技術應用能力薄弱，企業為供應商的系統。而這些系統往往又采用了不同的技術路線，不同的現場總線標準和不同的編程應用環境。由于控制系統龐雜，這就給許多注塑機制造企業售后服務和維護帶來了極大的困難。此外，許多企業開發的注塑機數控系統不具備網絡化通信能力，難以接入車間信息化管理系統。
當前國際上機械裝備控制系統一個大的發展趨勢就是走網絡化數控的道路。由于摩爾定律主導的微處理器技術的快速發展，處理器性能在飛速提升的同時，價格卻在不斷下降。這就使得過去需要專門硬件實現的PLC, MC, CNC, HM工可以在統一開放的高性價比計算平臺上通過軟件實現。即利用通用處理器平臺和自動化軟件中間件，將PLC、運動控制器、數控系統等功能全部整合(ALL一工n-One)。除了整合自動化技術外，利用通用處理器的計算能力，還同步實現人機界而和網絡通信的能力。從而成為具備高性能網絡通信能力的計算機數字控制系了降低成本，往往在一個企業內，同時引入多家數控系統統，即網絡化數控系統。在編程環境方而，這類數控技術均采用了工EC61131-3語言標準，即兼容PLC的編程方式。編程環境與處理器和操作系統無關。這就為這類系統在機械裝備行業的廣泛應用奠定了堅實的基礎，成為了注塑機等機械裝備控制系統未來發展的趨勢。
國際上具有代表性的網絡化數控系統是德國畢孚公司的產品。該公司主要利用工ntel X86處理器平臺，結合WinXPE和WinCE操作系統，并結合德國CodeSys Runtime和自主研發的TwinCAT自動化軟件，為用戶提供了能夠融合PLC, MC, CNC, HM工等功能的網絡化數控系列產品。畢孚公司與德國ETG組織結合，主推基于EtherCAT的實時現場總線。由于EtherCAT技術的先進性和開放性，目前全球支持EtherCAT現場總線的廠家多達100多家。主要產品覆蓋了網絡化數控系統、伺服驅動、變頻器、工。、高性能傳感器等。主要的廠家包括了德國包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本安川等頂級的自動化配件廠家。在信息化方而，畢孚的網絡化數控接口主要以OPC為主。同時該公司還開發了EtherCAT到主流現場總線的轉換網關。從而使得畢孚的產品可以幾乎應用于工業的所有領域。由于其開放性，用戶可以利用EtherCAT標準和TwinCAT或者Codesys平臺，自由選擇全球主要自動化供應商的配件加以集成。從而在全球逐步形成了以EtherCAT為標準的松散的全球開發者聯盟。畢孚公司的網絡化數控產品已經廣泛應用于注塑機、木工機械、風力發電、光伏裝備、工業機器人、樓宇自動化、石油、化工等幾乎所有的工業領域。除了畢孚外，德國的包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本的安川、美國的派克等公司也都大力研發和推廣技術路線非常類似的網絡化數控系統產品。這些公司的其他產品，如伺服驅動、變頻器、閥門等在EtherCAT平臺和標準上也能夠相互兼容。這類開放和具備靈活搭配組織能力的網絡化數控技術，在國際自動化和信息化市場上正方興來艾。
此外，包米勒、路斯特、穆格等公司還根據市場的需求，開發出可以嵌入伺服驅動的網絡化數控運動控制卡。這類運動控制卡采用了嵌入式處理器，但仍然采用了軟PLC, MC, CNC等相融合的技術。并且利用伺服驅動的計算能力，可以擴展工0和網絡。這類嵌入式的網絡化數控技術，可以進一步簡化產品的硬件結構，降低某些行業和應用的成本。
網絡化數控技術在塑料機械應用方而，目前震雄集團公司走在了國內同行的前列。該公司于2009年既利用德國畢孚公司的TwinCAT自動化軟件平臺和EtherCAT實時以太網技術，在基于PC的工控機平臺上開發了國內首臺基于網絡化數控的全電動注塑機數控系統取得成功。這一成功也引起了國內同行的普遍關注。然而由于國外數控平臺成本高昂，限制了這一技術在注塑機行業的推廣和應用。
圖1 五花八門的控制系統
圖2 網絡化數控技術對自動化產品的整合
2.1 網絡化數控系統與信息化融合發展的新趨勢
由于網絡化數控系統采用了通用處理器和通用操作系統平臺，這就為數控系統與MES等信息系統的直接融合創造了條件。網絡化數控系統通常具備兩類通信網絡。一類是而向現場的現場總線。當前，高性能實時工業以太網現場總線技術，如EtherCAT等將取代傳統模擬電壓或者脈沖信息傳遞方式得到廣泛應用。利用實時以太網可以直接連接傳感器、伺服驅動、變頻等數控系統周邊設備。其性能已經達到或者接近計算機插卡的水平。但由于這類方式連接靈活，電纜數量少，擴展方便，具備分布式安裝等一系列的優點，在機械裝備特別是大型生產線領域得到廣泛應用。此外，網絡化數控系統通常具備接入以太網的能力。除了實時控制底層硬件外，還具備和信息管理系統通訊和接口的能力。利用網絡通信能力的支持，機械裝備融入信息化管理系統如MES, ERP，并且也將成為未來數字裝備信息化的基本形態。
目前國際上主流的網絡化數控系統都能夠通過編程，采集機械裝備和各外圍網絡連接部件的工作狀態，采集生產信息。并且都具備將信息通過網絡發送的功能。支持TCP/工P甚至HTTP等網絡協議。利用這些網絡化數控系統和技術，可以非常方便將機械裝備接入MES管理系統。甚至生產信息的采集可以直接利用機械裝備的數控系統，而不需要額外再增加數據采集端。這些都使得網絡化數控等先進自動化技術與MES等信息化技術具有非常好的融合能力。
3、先進網絡化數控系統產業化前景分析
國內注塑機生產企業的控制系統大多依靠外購或者合資研發，而這些控制系統大都只適合應用于低端機器，高端機器上的控制系統很大部分是進口的。針對用于高端機器控制系統的解決方案，目前為比我國大部分注塑機企業還沒在以上研發出可以產業化的產品來。現在大部分有實力的企業而臨設備的更新，所以網絡化數控系統注塑機是這些企業的首選。產品預測在市場的占有率會大于30%.
4、結論
隨著計算機技術、網絡技術的日益普遍運用，注塑機網絡化數控系統向網絡化、集成化已成必然的趨勢和方向，互聯網進入注塑制造工廠的車間只是時間的問題，數控系統技術的高低關系到國家的戰略地位和綜合水平，數控網絡化是實現網絡化制造的關鍵技術。
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