B&R控制系統(tǒng)在吹塑機(jī)的應(yīng)用和改進(jìn)
一、前言
有著70多年吹瓶機(jī)生產(chǎn)歷史的考特斯公司是全球著名的中空成型機(jī)的生產(chǎn)廠商，它在該行業(yè)具有領(lǐng)先的技術(shù)和影響。2002年首次將B&R控制系統(tǒng)應(yīng)用于塑機(jī)行業(yè)，當(dāng)時(shí)B&R控制器以其運(yùn)算速度快，模塊體積小，可擴(kuò)展性能強(qiáng)及性?xún)r(jià)比高等因素而著名，安裝B&R控制器的考特斯機(jī)器也深受用戶(hù)的喜愛(ài)。
但隨著機(jī)器不斷的改進(jìn)和功能不斷的增強(qiáng)，運(yùn)用的器件等級(jí)越來(lái)越高，原來(lái)的控制系統(tǒng)就顯得捉襟見(jiàn)肘，機(jī)器的很多功能都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，控制器運(yùn)算速度已經(jīng)嚴(yán)重的阻礙機(jī)器的發(fā)展,改進(jìn)系統(tǒng)成了當(dāng)務(wù)之急。
二、原系統(tǒng)的配置及缺點(diǎn)
原系統(tǒng)的配置如圖1所示:
系統(tǒng)的上位機(jī)選用的是B&R Provit 2000系列的工控機(jī)，主要用于機(jī)器參數(shù)的設(shè)定和狀態(tài)顯示，機(jī)器的報(bào)警、壁厚曲線設(shè)定及跟蹤、配方數(shù)據(jù)均保存在這里。系統(tǒng)選用32M存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和參數(shù)。
主站選用的是B&R 2003系列CP476 中央處理器（CPU）作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，它控制機(jī)器運(yùn)行的整個(gè)工藝過(guò)程和運(yùn)算過(guò)程。通過(guò)CAN總線與上位機(jī)及系統(tǒng)從站交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸速度為250KB/S ，該模塊還具有4個(gè)通道的擴(kuò)展槽，可用于擴(kuò)展一些模擬量的旋入式模塊。同時(shí)通過(guò)底板還可以擴(kuò)展DM465 I/O 模塊，用于開(kāi)關(guān)量的讀入和寫(xiě)出。
系統(tǒng)從站主要是用于溫度控制，選用EX470通過(guò)CAN BUS總線與主站連接，該站擴(kuò)展有若干塊DM465模塊和AT664模擬量模塊用來(lái)控制加熱圈和熱電偶的信號(hào)采集。
通過(guò)以上描述可以看出，該系統(tǒng)的缺陷顯而易見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)配置增大時(shí)，首先CPU模塊的帶載就成問(wèn)題，我們的配置最多時(shí)主站達(dá)到6塊DM465，其次，CPU模塊的運(yùn)算速度達(dá)不到要求，即使更換2003系列最高端的模塊，也很難保證程序的正常運(yùn)行，更換更高端的CPU是我們的首選。原系統(tǒng)上位機(jī)配置的是IPC，但并不具備帶I/O的能力，只是作為畫(huà)面的顯示，資源并未得到充分發(fā)揮，它和主站CPU模塊有大量的數(shù)據(jù)交換，嚴(yán)重的占用了本來(lái)就不寬裕的主站的系統(tǒng)資源。軟件對(duì)通訊的編程也相當(dāng)?shù)臒┈崳绾螌?個(gè)CPU模塊合并為一個(gè)整體，是本設(shè)計(jì)的主要思路。
系統(tǒng)的打印歸檔和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能很弱，由于CP476采用的是RS232通訊，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程撥號(hào)很難撥通且速度很慢，再者，掉線事件頻繁發(fā)生，給系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)帶來(lái)了諸多不便。
基于以上的思路，新的系統(tǒng)選用PP400系列IPC做為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理單元，在機(jī)器上配置6個(gè)從站，安裝于機(jī)器的各個(gè)部位從而形成分布式的I/O總線結(jié)構(gòu)，人機(jī)操作的科學(xué)性和實(shí)用性于一體，系統(tǒng)的大小配置更加靈活。見(jiàn)圖（2）
PP481和IF797構(gòu)成系統(tǒng)的主站。PP481不僅僅是一個(gè)人機(jī)界面，同時(shí)它也是一款高性能的CPU，它的主頻為500 MHz， 帶有128KB的二級(jí)緩存，128MB的SDRAM。由于本系統(tǒng)中有多個(gè)高速的循環(huán)任務(wù)，比如：型胚壁厚控制、模架運(yùn)動(dòng)控制，吹針運(yùn)動(dòng)控制等，這些運(yùn)動(dòng)控制要求系統(tǒng)任務(wù)的循環(huán)掃描周期在2ms以?xún)?nèi)，而PP481支持高達(dá)400uS的循環(huán)周期。另外還有一個(gè)100M的網(wǎng)卡和2個(gè)USB口，為遠(yuǎn)程寬帶連接和屏幕拷貝帶來(lái)了方便。
系統(tǒng)從站1-3選用B&R XX436緊湊型模塊，它采用直流24V供電，4路模擬量輸入，4路模擬量輸出，8路開(kāi)關(guān)量輸入，8路開(kāi)關(guān)量輸出，其中4路輸出0.5A，4路輸出2.0A ，可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥和繼電器等。該模塊也可以連接計(jì)數(shù)器和高速增量式編碼器，采用X2X總線和主站連接，循環(huán)時(shí)間可達(dá)到200us，真正實(shí)現(xiàn)高速即時(shí)數(shù)據(jù)傳送。該站主要用于控制高響應(yīng)比例閥、線性位置傳感器（電子尺）和溫度傳感器（熱電偶）等。可以根據(jù)機(jī)器的具體配置靈活的選用從站的數(shù)量。
從站4—6由EX470和DM465構(gòu)成，這和原系統(tǒng)的從站是相同的，之所以這樣配置，主要是基于其可靠性和性?xún)r(jià)比。本站主要處理的是溫度控制、普通的液壓閥和關(guān)電開(kāi)關(guān)等，任務(wù)等級(jí)相對(duì)要求較低，因此系統(tǒng)總線的要求也不高，而EX470支持CAN BUS總線，數(shù)據(jù)傳輸速度能達(dá)到500KB/s，也可以根據(jù)機(jī)器的具體配置靈活的選用從站的數(shù)量。
由于考特斯機(jī)器種類(lèi)繁多，控制軟件也很龐大，經(jīng)過(guò)軟件實(shí)際測(cè)試，CPU的使用率大約在50%左右，系統(tǒng)運(yùn)行很安全。隨著我們機(jī)器的不斷改進(jìn)，以后可能要求程序循環(huán)時(shí)間會(huì)更快，貝加萊將提供PPC700工控機(jī)作為我們的備用機(jī)型，程序和硬件都不用做大的修改，方便且實(shí)用。
三、軟件功能的改進(jìn)
B&R系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是用一個(gè)編程軟件（Automation Studio）同時(shí)集成了可視化單元和I/O控制單元，對(duì)程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是非常方便的。
1、本次改進(jìn)的系統(tǒng)畫(huà)面幾乎全部重新制作，主要是因?yàn)樵瓉?lái)的SG3格式文本功能很弱，很多功能和硬件都不支持該方式。改進(jìn)成SG4格式，功能更齊全，畫(huà)面更加清晰，層次感強(qiáng)，便于報(bào)警和文本的編輯。
2、在系統(tǒng)配置里集成了VNC服務(wù)器（見(jiàn)圖3）。在IPC中添加VNC Server并為機(jī)器設(shè)置IP地址，在不增加任何成本的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)器的監(jiān)控和操作功能，提供兩級(jí)訪問(wèn)權(quán)限控制，一級(jí)權(quán)限是監(jiān)控機(jī)器狀態(tài)，該權(quán)限只能監(jiān)控，不能對(duì)機(jī)器操作。另一級(jí)權(quán)限是能對(duì)機(jī)器參數(shù)監(jiān)控和操作同時(shí)進(jìn)行。
3、首次引用了B&R軟件液壓庫(kù)。塑機(jī)的很多控制部件都是液壓驅(qū)動(dòng)的，動(dòng)作慢、動(dòng)作精度低且運(yùn)動(dòng)軌跡不平滑，運(yùn)用該庫(kù)函數(shù)后，移模動(dòng)作快而穩(wěn)，機(jī)器的震動(dòng)大大降低。設(shè)置參數(shù)如圖4所示：
通過(guò)修改以上參數(shù)可以得到模架運(yùn)動(dòng)的profile曲線，見(jiàn)圖9的曲線2，依據(jù)速度（V）推算比例閥的流量（Q），再由流量依據(jù)比例閥的流量曲線可以獲得控制電壓的值（U）。實(shí)際獲得的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖9的曲線3。圖9的曲線1是比例閥上的控制電壓，從圖中可以看出，實(shí)際的誤差是非常小，曲線的軌跡也非常平滑。
4、修改了型胚長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟件，能做到雙工位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。（見(jiàn)圖5）
7、更改了壁厚曲線編輯并引入了畫(huà)面虛屏顯示的概念。由于原CPU的原因，用戶(hù)在編輯過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)線段不受控、線段拉伸過(guò)度、畫(huà)面刷新存在閃爍等現(xiàn)象。新的程序克服了以上的缺點(diǎn)，編輯壁厚曲線完美快捷。（見(jiàn)圖7 圖8）
5、壁厚控制的重量修改范圍增大了10倍。由原來(lái)的0—99%改變?yōu)?.0----99.9%.
6、IP地址能任意修改。用戶(hù)可以根據(jù)自己的實(shí)際情況任意修改網(wǎng)卡的IP地址，使IPC能通過(guò)局域網(wǎng)或路由器接入寬帶網(wǎng)絡(luò)。（見(jiàn)圖6）7、更改了壁厚曲線編輯并引入了畫(huà)面虛屏顯示的概念。由于原CPU的原因，用戶(hù)在編輯過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)線段不受控、線段拉伸過(guò)度、畫(huà)面刷新存在閃爍等現(xiàn)象。新的程序克服了以上的缺點(diǎn)，編輯壁厚曲線完美快捷。（見(jiàn)圖7 圖8）
8、增加了屏幕拷貝功能，用戶(hù)只要在USB接口上插入U(xiǎn)盤(pán)，按下屏幕下方的打印屏幕按鍵，該幅畫(huà)面就可以存儲(chǔ)到U盤(pán)上。便于系統(tǒng)參數(shù)、故障歷史記錄的保存、歸檔等。
9、增強(qiáng)了中/英文畫(huà)面的切換，原來(lái)方案只能退出到主畫(huà)面進(jìn)行切換，新方案設(shè)計(jì)為每頁(yè)都可以切換。
10、更改了畫(huà)面的制作風(fēng)格，采用了Windows風(fēng)格的操作圖標(biāo)。
11、由于選用的是觸摸屏，增加了光標(biāo)調(diào)校頁(yè)面。四、新系統(tǒng)的特點(diǎn)
1、新方案選用的B&R控制器是高性能、分時(shí)多任務(wù)的控制系統(tǒng)，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和循環(huán)時(shí)間都可以根據(jù)需要調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可得到優(yōu)化，運(yùn)算速度更快。
2、硬件采用模塊化的I/O分布式結(jié)構(gòu)，減小了信號(hào)的干擾，有利于機(jī)器的布線，便于機(jī)器的各種配置需要。
3、系統(tǒng)采用了X2X 總線、CAN BUS總線進(jìn)行通訊，即時(shí)、快速。
4、穩(wěn)定快速的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能也為機(jī)器的運(yùn)行提供了保證。
5、人機(jī)界面采用10寸TFT真彩液晶面板，分辨率高達(dá)26萬(wàn)色，平均使用壽命達(dá)到5.5萬(wàn)小時(shí)。
6、壁厚控制更為精確，基本重量值精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。
7、曲線編輯和拉伸更為簡(jiǎn)便，曲線顯示采用虛屏技術(shù)，無(wú)閃爍。
8、系統(tǒng)液壓庫(kù)的運(yùn)用，使得機(jī)器的移模、開(kāi)合模、吹針的動(dòng)作更加快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確。
9、型胚長(zhǎng)度雙工位自動(dòng)調(diào)節(jié)。
10、4級(jí)密碼保護(hù)功能。完備的用戶(hù)管理。
11、溫度控制采用B&R的智能PID調(diào)節(jié)，能自整定優(yōu)化參數(shù)，溫控精度能達(dá)到±1度。具備預(yù)加熱功能和定時(shí)加熱功能。
五、結(jié)論
自從新控制系統(tǒng)08年配備到考特斯KCC機(jī)器后，以其快速響應(yīng)和穩(wěn)定的性能深受用戶(hù)的好評(píng)，畫(huà)面清晰流暢，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，設(shè)計(jì)者同時(shí)也考慮到了系統(tǒng)進(jìn)一步的擴(kuò)展和改進(jìn)，如果要增加或減少?gòu)恼镜臄?shù)量或者更換更高級(jí)別的控制器，軟件幾乎不用作大的更改。實(shí)踐證明它是一個(gè)較為完美的控制系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
《新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)》主編：齊蓉，主審：肖維榮，西北工業(yè)大學(xué)出版社。
作者簡(jiǎn)介
李元軍， 男，1967年6月生， 陜西渭南人，高級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位，曾就職于國(guó)內(nèi)某研究機(jī)構(gòu)，主要從事某軍品項(xiàng)目的研究和開(kāi)發(fā)，主攻方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化應(yīng)用，現(xiàn)從事塑料機(jī)械的軟件開(kāi)發(fā)。
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