關(guān)于FOCKE701包裝機(jī)組電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

一、引言

　　FOCKE701包裝機(jī)組是由德國(guó)FOCKE公司生產(chǎn)的具有1000包/分生產(chǎn)能力的超高速硬盒包裝機(jī)組，是目前國(guó)際上最為先進(jìn)的卷煙設(shè)備之一。我國(guó)卷煙生產(chǎn)廠家從2007年開始引進(jìn)該設(shè)備，對(duì)于該設(shè)備的摸索、熟悉、研究也逐漸開始。本文試從電控系統(tǒng)這方面闡述該設(shè)備的特性。

二、FOCKE701包裝機(jī)組的電控系統(tǒng)架構(gòu)

　　FOCKE701包裝機(jī)組主要包括了以下幾個(gè)機(jī)器:701型硬盒翻蓋包裝機(jī)、741型煙包儲(chǔ)存器、752型薄膜外包機(jī)、779型裝箱卷包機(jī)、542型拆垛機(jī)、798型自動(dòng)拼接機(jī)2套。這7個(gè)機(jī)器由6個(gè)控制器完成過程控制，機(jī)器之間通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)上下游機(jī)器的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

　　FOCKE 701型硬盒翻蓋包裝機(jī)組的控制器和總線系統(tǒng)主要使用了BECKHOFF公司的產(chǎn)品，它的控制器是帶實(shí)時(shí)內(nèi)核TwinCAT的面板型 IPC CP7503-1002-0021，所有輸入輸出控制通過帶2個(gè)PROFIBUS端口的PCI插槽模塊FC3102來擴(kuò)展。

　　總線PROFIBUS 1上連接了13個(gè)總線耦合器BK3150，1個(gè)帶8點(diǎn)輸入現(xiàn)場(chǎng)總線端子盒IP1011，通過SIEMENS總線耦合器 6ES7 158-0AD01-0XA0連接到752型薄膜外包機(jī)的控制器面板型IPC CP7503-1002-0021，該工控機(jī)的PCI插槽模塊 FC3102作為主站與798型自動(dòng)拼接機(jī)的控制器PC C6140實(shí)現(xiàn)通訊。

　　總線PROFIBUS 2上連接了2個(gè)總線耦合器BK3150，連接到798型自動(dòng)拼接機(jī)的控制器和542型拆垛機(jī)的控制器，這2個(gè)控制器作為從站都包含16BYTE輸入16BYTE輸出的通訊總量。

　　總線耦合器BK3150擴(kuò)展使用的I/O模塊類型包括數(shù)字型、電壓電流模擬量、RTD輸入、PWM輸出等。

　　工控機(jī)的第四插槽的Ethernet端口上連接的帶4DI/4DO的分布式協(xié)處理器BC9100用于處理Watchdog和機(jī)器的維護(hù)保養(yǎng)提示。

　　工控機(jī)的其它Ethernet端口實(shí)現(xiàn)與車間級(jí)以太網(wǎng)通訊。

三、FOCKE701包裝機(jī)組的控制器

　　控制器以701型硬盒翻蓋包裝機(jī)為例，該機(jī)器采用了2種型號(hào)的BECKHOFF IPC：CP7503-1002-0021和C6140。 CP7503-1002-0021為防護(hù)等級(jí)IP65的面板型PC，包括Intel Pentium 4 2.8GHz的處理器、256MB DDR- RAM內(nèi)存、20GB IDE硬盤。C6140為防護(hù)等級(jí)IP20的控制柜嵌入式PC，包括Intel Celeron 2GHz的處理器、 256MB DDR-RAM內(nèi)存、40GB IDE硬盤。

　　這2種型號(hào)的BECKHOFF IPC在安裝了TwinCAT軟件后即可作為獨(dú)立于WINDOWS系統(tǒng)且并列運(yùn)行于同一個(gè)CPU的軟PLC。該軟 PLC可分解成4個(gè)多任務(wù)PLC，每個(gè)PLC最多包含4個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)可定義不同的執(zhí)行周期。程序按固定的周期被執(zhí)行，最小的運(yùn)行周期為50微妙。這種多任務(wù)控制系統(tǒng)可滿足不同響應(yīng)速度的控制要求，并且隨著IPC性能的提高，PLC的運(yùn)行速度也不斷提高。701型硬盒翻蓋包裝機(jī)和741型煙包儲(chǔ)存器的控制程序作為2個(gè)PLC同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)IPC上，其中包括了多個(gè)任務(wù)，最快的任務(wù)執(zhí)行周期設(shè)定為2毫秒。

四、FOCKE701包裝機(jī)組的總線系統(tǒng)

　　FOCKE701包裝機(jī)組的總線系統(tǒng)采用多層總線，包括PROFIBUS-DP和Ethernet兩種。PROFIBUS-DP 總線通訊用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。機(jī)身的檢測(cè)元器件和執(zhí)行器件都采用PROFIBUS-DP總線，傳送速率為 12M波特率，達(dá)到了PROFIBUS-DP的最高極限速率。使用了帶TwinCAT實(shí)時(shí)內(nèi)核的BECKHOFF IPC沒有傳統(tǒng)PLC通過底板通訊的輸入輸出，對(duì)總線的通訊速度要求較高，特別是一些快速信號(hào)。總線的通訊速度成為提高該系統(tǒng)整體運(yùn)行速度的瓶頸。

　　不過隨著科技的發(fā)展，在FOCKE701包裝機(jī)組成功研發(fā)后的幾年里，BECKHOFF公司又提供了一種新型的總線系統(tǒng)產(chǎn)品EtherCAT。 EtherCAT 總線是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通訊總線，1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間僅為30μs，其中包括端子模塊周期時(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O，而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與高性能IPC 相匹配。這一技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品可以應(yīng)用到對(duì)包裝機(jī)組進(jìn)行功能改進(jìn)或者新產(chǎn)品的開發(fā)研制中。

　　FOCKE701包裝機(jī)組采用的另一總線即Ethernet。該以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線連接了BECKHOFF IPC和智能組件BC9100，走的是一般的TCP/IP協(xié)議。BC9100用于處理Watchdog和機(jī)器的維護(hù)保養(yǎng)提示等任務(wù)。

五、總結(jié)

　　以上詳細(xì)分析了FOCKE701包裝機(jī)組電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)并具有快速、穩(wěn)定等特性，是采用工控機(jī)作為控制器的成功案例，值得國(guó)內(nèi)制造行業(yè)借鑒和參照。