注塑機(jī)先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)淺談
2018-3-27 來(lái)源：震雄集團(tuán)，廣東深圳 作者：黃俊軍
摘要:本文闡述了注塑機(jī)國(guó)內(nèi)數(shù)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)水平上的不足而歐美控制系統(tǒng)的網(wǎng)先進(jìn)性和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為了當(dāng)今注塑機(jī)控制系統(tǒng)的潮流。同時(shí)也闡述了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)與信息化融合發(fā)展的注塑機(jī)控制系統(tǒng)是新趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞: 注塑機(jī)、網(wǎng)絡(luò)化，信息化，自動(dòng)化、數(shù)控系統(tǒng)、EtherCAT、現(xiàn)場(chǎng)總線、非線性
1、前言
注塑機(jī)是塑料加工領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。中國(guó)是全球最大的注塑機(jī)制造國(guó)，也是全球注塑機(jī)保有量最大的國(guó)家。注塑機(jī)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在其控制裝置的設(shè)計(jì)水平上，目前國(guó)內(nèi)注塑機(jī)大部分采用PLC或者基于單片機(jī)芯片的控制系統(tǒng)。雖然上述兩種方法可以完成注塑機(jī)的正常運(yùn)行，但是該種控制系統(tǒng)存在以下不足:控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，速度慢，控制精度不高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，保養(yǎng)維修升級(jí)困難。另外，注塑機(jī)正朝著高速、高效、低能耗和高自動(dòng)化的方向發(fā)展，這就要求注塑機(jī)具有完善的自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以確保對(duì)注射成型過(guò)程的工藝參數(shù)實(shí)行高重復(fù)度、高靈敏度的可靠性。
當(dāng)今國(guó)際高端注塑機(jī)的控制裝置正朝著智能化、模塊化、簡(jiǎn)便化發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的高檔注塑機(jī)的控制系統(tǒng)都是從國(guó)外進(jìn)口，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前進(jìn)口的通用控制系統(tǒng)不能完全滿足注塑機(jī)非線性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，且價(jià)格昂貴，本項(xiàng)目的目標(biāo)是以自主研發(fā)的具有國(guó)際先進(jìn)水平，融合PLC, MC, HM工和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用作為試點(diǎn)，替代國(guó)外的進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的符合多樣化注塑工藝的實(shí)時(shí)高速多功能控制系統(tǒng)。這也是當(dāng)前我國(guó)裝備制造行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題之一，它對(duì)提升產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，提高產(chǎn)品的附加值有著重要而深遠(yuǎn)的意義。
此外隨著金融危機(jī)、原材料、能源成本和勞動(dòng)力成本的快速上升，中國(guó)制造業(yè)正而臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。利潤(rùn)率低，招工困難、工人管理難等問(wèn)題逐步成為困擾我國(guó)制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要制約因素。注塑機(jī)是制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備之一，我國(guó)擁有全球最大的注塑機(jī)保有量。制造業(yè)企業(yè)迫切需要利用自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)提升業(yè)工廠的管理水平，提高生產(chǎn)線率，節(jié)約能源和原材料的消耗。這些都要求注塑機(jī)等制造業(yè)裝備所使用的數(shù)控系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)化和信息化接口，具有接入制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的能力。MES等先進(jìn)制造信息化管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)管理生產(chǎn)車間的機(jī)械裝備、生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全程信息化監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)機(jī)械裝備故障和制造過(guò)程問(wèn)題的遠(yuǎn)程排查、生產(chǎn)過(guò)程能源管理等。目前沿海一些城市一些國(guó)際知名的家電制造商，均提出了對(duì)注塑車間進(jìn)行信息化聯(lián)網(wǎng)改造的需求。然而由于這些車間所大量使用的注塑機(jī)不具備網(wǎng)絡(luò)化和信息化接口，尚難以直接利用現(xiàn)有注塑機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車間的聯(lián)網(wǎng)和信息化管理等工作。因此具備信息化接口的注塑機(jī)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是未來(lái)注塑機(jī)以及其他裝備數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，是工業(yè)化和信息化兩化融合的具體結(jié)合點(diǎn)，對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)具有深遠(yuǎn)的意義。
2、國(guó)內(nèi)外注塑機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2.1 注塑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于注塑機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)路線五花八門(mén)。主要的類型包括PLC、單片機(jī)等。這些控制器所采用的處理器和操作系統(tǒng)和技術(shù)路線樣式繁多，技術(shù)方案五花八門(mén)。這些產(chǎn)品的編程方式也是五花八門(mén)。有利用工EC61131 - 3語(yǔ)言編程的PLC。也有利用C, C十十，MFC編程的產(chǎn)品。此外，這些數(shù)控系統(tǒng)的通信方式也是五花八門(mén)。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(wǎng)協(xié)議通信的。許多注塑機(jī)制造企業(yè)，自動(dòng)化、信息化技術(shù)應(yīng)用能力薄弱，企業(yè)為供應(yīng)商的系統(tǒng)。而這些系統(tǒng)往往又采用了不同的技術(shù)路線，不同的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和不同的編程應(yīng)用環(huán)境。由于控制系統(tǒng)龐雜，這就給許多注塑機(jī)制造企業(yè)售后服務(wù)和維護(hù)帶來(lái)了極大的困難。此外，許多企業(yè)開(kāi)發(fā)的注塑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)化通信能力，難以接入車間信息化管理系統(tǒng)。
當(dāng)前國(guó)際上機(jī)械裝備控制系統(tǒng)一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)就是走網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控的道路。由于摩爾定律主導(dǎo)的微處理器技術(shù)的快速發(fā)展，處理器性能在飛速提升的同時(shí)，價(jià)格卻在不斷下降。這就使得過(guò)去需要專門(mén)硬件實(shí)現(xiàn)的PLC, MC, CNC, HM工可以在統(tǒng)一開(kāi)放的高性價(jià)比計(jì)算平臺(tái)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。即利用通用處理器平臺(tái)和自動(dòng)化軟件中間件，將PLC、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)控系統(tǒng)等功能全部整合(ALL一工n-One)。除了整合自動(dòng)化技術(shù)外，利用通用處理器的計(jì)算能力，還同步實(shí)現(xiàn)人機(jī)界而和網(wǎng)絡(luò)通信的能力。從而成為具備高性能網(wǎng)絡(luò)通信能力的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系了降低成本，往往在一個(gè)企業(yè)內(nèi)，同時(shí)引入多家數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)。在編程環(huán)境方而，這類數(shù)控技術(shù)均采用了工EC61131-3語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，即兼容PLC的編程方式。編程環(huán)境與處理器和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)。這就為這類系統(tǒng)在機(jī)械裝備行業(yè)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為了注塑機(jī)等機(jī)械裝備控制系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
國(guó)際上具有代表性的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是德國(guó)畢孚公司的產(chǎn)品。該公司主要利用工ntel X86處理器平臺(tái)，結(jié)合WinXPE和WinCE操作系統(tǒng)，并結(jié)合德國(guó)CodeSys Runtime和自主研發(fā)的TwinCAT自動(dòng)化軟件，為用戶提供了能夠融合PLC, MC, CNC, HM工等功能的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系列產(chǎn)品。畢孚公司與德國(guó)ETG組織結(jié)合，主推基于EtherCAT的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線。由于EtherCAT技術(shù)的先進(jìn)性和開(kāi)放性，目前全球支持EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的廠家多達(dá)100多家。主要產(chǎn)品覆蓋了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、工。、高性能傳感器等。主要的廠家包括了德國(guó)包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本安川等頂級(jí)的自動(dòng)化配件廠家。在信息化方而，畢孚的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控接口主要以O(shè)PC為主。同時(shí)該公司還開(kāi)發(fā)了EtherCAT到主流現(xiàn)場(chǎng)總線的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。從而使得畢孚的產(chǎn)品可以幾乎應(yīng)用于工業(yè)的所有領(lǐng)域。由于其開(kāi)放性，用戶可以利用EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)和TwinCAT或者Codesys平臺(tái)，自由選擇全球主要自動(dòng)化供應(yīng)商的配件加以集成。從而在全球逐步形成了以EtherCAT為標(biāo)準(zhǔn)的松散的全球開(kāi)發(fā)者聯(lián)盟。畢孚公司的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)、木工機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、光伏裝備、工業(yè)機(jī)器人、樓宇自動(dòng)化、石油、化工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。除了畢孚外，德國(guó)的包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本的安川、美國(guó)的派克等公司也都大力研發(fā)和推廣技術(shù)路線非常類似的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。這些公司的其他產(chǎn)品，如伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、閥門(mén)等在EtherCAT平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)上也能夠相互兼容。這類開(kāi)放和具備靈活搭配組織能力的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控技術(shù)，在國(guó)際自動(dòng)化和信息化市場(chǎng)上正方興來(lái)艾。
此外，包米勒、路斯特、穆格等公司還根據(jù)市場(chǎng)的需求，開(kāi)發(fā)出可以嵌入伺服驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制卡。這類運(yùn)動(dòng)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(shù)。并且利用伺服驅(qū)動(dòng)的計(jì)算能力，可以擴(kuò)展工0和網(wǎng)絡(luò)。這類嵌入式的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控技術(shù)，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)，降低某些行業(yè)和應(yīng)用的成本。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控技術(shù)在塑料機(jī)械應(yīng)用方而，目前震雄集團(tuán)公司走在了國(guó)內(nèi)同行的前列。該公司于2009年既利用德國(guó)畢孚公司的TwinCAT自動(dòng)化軟件平臺(tái)和EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，在基于PC的工控機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控的全電動(dòng)注塑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)取得成功。這一成功也引起了國(guó)內(nèi)同行的普遍關(guān)注。然而由于國(guó)外數(shù)控平臺(tái)成本高昂，限制了這一技術(shù)在注塑機(jī)行業(yè)的推廣和應(yīng)用。
圖1 五花八門(mén)的控制系統(tǒng)
圖2 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控技術(shù)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品的整合
2.1 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)與信息化融合發(fā)展的新趨勢(shì)
由于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)采用了通用處理器和通用操作系統(tǒng)平臺(tái)，這就為數(shù)控系統(tǒng)與MES等信息系統(tǒng)的直接融合創(chuàng)造了條件。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)通常具備兩類通信網(wǎng)絡(luò)。一類是而向現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)前，高性能實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如EtherCAT等將取代傳統(tǒng)模擬電壓或者脈沖信息傳遞方式得到廣泛應(yīng)用。利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)可以直接連接傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻等數(shù)控系統(tǒng)周邊設(shè)備。其性能已經(jīng)達(dá)到或者接近計(jì)算機(jī)插卡的水平。但由于這類方式連接靈活，電纜數(shù)量少，擴(kuò)展方便，具備分布式安裝等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械裝備特別是大型生產(chǎn)線領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)通常具備接入以太網(wǎng)的能力。除了實(shí)時(shí)控制底層硬件外，還具備和信息管理系統(tǒng)通訊和接口的能力。利用網(wǎng)絡(luò)通信能力的支持，機(jī)械裝備融入信息化管理系統(tǒng)如MES, ERP，并且也將成為未來(lái)數(shù)字裝備信息化的基本形態(tài)。
目前國(guó)際上主流的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)都能夠通過(guò)編程，采集機(jī)械裝備和各外圍網(wǎng)絡(luò)連接部件的工作狀態(tài)，采集生產(chǎn)信息。并且都具備將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的功能。支持TCP/工P甚至HTTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。利用這些網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)和技術(shù)，可以非常方便將機(jī)械裝備接入MES管理系統(tǒng)。甚至生產(chǎn)信息的采集可以直接利用機(jī)械裝備的數(shù)控系統(tǒng)，而不需要額外再增加數(shù)據(jù)采集端。這些都使得網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)與MES等信息化技術(shù)具有非常好的融合能力。
3、先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化前景分析
國(guó)內(nèi)注塑機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的控制系統(tǒng)大多依靠外購(gòu)或者合資研發(fā)，而這些控制系統(tǒng)大都只適合應(yīng)用于低端機(jī)器，高端機(jī)器上的控制系統(tǒng)很大部分是進(jìn)口的。針對(duì)用于高端機(jī)器控制系統(tǒng)的解決方案，目前為比我國(guó)大部分注塑機(jī)企業(yè)還沒(méi)在以上研發(fā)出可以產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品來(lái)。現(xiàn)在大部分有實(shí)力的企業(yè)而臨設(shè)備的更新，所以網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)注塑機(jī)是這些企業(yè)的首選。產(chǎn)品預(yù)測(cè)在市場(chǎng)的占有率會(huì)大于30%.
4、結(jié)論
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普遍運(yùn)用，注塑機(jī)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成必然的趨勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入注塑制造工廠的車間只是時(shí)間的問(wèn)題，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的高低關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位和綜合水平，數(shù)控網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造的關(guān)鍵技術(shù)。
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