摘要：本文主要介紹了德國倍福（BECKHOFF）基于PC的控制技術在瓦楞紙板印刷機上的應用。以基于PC的控制系統--PC-BASE系統為主體，并與上位機以及HMI之間建立通訊，能高速、高效的完成瓦楞紙板印刷機控制需求。
關鍵詞：BECKHOFF PC-BASE 上位機 瓦楞紙板印刷機
一、 項目簡介
1、 項目背景
基于倍福PC-BASE系統的瓦楞紙板印刷機，其研發地點位于湖北京山輕工機械股份有限公司。湖北京山輕工機械股份有限公司主要以紙板、紙箱的生產和研發為主，是中國最大的紙板、紙箱包裝機械生產和出口基地之一，是中國輕工總會和中國包裝總公司定點生產紙制品包裝機械的最大骨干企業之一。
此次研發的印刷機系我公司在原有印刷機基礎上，對設備結構進行了升級改造，對控制系統進行了更新，增加了自動換單系統、生產管理系統、遠程診斷和維護系統，極大地提高了設備的自動化程度。
2、 設備工藝介紹
1、 軌道 2、送紙部 3、印刷部 4、開槽部 5、模切部
圖1 整機示意圖
印刷機設備主要由軌道、送紙部單元，印刷單元，開槽單元和模切單元組成。其中，軌道為其他部件的支撐體，用于承載其他部件的質量和引導其移動；送紙部是印刷機的起始部分，它是將送紙桌上的紙板自動、連續、準確的送入印刷、開槽以及模切等部分，紙板通過送紙部后，表面變得清潔，從而使印刷質量得到了有效保證；印刷單元一般由1~6組相同的設備組成。每個色組對應一種顏色，紙板經過印刷單元時候，依靠紙板與印版之間的重合，使印版上的油墨附著在紙板上，從而完成對紙板的印刷；開槽單元承接印刷完畢的紙板，對紙板進行壓痕、修邊、開槽、切角、打孔等加工，使印好的紙板變成紙箱箱坯；模切單元對印刷好圖案文字的紙板進行紙箱箱坯的滾切加工。紙板依次進過送紙、印刷、開槽和模切（可選）后，成為印好圖案的紙箱，再經過后續設備的加工處理，就可以變成完成完整的紙箱了。根據紙板的規格，印刷效率一般在每分鐘100~300片之間。
3、 項目硬件組成
針對印刷機的控制需求，此次用到的控制系統的硬件設備主要由以下幾個部分組成：
表1 ：印刷機控制系統硬件組成
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序號 |
型號 |
產品類型 |
廠家 |
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1 |
C6640-0010 |
IPC（TwinCAT PLC） |
BECKHOFF |
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2 |
EK1100 |
EtherCAT 耦合器 |
BECKHOFF |
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3 |
EL1008 |
8Di |
BECKHOFF |
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4 |
EL2008 |
8Do |
BECKHOFF |
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5 |
EL5152 |
2通道增量編碼器反饋模塊 |
BECKHOFF |
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6 |
EL4102 |
2通道模擬量輸出 0-10V |
BECKHOFF |
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7 |
EL9011 |
末端模塊 |
BECKHOFF |
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8 |
EK1122 |
EtherCAT星型拓撲接口端子模塊 |
BECKHOFF |
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9 |
ZS1090-0003 |
網線接頭 4針 |
BECKHOFF |
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10 |
HMISTU855 |
觸摸屏 5.7寸 |
Schneider |
4、 項目設備圖片
采用此系統，我們開發了兩款不同規格的印刷機，如圖所示為其中一款機型。紙板最大印刷機面積為2200mmX3500mm。
圖2 整機設備
圖3 遠程I/O模塊
二、 控制系統構成
圖4 控制系統網絡拓撲結構圖
印刷機整個控制系統的網絡拓撲結構如圖所示。工控機（IPC）為控制的主體，利用倍福TwinCAT自動化軟件編寫邏輯控制程序在工控機上運行，通過EtherCAT高速以太網現場總線來收發各機組遠程I/O端子模塊信息，同時運行生產管理系統軟件，對生產過程進行管控；各機組上安裝HMI，通過TCP/IP協議與IPC建立通訊，以顯示各部分的工況和調整工藝參數。
三、 控制系統完成的功能
1、 設備的邏輯過程控制
利用倍福TwinCAT自動化軟件的PLC功能，編寫邏輯控制程序，控制設備的啟停、移動、位置顯示調整等。
各部分的功能寫成獨立的程序段，相同功能寫成功能塊，便于多次調用，同時也便于程序的可移植性。
圖5硬件配置
圖6 程序功能塊示例
2、 生產管理
利用高級語言編寫上位機程序，應用在工控機上。通過BECKHOFF固有通訊方式與TwinCAT的PLC程序進行通訊，可以輸入訂單、發送換單指令到印刷機的各部分，各部分按照指令，進行相應的調整。同時，生產管理系統，能收集各部分的生產狀態信息并保存于計算機中，以便查閱。管理系統主界面如圖所示。
圖7 生產管理系統主界面
3、 遠程診斷、維護
必要時將工控機接入Internet，工程師就可以通過Internet遠程操作方式，觀察現場設備的工況。同時，還可以對程序進行升級和更新。
4、 視頻監控
在印刷機上安裝無線網絡攝像頭，在顯示器上就可以看到印刷機的運行情況。如接入Internet，還可以將現場運行狀態發送到異地辦公系統及工程技術人員。可移動的無線網絡攝像頭特別適合于工程師查找現場故障。
圖8 網絡攝像頭監控畫面
四、 項目運行
此產品在京山輕機2012年5月份的新產品展示會中推出的兩款不同規格的印刷機中得到了完美的展示。
五、 開發體會
經過近兩個月的程序編寫和安裝調試，我們在利用BECKHOFF基于PC的控制技術進行開發過程中也有如下體會：
1、在產品開發之前，我們做了大量的市場調查和方案對比。發現在相同性能下，此套控制系統相對于其他系統來說，如西門子、施耐德等，價格略低，價格上相對于其他品牌產品來說具有一定的優勢。
2、基于PC的控制網絡拓撲結構清晰、明了，施工工藝簡單，特別是遠程I/O控制模式特別適宜于一對多的管理。同時將PLC控制系統和上位機管理系統植入到同一個工控機，既降低了成本，也大大減小了上位機與下位機之間進行通訊而造成的開發難度。
3、基于PC的編程軟件TwinCAT通用性較強，與目前常見的NC系統如力士樂、施耐德等編程一致，且簡單易學，易于程序的編寫和調試，節省人力和物力。
當然，這套系統也存在一定的缺點，其對工控機的硬件和軟件依賴性很高，需保證良好的工控環境和網絡環境。如非法操作造成的硬盤損壞和接入網絡后中毒都有可能控制系統的損壞。
參考文獻
1、TwinCAT PLC 編程手冊（2011 更新版）。