注塑机先进网络化数控系统的开发

作者:震雄集团 黄俊军 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2016-06-23
控制装置的设计水平是注塑机先进性的重要体现,但长期以来,国内高档注塑机的控制系统都是从国外进口,而本文中所进行的研究,是以自主研发的具有国际先进水平,且融合了PLC、MC、HMI和实时工业以太网的网络化数控系统在注塑机上的应用作为试点,以期替代国外的进口产品。

注塑机的先进性主要体现在其控制装置的设计水平上,目前国内注塑机大部分采用PLC或者基于单片机芯片的控制系统,这类控制系统存在实时性差、速度慢、控制精度不高、开发周期长以及保养维修升级困难等局限。另一方面,注塑机正朝着高速、高效、低能耗和高自动化的方向发展,这也要求注塑机拥有完善的自动化控制与调节系统,以确保对注塑过程的工艺参数进行高重复、高灵敏且可靠的控制。

长期以来,国内高档注塑机的控制系统都从国外进口,缺乏自主知识产权,不仅如此,进口的通用控制系统不能完全满足注塑机非线性运动规律的要求,且价格昂贵。而本文中介绍的数控系统,其目标是以自主研发的具有国际先进水平,且融合了PLC、MC、HMI和实时工业以太网的网络化数控系统在注塑机上的应用作为试点,以替代国外的进口产品,实现具有自主知识产权的符合多样化注塑工艺的实时高速多功能控制。

主要研究内容

1. 网络化数控系统基础软硬件平台的研发

面向注塑机的数控系统主要包括两部分:基础软硬件平台和注塑机企业根据市场、工艺等在该平台上做的注塑机应用软件。而本文所介绍的数控系统其一项主要的研发内容就是为用户提供网络化数控的基础软硬件平台。该数控平台具备如下优势:高性能处理器,以满足实时控制需求;融合了PLC、MC和HMI功能;具备实时工业以太网现场总线;利用工业以太网现场总线可以自由扩展各类型IO模块,满足驱动阀门、温控器等的需求;利用工业以太网现场总线可直接连接伺服驱动、变频器等;具备OPC等网络通信接口;IEC61131-3编程环境,与硬件和操作系统无关。

网络化数控软硬件体系结构示意图

2. 网络化数控应用软件开发

这一项开发内容主要分为4个部分:先开发最基本的系统,以完成最基本的逻辑控制,开发内容包括逻辑程序、HMI和温度PID算法的开发;逐个开发功能模块,包括伺服电动机合模轴的程序、比例阀/伺服阀合模轴的程序、模力自动调节程序、低压模保程序以及伺服电动机/比例阀顶针轴的开发;按要求把功能模块拼起来组成特定注塑机的控制系统,如对于全伺服注塑机而言,需要将有关伺服电动机控制的轴模块拼起来;开发数据网络传送和保存功能模块,用于将客户所要传送和保存的数据传送到网络的指定主机上。

本文中介绍的数控系统需要用于各种高端机型,鉴于不同机型的控制要求不一样,驱动单元不同(有的是伺服电动机驱动,有的是伺服阀或者比例阀控制),需要的控制算法也有区别,因此本数控系统采用软件模块化。正因为如此,同一机构需要进行伺服电动机、伺服阀和比例阀的算法实现,如对开合模机构而言,其驱动方式可以是方向阀控制的油缸、比例阀控制的油缸、伺服阀控制的油缸、伺服电动机驱动的丝杆以及电液驱动的开合模机构,需要根据不同的情况进行算法实现。

3. 基于物联网的注塑机售后服务管理系统

目前,国内很多装备制造企业的售后服务模式仍沿用传统的人工现场模式。此模式有其局限性,如售后服务标准不统一;分散型小客户的需求总量经常占据销售的大头;频繁地派出工程师到现场,增加了售后服务成本;机械装备的核心零部件如伺服驱动电动机、控制系统和传感器等在进货、系统集成以及销售后难以得到有效追溯。另外,机械装备与计算机等控制系统的结合日益紧密,装备的运行等主要靠计算机软件支持,因此工作软件缺陷的定期修复或者工作性能的提升等也变得日益重要。

对于解决上述的售后服务过程中出现的问题,提升装备制造企业的售后服务能力,减少售后服务成本,是注塑机企业的迫切需求。而结合了网络化数控系统的应用,为装备制造企业的远程售后服务与技术支持提供了可能。

4. 注塑工艺优化与节能减排研究

这项研究主要包括在网络化数控平台上,根据功能要求确定控制程序和算法,以及检测系统对工件的检测结果进行自动选择和实施最优的控制。另外,还对整个工艺过程进行了深入研究,利用网络化数控信息化管理技术对各驱动部件的能源利用加以管理,动态调整功能部件的通电和休眠以及传输带的速率等,在不影响安全、寿命和加工质量的前提下,降低注塑机的能源消耗。

拟解决的关键技术

1.数据接口标准化技术

目前,注塑设备品牌多、型号各异、协议差别大且通信接口兼容性差,机台基本独立运行,运行过程中自身的状态信息难以传达给MES,因此需要研发一套能将设备与MES系统连接的中间件,从而将机械本身的状态信息显示于MES,实现企业生产车间的信息化管理,提高企业的生产和管理水平。

2.网络化数控系统的实时性技术

这是需要解决的关键技术之一。实时性主要包括了计算的实时性和通信的实时性两个方面。计算的实时性主要取决于处理器性能和软件的优化。而通信的实时性主要依赖现场总线通信网络的通信机制和带宽。因数控系统采取串行通信方案,因此通信延迟成了决定系统实时性的主要因素。在系统设计过程中,需要首先确定各主要环节对采样实时性的需求,并确定负载数量。由于网络化数控采取了类似PLC的循环采样方式,因此处理器性能能否支持最小采样间隔是重点。在现场通信方面,拟采用实时工业以太网技术。目前,国内外有多种实时工业以太网,在选择的时候,既要考虑其技术性能又要考虑其全球厂商支持程度和未来发展的趋势等。

拟采用的方法、技术路线及工艺流程

本数控系统的研究分为针对机械装备的网络化数控系统方案选型、制造执行系统MES的开发和生产工艺优化等几个部分。

目前,国际上具有代表性的网络化数控系统是德国倍福公司的产品。该公司主要利用Intel X86处理器平台,结合WinXPE和WinCE操作系统,以及德国CodeSys Runtime和自主研发的TwinCAT自动化软件,为用户提供能够融合PLC、MC、CNC和HMI等功能的网络化数控系列产品,但其存在价格昂贵和供货周期长等问题。现在,国内有若干厂家开始利用Codesys技术开发与德国倍福公司相似的产品。这些产品在开发方式、软件兼容性等方面都与倍福公司产品相似。但是,国内的产品尚处在起步阶段,尚未经过大规模应用的考验,因此本数控系统采取的技术路线是,先应用国际先进的产品技术方案搭建样机,同步地也搭建基于国产网络化数控产品(中科院计算所顺德分所开发的网络化数控产品)的样机。

在现场总线方面,选择EtherCAT作为现场总线通信方案,由于其具备实时性、先进性、开放性以及支持厂家众多等优点,因此成为了本数控系统网络化数控的首选。

在信息化硬件接口方面,国际上普遍支持工业以太网的方式。软件接口方面,目前国际上主流的网络化数控接口以OPC为主。基于此,此次研究将工业以太网和OPC通信作为数控系统与信息化系统之间的通信接口。

在机械装备物联网技术方面,拟采用SAAS服务模式,即在后台开发机械装备物联网的服务运营中心。该中心可以为客户提供账户和密码。用户登录后,可以实时看到其远程机械装备的运营。同时还提供数据库支持,可以查看机械装备运营日志,诊断故障,帮助客户更新软件等。该系统的开发采用国内成熟的实时数据库平台和应用平台做二次开发。同时还要集成视频等应用。

机械装备物联网体系结构示意图

特色和创新突破点

1.数控系统的特色

各注塑机单机之间以及各部分如注射、合模和驱动等都用高速现场总线互联,通过利用高速实时现场总线技术,使得无论是注塑机单机还是多台塑机之间都拥有控制系统部署简便、通信可靠、连接电缆数量少以及自动化组建全球支持厂家多等优点。此外,整机还拥有对外的网络通信硬件和软件接口,方便接入各种信息系统。

注塑机可以在软件上规划工艺参数,并预存到工艺数据库中,以满足不同注塑工艺的需求,且能自动生成执行代码,驱动机械装备工作,使得机械具备智能化和柔性化的特点。本功能需要底层硬件的支持,要将一些需通过手工调整的机械工艺步骤转换成自动调节,智能化软件才能发挥最大效能。

值得一提的是,本系统可以接入机械装备物联网售后服务管理系统。

2.创新突破点

本数控系统中蕴含了几项创新突破点,主要包括:

首先,是自动化技术与信息化技术的深度融合。利用通用处理器技术、软运动控制技术和实施以太网技术,将注塑机用到的自动化技术如PLC、MC、HMI和CNC等功能和产品在统一的软硬件平台上高度整合为网络化数控系统。控制主机与伺服单元之间通过现场总线驱动,极大提高了机械的性能。同时,该网络化数控系统具备信息化软硬件接口,可以无缝连接物联网售后服务管理系统和MES系统。工作过程,远程监控终端也可以“一网到底”对驱动等核心部件加以监视甚至实施在线状态修改、机械远程诊断和软件更新。以满足现场和柔性工作的需求。支持手机、PAD等无线移动终端。

其次,能实现注塑机装备机械的联网。客户可借互联网的强大优势,将工厂内所有应用此款控制器的机器进行高效的生产管理、工艺、调校和品质检测等各项资源整合,具有无线网络功能,可实现对生产过程的监控和信息管理,让客户充分享受到资讯化的高效与方便。利用高速以太网路或是无线网络作为传送界面,把注塑机与中央伺服器连接在一起。注塑机在每一个周期中的注塑参数均传送至伺服器,利用内联网及互联网的功能,公司内部员工只要有足够权限的,便能在公司内的电脑得知各台注塑机的生产情况;而身在外地的管理者,更能通过互联网进行远端车间监控,甚至作出生产排程的更改及排单报表。

第三,能实现注塑机向更高的控制精度发展。通过网络传输数据,速度、精度和控制系统的数据处理速度等都有了很大的提升,这样一来注塑机整体的运动精度页显著提高。 

最后,由于所在数据接口标准化,因此可以将具有标准接口的智能传感器接入控制系统,实现注塑机的智能化发展。

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