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EtherCAT实时以太网论文EtherCAT实时以太网在卷接机组电控系统中的应用

EtherCAT实时以太网论文：

EtherCAT实时以太网在卷接机组电控系统中的应用

Real－timeEtherCATTechnologyinFilterCigaretteMarkerControlSystem

摘要：

通过对EtherCAT工业以太网总线技术的研究，根据卷烟机组生产工艺的特点和控制要求，设计了基于IPC－PLC的高速卷接机组电控系统。

系统采用工业控制计算机IPC为控制核心，以可编程控制器PLC实现机组的过程控制，通过PROFIBUS－DP总线完成机组各系统间的数据通讯。

并利用EtherCAT高速实时工业以太网和TwinCAT实时系统，实现烟支质量检测和重量控制功能。

AbstractThroughresearchingonEtherCATindustrialEthernet,accordingtothefeaturesandrequirementsoffiltercigarettemarker,anewelectriccontrolsystembasedonIPC－PLCisdesigned,whereinIPCisusedasahostcontrolcenter,andPLCisusedforprocesscontrol,thecommunicationbetweendifferentunitsiscarriedbyPROFIBUS－DP．

关键词：

IPC工控机，可编程控制器PLC，卷接机组电控系统，TwinCAT实时系统，EtherCAT工业以太网Keywords:

IPC,PLC,filtercigarettemarlercontrolsystem,TwinCATreal－timesystem,EtherCATindustrialethernet

高速卷接机组要求对高速运行的卷烟产品进行实时在线的质量检测，采样频率的提高和实时控制的要求，使采样数据在设备间传输的实时性变得十分重要。

采样数据的实时性影响到卷烟设备电控系统的性能和效果。

使用传统的总线控制技术很难满足控制系统实时性的要求，而实时以太网技术的发展，不但可以在设备间实时、高效传输数据，还能满足基于IPC实时控制的技术要求。

因此，利用实时以太网技术，依托工业计算机IPC的强大运算和处理能力的优势，设计了基于IPC控制技术和实时以太网技术的卷接机组电控系统。

1电控系统设计方案新型电控系统主要由人机界面系统、重量控制系统、质量检测系统、PLC控制系统、阀岛控制系统以及伺服驱动系统等各分系统组成，通讯方式分两种，实时性要求不高的信号可通过PROFIBUS－DP总线方式连接到IPC，实时性要求高的信号可通过EtherCAT总线快速连接到IPC中。

电控系统组成结构图系统采用西门子公司的工业控制计算机IPC完成人机界面系统、重量控制系统、质量检测系统的功能。

PLC选择西门子公司的S7－400系列可编程控制器，PLC作为系统的主站，通过PROFIBUS－DP总线与分系统（从站）相连，负责整个机组的逻辑控制、状态监控。

接口设备选用德国倍福公司的标准输入输出等模块，外围传感器和IPC控制核心之间通过EtherCAT实时以太网进行高速数据交换，实现系统的质量检测和重量控制功能。

整个系统利用PROFIBUS－DP总线和EtherCAT实时以太网总线，构建了基于现场总线的FCS分布式实时控制系统。

其中工业以太网EtherCAT高速、自由、灵活的数据传输处理能力，使卷接机组人机界面和IPC控制系统之间可以轻松完成全方位、大容量的数据交换；使卷接生产线各个控制系统之间实现自由、开放协议的大数据量通讯成为可能；最终使卷接、包装和辅联设备成为一体化的、智能的生产设备。

2系统的硬件结构设计

2．1PLC系统系统采用西门子S7－400做为主PLC，来完成整个机组的逻辑控制，增强控制功能，提高系统的稳定性。

并负责与工控机IPC及其余分布式I／O的通讯，CPU414－2DP上具有两个PROFIBUS－DP接口，工控机与PLC的通讯通过其中一个总线接口完成，主PLC与分布式I／间的通讯通过另一个总线接口和ET200通讯模块实现。

主PLC部分包括CPU模块、输入输出模块、通讯模块CPU模块根据用户要求，通过各分布式I／O，完成机器所有逻信号的分析、系统检测、以确保机组正常运行。

同时主PLC还要采集电控柜内各空气开关、接触器等的状态，提供主电机驱动水松纸电机驱动、大流量电机驱动的变频器使能、命令等信号。

2．2IPC操控系统组成和实现工业控制计算机IPC是整个系统的控制核心。

它的主要功EtherCAT实时以太网在卷接机组电控系统中的应用能是实现人机界面的参数设置和图形显示功能，同时完成烟支的质量检测和重量控制功能。

IPC不仅能够完成控制功能，而且具有更强的运算和信息处理能力。

通过实时操作模块Twin-CAT，IPC实现了烟支质量检测和重量控制功能，TwinCAT系统由实时环境和在开发环境中执行控制程序的实时系统组成。

TwinCAT可提供精确的时基，使质量检测和重量控制程序可以最高的确定性被执行，而与其它处理器任务无关。

这个技术特征能够完全满足质量检测和重量控制系统对烟支空头信号、稀释度信号和重量信号高速采样的实时性需求。

要在IPC计算机内实现质量检测功能和重量控制功能，最大的问题就是解决软件处理实时性的问题。

在系统设计中，IPC计算机操作系统采用Windows－CE实时操作系统，实时控制系统软件构成Windows－CE操作系统作为操控系统的软件运行平台，是微软专门为工业过程控制推出的一套实时操作系统；软PLC运行环境包括控制软PLC程序运行软件，可根据系统需求，配置OPC数据接口和IO接口的插件；通过工业以太网通讯软件完成IPC计算机和机组工业以太网的数据通讯功能；驱动软件包括IPC计算机各个硬件功能平台的系统驱动程序；系统选用德国倍福公司的TwinCAT软件作为实现质量检测和重量控制功能的开发平台，其编程环境为IEC61131－3标准工业控制编程语言，以循环执行的方式来执行软件，循环周期设为100μs，能够满足卷烟机高速生产时对检测系统的实时性要求。

2．3人机界面系统人机界面系统主要由西门子工业控制计算机IPC、液晶显示器、触摸屏、PROFIBUS－DP接口、EtherCAT以太网卡组成。

系统使用DELPHI软件来设计开发人机界面，通过TWinCAT的ADS通讯功能来完成人机界面和重量控制分系统、质量检测分系统的通讯；通过DDE技术实现人机界面与PLC之间的通讯。

人机界面系统主要完成以下功能：

PLC各输入输出点的状态监控、故障诊断及参数设置；重量控制与紧头自动跟踪系统状态监控、参数设置、功能测试及数据显示；烟支重量曲线、紧头位置曲线的显示；稀释度、空头检测系统的状态监控、参数设置及功能测试及数据显示；稀释度、空头曲线的显示；机器运行状态监控；机器停机原因统计、产量统计及工作班报表等。

3EtherCAT以太网总线通讯设计本系统中，采用EtherCAT总线作为重量控制系统、质量检测系统的信号采集及废品剔除、控制的传输通道，具有数据传输速度高、实时性强等优点，同时增加以太网层，使系统电气控制的结构层次更加的清晰和简单。

EtherCAT系统是一种主从通信系统，整个系统由主站与从站构成。

卷接机组电控系统的EtherCAT总线通讯由一个主站和两个从站组成，采用装有EtherCAT总线接口功能网卡的西门子工控机做为系统主站，EtherCAT耦合器EK1100做为从站通讯接口。

总线耦合器1是质量检测系统的总线通讯从站，总线耦合器2是重量控制系统的总线通讯从站，三者之间利用EtherCAT总线的易连接性和易扩展性可以方便快速的连接使用。

图4EtherCAT总线通讯结构图EtherCAT主站功能是利用倍福公司提供的TWinCAT组软件来实现，通过配置该组态软件将其运行在装有Windows－C的计算机中，可实现主站的功能，该系统由核心模式和用户模式组成。

核心模式中运行一个实时内核（BECKHOFF实时核），该内核嵌入在Windows－CE操作系统中，实现数据通信的实时性。

系统中其它各逻辑设备通过AD（AutomationDeviceSpecification）接口与ADS路由器进行信息交换。

用户程序运行在用户模式中，通过循环扫描的方式来执行程序，每一个循环周期的时间可通过系统参数设定的。

在一个循环周期中BECKHOFF内核优先使用CPU完成用户控制任务，当任务完成将CPU的使用权交与操作系统，以达到实时控制。

TWinCA还提供了OCX、DLL、OPC等接口以实现人机界面功能。

在实际应用中，用户根据从站设备特点编写从站设备配置文件（xml文件），使主站能够识别从站设备以进行相关的初始化与控制。

4系统主要功能

4．1质量检测系统质量检测系统分为稀释度检测和空头检测。

负压传感器信号、空头信号先经过放大处理，然后送输入模块。

缺烟探测器、坏封传感器、轴编码器等信号直接送输入模块。

在模块中处理后通过EtherCAT总线送到IPC中，在IPC中可以计算出单支烟的稀释度、空头数值，与人机界面上设定的检测参数进行比较、判断和剔除。

质量检测系统还可实现无嘴白杆烟的检测剔除，坏封定位的指示，以及不合格烟支的数据统计等功能。

在质量检测系统的空头和稀释度程序中，采用了“门限控制设计”和“窗口平滑滤波技术”，提高烟支的检测精度。

还在稀释度检测程序中采用“二阶BUTTERWORTH数字滤波器”算法消除外部气源波动干扰对稀释度计算的影响，可提高现场漏气烟支检测的准确性，有效的降低误剔率。

4．2重量控制系统重量信号首先输入到输入模块，经A／D转换处理后，通过EtherCAT总线送到IPC工控机中，在IPC中可以计算出单支条的重量，然后计算出N支烟的内部实际重量与内部目标重量的差，根据人机界面设定的重量参数，调整劈刀的位置，减少或增加烟丝的重量，确保烟支重量能稳定在较小的波动范围之内，并实现废品烟检测、采样和剔除。

在实际生产过程中，由于卷烟机的生产速度达到8000支／min，单支烟的处理时间约为117μs，期间要对双倍烟长进行128个点的高速数据采样和实时计算分析，对重量控制的实时性要求较高。

因此重量控制软件采用了以密度脉冲信号为基准的方法,并在软件设计中应用PID算法，提高烟支平均重量的控制精度。

重量控制系统还增加了紧头自动跟踪与调整功能。

可根据编码器的指示脉冲与烟丝电压信号，在IPC中计算出烟支的紧头位置和密度，判断出相对于刀口的位置，并产生信号控制紧头位置，从而避免烟支大量的空头出现。

5系统设计特点

5．1检测速度快、精度高、抗干扰能力强系统充分利用了计算机高速的计算能力，使用了具有高速采样功能的IO模块，使得系统能对每个烟支可进行上百次的数据采集，高速传送到WinCAT实时处理模块进行烟支的故障判断。

并在软件设计中采用了新的数学模型计算处理，提高了检测的精确和准确性，可有效减少误剔和漏剔现象。

另外，外围传感器信号、空头和漏气信号的数据在传输过程中均采用数字形式，可大大提高质量检测系统的抗干扰能力。

5．2友好的人机界面操作设置所有检测信号的波形都可以直观的显示在人机界面上，用户可以不使用示波器都能快速准确的观察到烟支检测的信号波形图，方便用户现场使用。

质量检测功能参数调整实现了全数字化调整，可在人机界面中进行空头、稀释度信号零点和增益的调整。

只需要简单的输入数值，信号就可以被调整到合适的大小。

而且，检测相位和剔除相位的调整可根据界面的波形显示位置直观设置，方便用户使用。

5．3模块化设计提高系统可靠性和可维修性采用IPC工控机设计质量检测系统，外围接口使用了高密度、高集成、高通用性的IO模块，整个系统十分简练，可降低维护成本，提高了系统的可靠性和可维修性。

维修人员还可以快速的从输入、输出端子上的指示灯的故障提示判断出问题的所在方便现场故障分析和判断，有利于现场设备的调试和维护。

5．4智能化的自诊断、自适应功能系统中使用的IO端子模块大多数都具有状态自诊断功能通过TwinCAT软件可以方便的读取出这些状态位的状态，再配合质量检测系统的故障分析能力，可以方便、快速、准确地诊断出系统的故障，并在人机界面显示报警。

系统在软件设计中还设计了自适应功能，可对不同品牌的烟支，自动建立合理的参数判据，实现不同条件下，空头和稀释度的自动检测功能。

6结束语

基于IPC－PLC的PASSIM卷接机组电控系统采用FCS现场总线结构。

卷烟机、接装机和后身采用PLC、伺服控制技术，同时利用IPC和高速实时以太网技术实现了烟支的质量检测和重量控制功能，极大的简化了系统结构，提高了卷接机组电控系统的稳定性和可靠性。

参考文献

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2010．3．298