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注塑機先進網絡（luò）化數（shù）控係統淺談

2018-3-27 來源：震雄集團，廣東深（shēn）圳作者：黃俊軍

摘要（yào）:本文闡述了注塑（sù）機國內數控製係統在（zài）設計水平上的不足而歐美控製係統的網先進（jìn）性和網絡（luò）化（huà）已經成為（wéi）了當今注（zhù）塑機控製（zhì）係統的潮流。同時也闡述了網絡化數控係統與信息化融合發展的注塑機控製係統是（shì）新趨勢。

關鍵詞: 注塑機（jī）、網絡化，信息化（huà），自動化、數（shù）控係統、EtherCAT、現場總線、非線性

1、前言

注塑機是塑（sù）料加工領域的關鍵設（shè）備。中國是全（quán）球最（zuì）大的注塑機製造（zào）國（guó），也是全球注塑機保有量最大的國（guó）家。注塑機的先進性主要體現在其控製裝（zhuāng）置的設計水平上，目前國內注塑機（jī）大部分采用PLC或者基於單片機芯片的控（kòng）製係統。雖然（rán）上述兩（liǎng）種方法可以（yǐ）完成注塑機的正常運行，但是該種控製係統存在以下不足:控製係統實時性差，速度慢，控製精度（dù）不高，開發（fā）周期長，保養維修升級困難。另外，注塑機正朝著高速、高效、低能耗和高自動化的方向發展，這就要求注塑機具有完善（shàn）的自動化控製與調（diào）節係（xì）統，以確保對注射成型（xíng）過程的工藝（yì）參數實行高重複度（dù）、高靈敏度的可靠性。

當今國際高端注塑（sù）機的控製裝置正朝著智能化、模塊化、簡便化發（fā）展（zhǎn），長期以來（lái），國內市場的高（gāo）檔（dàng）注塑機的控（kòng）製係統都是從國外進口，缺乏自主知識產權，目前進口（kǒu）的通用控製係統不能（néng）完全滿足注塑（sù）機非線性運（yùn）動規律的要求，且價格（gé）昂貴，本項目的（de）目（mù）標是以自主研發的具有國際先進水平，融合PLC, MC, HM工和實時工業以太網的網絡化數控係統在（zài）注塑機（jī）上的應（yīng）用作為試點，替代（dài）國（guó）外的進口（kǒu）產品，實現（xiàn）具有自主知識產權的符合多樣化注塑工藝的實時高速多功能控製係（xì）統。這也（yě）是當前我（wǒ）國裝備製造行業迫切需要解決的問題（tí）之一，它對提升（shēng）產業的技術水平（píng），提高產（chǎn）品（pǐn）的附加值（zhí）有著重要而深遠的意（yì）義。

此外隨著（zhe）金融危（wēi）機、原材料、能源成（chéng）本和勞動（dòng）力成（chéng）本的快速上升，中國製（zhì）造業正而臨著嚴峻的挑戰。利潤率低，招工困難、工人管理難等問題逐步成為困擾我國製造業進一步發（fā）展的重要製約因素。注塑機是製造業的基礎裝備之一，我國擁有全球最大（dà）的注塑機保有量。製造業企業迫切需要利用自動化技術和信息化技術提升業工廠的管理水平，提高生產線率，節約能源和原材料的消耗。這些都要求注塑機（jī）等製造業裝備所（suǒ）使用的數控係統（tǒng）具備網絡化和信息（xī）化接口，具有接入（rù）製（zhì）造執（zhí）行係統MES的能力。MES等先進製造信（xìn）息化管理技術，可以實現管理生產車間的機械裝備、生產過程，實現對生產過程的全程信息化監控、數據自動采集、統計和分析，對機（jī）械裝備故障和製（zhì）造過（guò）程問題（tí）的遠程排查（chá）、生產過程能源管理等。目前沿海一些城市一（yī）些國際知名的家電製（zhì）造商，均提出了對注塑車間（jiān）進行信（xìn）息化聯網改造的需求。然而由於這些車間所大量使（shǐ）用的注塑機不具（jù）備網絡化和信（xìn）息化接口，尚難以直接利用現有注塑機的數控係統（tǒng）實現車間的聯網和信（xìn）息化管理等工作。因此具備信息化接口的注（zhù）塑機網（wǎng）絡化數控係統是未（wèi）來注塑機以及其他裝備數控（kòng）技（jì）術的發展方向，是工業化（huà）和信息化（huà）兩化融合的具體結合點，對我國產業的（de）轉（zhuǎn）型（xíng）和升級具有深遠的意義。

2、國（guó）內外注塑機控製係統技術發（fā）展現狀與趨（qū）勢

2.1 注塑機數控係統發展現狀（zhuàng）與趨勢

目前，國內應用於注（zhù）塑機的數控係統技術路線（xiàn）五花八門。主要的類型包括（kuò）PLC、單片機等。這些控製器所采用的處理器和操作係（xì）統和技術路線樣式繁多，技術方案五花八門。這些（xiē）產品的編程方式也是五花八門。有利用工EC61131 - 3語言編程的PLC。也有利（lì）用C, C十十，MFC編程的產品。此外，這些數控係統的通信（xìn）方式也是五花八門。有利（lì）用脈衝通信的，有利用低速串口（kǒu）通信的，如RS232, RS485等。有利用CAN總線通信的，還有利用各種以太（tài）網協議通信（xìn）的。許多注塑機製造企業，自動化、信息化技術應（yīng）用能力薄弱，企業為供應商的（de）係統。而這些係統往往又采用了不同（tóng）的技術路線，不同的現場總線標準和不同的（de）編程應用環境。由於控（kòng）製係統龐雜，這就給（gěi）許多注塑機製造企業售後服務和維護帶來了極大的困難。此外，許多企業開發的注塑機數控係統不具備網絡化通信能力，難以接入車間信（xìn）息化（huà）管理係統。

當前國際上機械裝備控製係統一個大的發展趨勢就是走網絡化數控的道路。由於摩（mó）爾（ěr）定律主導的微處理器技術（shù）的快速發展，處理器（qì）性能在飛速提升的同時，價格卻在不斷下降。這就使得過去需要專門（mén）硬件實現的（de）PLC, MC, CNC, HM工可以在統一開放的高性價比計算（suàn）平台上通過（guò）軟件實現。即利用通用處理器平台和自動化（huà）軟件中間件，將PLC、運動控製器、數控係統等功能全部整合(ALL一（yī）工n-One)。除了整合自動化技術外，利用通用處理器的計算能力，還同步實現人機界而和網絡通信的能力。從而（ér）成為具備高性能網絡通信（xìn）能力的計算機數字（zì）控製係了降低成本，往往在一個企業內，同時引入多家數控（kòng）係統統，即網絡化數控係統。在編程環境方而，這（zhè）類數控技術均采用了工EC61131-3語言（yán）標（biāo）準，即兼容PLC的（de）編（biān）程方式。編程環境與處理器和操（cāo）作係統無關。這就為這類係統在機械裝備（bèi）行業的廣泛（fàn）應用奠定了堅實的基礎（chǔ），成（chéng）為了注塑機等機械（xiè）裝備控（kòng）製係統未來發展的趨勢。

國際上具有代表性的網絡化數控係統是德國畢孚公司的產品。該公司主要利用工ntel X86處理器平台，結合WinXPE和WinCE操作係統，並結合德國CodeSys Runtime和自主研發的TwinCAT自動（dòng）化軟件，為用戶提供了能夠融合PLC, MC, CNC, HM工等功能的網絡化數控係列產品。畢孚公司與（yǔ）德國ETG組（zǔ）織結合，主推基於EtherCAT的實時現場總線。由於EtherCAT技（jì）術的先進性和開放性，目前全球支持EtherCAT現場總線的廠家多達100多家。主要產品覆蓋了網絡化數控係統（tǒng）、伺服驅動、變頻器（qì）、工。、高性能傳感器等。主要的廠家包括了德國包米勒、路斯特（tè）、菲斯特、穆格、菲尼克斯（sī）、日本安川等頂級的自動化配件廠家（jiā）。在信息化方而，畢孚的（de）網絡化（huà）數控接口主要以OPC為主。同時該（gāi）公司還開發了EtherCAT到主流現場總線的轉換網關。從而使得畢孚（fú）的產品可（kě）以幾乎應用於工業的所有領域（yù）。由於其開放性，用戶可以利用EtherCAT標準和TwinCAT或者Codesys平台，自由（yóu）選（xuǎn）擇全球主要自動化（huà）供應商的配件加以集成（chéng）。從而在全球逐步形成了以EtherCAT為標準的鬆散的全球（qiú）開發者聯盟。畢孚公司的網絡化數控產（chǎn）品已經廣泛應用於注塑機、木工機（jī）械、風力發電、光伏裝備、工業機器（qì）人、樓宇自動化、石油、化（huà）工等幾乎所有的（de）工（gōng）業領域。除了畢孚外，德國的包米勒（lè）、路斯特、菲斯（sī）特、穆格（gé）、菲尼克斯、日本的安川、美國的派克（kè）等（děng）公司也都（dōu）大力研發和推廣技術路線非常類似的網（wǎng）絡化數控（kòng）係統產品。這些公司的其他產品，如伺服驅動、變頻器、閥門等在（zài）EtherCAT平台和標準上也能夠相互兼容。這類開放和（hé）具備（bèi）靈（líng）活搭配組織能（néng）力的網絡化數控技術，在國際自動化和信（xìn）息化市場上正方（fāng）興來艾。

此外，包米勒、路斯特、穆格等公司還根（gēn）據市場的需求，開發出可以嵌入伺服驅動的網絡化數控運動控製卡。這類運動控製卡采用了嵌入（rù）式處理器（qì），但仍然采用了軟PLC, MC, CNC等相融合的技術。並且利用伺服驅動的計算能力，可以擴展工0和網絡。這類嵌入式的（de）網絡化數控技術，可以進一步簡化（huà）產（chǎn）品的硬件結構，降低（dī）某些行業和應用的（de）成本。

網絡化數控技術在塑料機械應用（yòng）方而，目前震雄集團公司走在了國內同行的（de）前列。該公司於2009年既利用（yòng）德國畢孚公司的TwinCAT自動（dòng）化軟件平台和EtherCAT實時以太網技（jì）術，在基於PC的（de）工（gōng）控機平台上開發了國內首台基於網絡化數控的全電動注塑機數控係統取得成功。這一成功也引起了國內同行的普遍關（guān）注。然而由於國外（wài）數控平台成本高昂，限製了這一技術在注塑機行業的推廣和應用。

圖1 五花八門的控製係統

圖2 網絡化數控（kòng）技術對自動化產品的整合

2.1 網絡化數控係統與信息化融合發展的新趨勢

由（yóu）於網絡化數控（kòng）係統采用了通用（yòng）處理器和通（tōng）用操作係統平台，這就為數控係統與（yǔ）MES等信息係（xì）統的（de）直接融合（hé）創造了條件。網絡化數控係統（tǒng）通常（cháng）具備兩類通（tōng）信網絡。一類是而向現場的現場總線。當前，高性能實時工業以太網現場總（zǒng）線技術，如EtherCAT等將取代傳統模擬（nǐ）電（diàn）壓或者脈衝（chōng）信息傳遞方式得到廣泛（fàn）應用。利用實時以太網可以直（zhí）接連接傳感器、伺服驅動、變頻等數控係統周邊設備。其性能已（yǐ）經達到或者接近計算機插卡的（de）水平（píng）。但由於這類方式（shì）連接（jiē）靈（líng）活，電纜數量少，擴展方便，具備分布式安（ān）裝等一（yī）係列的優點，在機械裝備特別是大型生產線領域得到廣泛應用。此外，網（wǎng）絡化數控係統通（tōng）常具備接入以太（tài）網的（de）能力。除了實時控製底層（céng）硬件外（wài），還具備和信息管理係統通訊和接口的能力。利用網絡通信能力（lì）的（de）支持（chí），機械裝備（bèi）融入信息化管理係統（tǒng）如MES, ERP，並且也將成為未來數字裝備信息化的（de）基本形態。

目前國際上主流的網（wǎng）絡化數控係統都能夠通過（guò）編程，采集機械裝備（bèi）和各外圍網絡連接部件的工作狀態，采集生產信（xìn）息。並且都具（jù）備將信息通過網（wǎng）絡發送（sòng）的功能。支持TCP/工P甚至HTTP等網絡（luò）協議（yì）。利用這些網絡化數（shù）控係統和技術，可以非常方便將機械裝備接入MES管（guǎn）理（lǐ）係統（tǒng）。甚至生產信（xìn）息的采集可以直（zhí）接利用機械裝備的數控係統，而不需要額外再增加數據采（cǎi）集端。這些都使得網絡化數控等先進自動化技術與MES等信息化技術具有非常好的融合能力。

3、先進網絡化數控係統產業化前景分析

國（guó）內注塑機生產企業（yè）的控製係統大多依靠外購或者合資研發，而這些控製係（xì）統大都（dōu）隻適合應用於低端機器，高端機器上的（de）控製係統很大部分是進（jìn）口的。針對用（yòng）於高端機器控製係統（tǒng）的（de）解（jiě）決方案，目（mù）前為比（bǐ）我國大部分注塑機企業還沒在（zài）以上研發出可以產業化的產品來。現在大部分有實力的企業而臨（lín）設備的更新，所（suǒ）以網絡化數控係（xì）統注塑機是（shì）這（zhè）些企（qǐ）業的首選。產品預測在市（shì）場的占有率會大於30%.

4、結論

隨著計算（suàn）機技術、網（wǎng）絡技術的日益普遍運用，注塑機網絡化（huà）數控係統向網絡化、集成化（huà）已成必（bì）然的趨（qū）勢（shì）和（hé）方向，互（hù）聯網進入注塑製（zhì）造工廠的（de）車間隻是時間的問題，數控係統技術的高低關係到國家的戰略地位和綜合水平，數控網絡化是實現網絡化（huà）製造的關鍵技術（shù）。

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