基于实时以太网EtherCAT的卷烟机控制

基于实时以太网EtherCAT的卷烟机控制

刘贺阳

河南中烟工业有限责任公司驻马店卷烟厂   河南 驻马店  463000

摘要： EtherCAT网络为卷烟机电控系统提供一个不错的选择,其通信速率可达100Mb/s,硬件自动完成相关协议的转换,全双工传输,完全可以达到实时的效果。在硬件设计过程中,为ZJ17卷接机组添加了新的容量模块和异物剔除功能,同时更新了相关的电子电器设备;在软件设计方面,把扩充了原来的S7协议,重新定制通信接口;最后基于该系统,完成了SRM重量控制系统标准偏差的测量与异物剔除功能的测试,验证了升级后系统的可行性与稳定性。

关键词：EtherCAT;从站控制器;卷烟机;智能模块;

本论文针对ZJ17卷烟机控制系统在实际使用中局限性,采用基于Ether CAT的工业以太网技术对控制系统进行升级改造,并验证了改造后的实际运行效果。改造设计以2个倍福嵌入式逻辑(IPC)控制器为控制核心,其中一个控制器负责过程控制,另一个负责质量控制。

1卷烟机控制系统的发展现状和趋势

随着国内自动化理论和技术的的发展,国内也开始启动对超高速卷接控制系统的研究,同时着手对中高速卷接机控制系统进行改造。目前国内卷烟机控制系统改造和升级研究主要分为2个大的方向。

第一种是仍然以西门子S7400为主要控制核心,通过PROFIBUS或INTERBUS总线连接逻辑控制部分,逻辑控制部分再通过总线连接伺服器,电机采用编码器实现多组电机同时同步,改变以前通过机械齿轮进行传动的方式,大大提高了控制精度。质量和重量控制部分,由于S7400的扫描周期约为1 0ms,而烟支生产过程中单支烟支产生64个脉冲,按照7000支的额定生产速度计算,每个脉冲时间为1 34us,PLC无法直接控制。因此需要通过定制HIP高速处理板,实现高速处理然后通过总线与S7400通讯的方式传输数据。该种改造方案,大大提高了控制精度,但对HIP处理速度要求较高。HIP是HAUNI公司高速智能处理卡的缩写,是由HAUNI公司与SIMENS公司共同开发的针对PROTOS高中速卷烟机的专用模块,主要功能是进行通讯和高速信号处理,以便完成对烟支的同步追踪和最终的废品剔除,可以说是卷烟机的一个重要核心,但是此模块对外技术封锁,因此目前国产的ZJ1 7和ZJ1 1 2机型基于西门子S7400为主要控制核心的控制系统改造,仍依赖于HAUNI公司的高速处理模块。同时该种改造包括多种总线,连接需要多个总线耦合器,导致系统稳定性相对较低,各种总线通讯转换时有一定延迟。

第二种采用以EtherCAT总线为主体架构,嵌入式控制器作为控制核心。此系统以基于工业计算机平台为控制核心,借助现代电脑电路板和高速运算芯片,结合专门开发的支持底层数据划分的PLC软件,将处理周期得到很大的提高,完全能够满足卷烟生产过程中设备速度快、过程控制精度高的需求。2.1 EtherCAT系统 EtherCAT是一种直到I/O级的实时工业以太网,从本质上来讲,以太网的介质访问控制MAC(Media Access Control)方式是采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),是一种非确定性的介质访问控制方式,理论上不能达到实时的要求。而EtherCAT为了获得响应时间小于1ms的硬实时,通过对以太网协议进行修改,这个由相应的硬件来实现。在实时通道内由实时MAC接管通信控制,彻底避免报文冲突,简化通信数据处理。

2 EtherCAT运行原理

EtherCAT使用主从模式介质访问控制,主站发送以太网帧给各个从站,但其突破了其它以太网解决方案的系统限制:不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包,然后进行解码并复制为过程数据。当报文在设备的持续传送过程中,每个I/O端子中的FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)就可以读出该报文中指定到此I/O的数据。同样,输入数据可以在报文通过时插入报文中,报文仅有几纳秒的延迟,这是使用其他以太网解决方案无法达到的速率。 从以太网角度来看,一个EtherCAT网段就是一个以太网设备,它接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧,但是,这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及相应的微处理器,它可以由多个EtherCAT从站组成。 这些从站可以直接处理接收报文,并从文中提取或插入相关的用户数据,然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文,并由第一个从站作为响应报文将其送给控制单元。

3 网络通信的实现

3.1 分布式从站与主控PLC通信的实现

主控PLC和分布式从站采用主从方式实现通信, 主站有权发送、读取指令给从站设备, 并周期性地与从站交换数据。对于本系统中具备Profinet接口的ET200M, 作为主控PLC的Profinet子站, 经过组态之后, 即可作为主站的分布式I/O, 在主站的地址过程映像区进行统一编址, 所以在利用STEP7进行编程调用分布式I/O与直接调用主站主机架上的模块I/O没有区别。唯一不同的是, 当一次性调用数据超过4个字节时, 需要调用SFC14和SFC15系统功能块进行读写。

3.2 发送机和卷烟机的PLC与主控PLC通信的实现

发送机和卷烟机的PLC与主控PLC通过工业以太网互相连接, 它们之间进行基于以太网的S7通信, 具体的实现方式与上述主控PLC和分布式从站的有本质性的区别, 具体步骤概述如下:

(1) 配置主控PLC的CP341以太网卡地址为A;

(2) 配置发送机和卷烟机的PLC的CP341以太网卡地址为B;

(3) 上述地址A和地址B应和监控层属于同一网段;

(4) 建立物理连接之后, 在STEP7软件中利用Netpro模块配置两块网卡的逻辑连接;

(5) 配置双边PLC的通信区;

(6) 调用FC5 (AG_SEND) 和FC6 (AG_REC) 功能编写通信程序;

(7) 下载双边PLC的硬件组态和网络组态;

(8) 下载双边PLC的程序。

经过上述配置, PLC之间基于工业以太网的S7通信就建立了, 可以根据通信程序指定的数据通信区域地址, 在程序中调用通信数据了。

在本系统中, 双方通信的主要内容包含:连接逻辑状态、滤棒发送数量等。其中, 通过S7通信获取逻辑状态, 将和硬件电路信号、交换规则设定进行三方比对, 确保滤棒发送不产生规则差错, 并实现了防呆指示和指导连接。

3.3 监控层HMI和主控PLC通信的实现

监控层采用成熟的西门子组态软件Win CC, Win CC对西门子系列PLC有着非常完善的通信支持, 通过其内建的一个SIMATICS7Protocol Suite的驱动程序, 可以经由多种网络通协议如工业以太网、Profibus-DP、MPI、TCP/IP等方便地建立与各种西门子系列PLC的通信通道。在本项目中, 采用基于工业以太网的TCP/IP协议通道。

3.4 管理层网络通信的实现

本系统通过监控层HMI Win CC Runtime默认提供的OPC服务器以工业以太网的形式向管理层各系统提供OPC接口, 并利用Win CC的工业数据桥 (IDB, Industrial Data Bridge) , 将Wincc从主控PLC采集到的数据记录到数据库中。

结束语

目前卷烟行业的机型和控制系统都处于一个过渡时期,由中高速机型向超高速机型过渡,控制系统核心由传统PLC向软PLC过渡。本文针对当前卷烟机控制系统的不足,结合控制系统的发展趋势,提出了基于EtherCAT 工业以太网架构的卷烟机控制系统改造方案,即解决了现阶段控制系统的一些不足,又能对接将来新机型和控制系统,既满足了当下的生产需要,又能为将来新设备的引进作为技术储备。

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