注塑机先进网络化数控系统浅谈
2018-3-27 来源：震雄集团，广东深圳 作者：黄俊军
摘要:本文阐述了注塑机国内数控制系统在设计水平上的不足而欧美控制系统的网先进性和网络化已经成为了当今注塑机控制系统的潮流。同时也阐述了网络化数控系统与信息化融合发展的注塑机控制系统是新趋势。
关键词: 注塑机、网络化，信息化，自动化、数控系统、EtherCAT、现场总线、非线性
1、前言
注塑机是塑料加工领域的关键设备。中国是全球最大的注塑机制造国，也是全球注塑机保有量最大的国家。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。虽然上述两种方法可以完成注塑机的正常运行，但是该种控制系统存在以下不足:控制系统实时性差，速度慢，控制精度不高，开发周期长，保养维修升级困难。另外，注塑机正朝着高速、高效、低能耗和高自动化的方向发展，这就要求注塑机具有完善的自动化控制与调节系统，以确保对注射成型过程的工艺参数实行高重复度、高灵敏度的可靠性。
当今国际高端注塑机的控制装置正朝着智能化、模块化、简便化发展，长期以来，国内市场的高档注塑机的控制系统都是从国外进口，缺乏自主知识产权，目前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，本项目的目标是以自主研发的具有国际先进水平，融合PLC, MC, HM工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，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系统。这也是当前我国装备制造行业迫切需要解决的问题之一，它对提升产业的技术水平，提高产品的附加值有着重要而深远的意义。
此外随着金融危机、原材料、能源成本和劳动力成本的快速上升，中国制造业正而临着严峻的挑战。利润率低，招工困难、工人管理难等问题逐步成为困扰我国制造业进一步发展的重要制约因素。注塑机是制造业的基础装备之一，我国拥有全球最大的注塑机保有量。制造业企业迫切需要利用自动化技术和信息化技术提升业工厂的管理水平，提高生产线率，节约能源和原材料的消耗。这些都要求注塑机等制造业装备所使用的数控系统具备网络化和信息化接口，具有接入制造执行系统MES的能力。MES等先进制造信息化管理技术，可以实现管理生产车间的机械装备、生产过程，实现对生产过程的全程信息化监控、数据自动采集、统计和分析，对机械装备故障和制造过程问题的远程排查、生产过程能源管理等。目前沿海一些城市一些国际知名的家电制造商，均提出了对注塑车间进行信息化联网改造的需求。然而由于这些车间所大量使用的注塑机不具备网络化和信息化接口，尚难以直接利用现有注塑机的数控系统实现车间的联网和信息化管理等工作。因此具备信息化接口的注塑机网络化数控系统是未来注塑机以及其他装备数控技术的发展方向，是工业化和信息化两化融合的具体结合点，对我国产业的转型和升级具有深远的意义。
2、国内外注塑机控制系统技术发展现状与趋势
2.1 注塑机数控系统发展现状与趋势
目前，国内应用于注塑机的数控系统技术路线五花八门。主要的类型包括PLC、单片机等。这些控制器所采用的处理器和操作系统和技术路线样式繁多，技术方案五花八门。这些产品的编程方式也是五花八门。有利用工EC61131 - 3语言编程的PLC。也有利用C, C十十，MFC编程的产品。此外，这些数控系统的通信方式也是五花八门。有利用脉冲通信的，有利用低速串口通信的，如RS232, RS485等。有利用CAN总线通信的，还有利用各种以太网协议通信的。许多注塑机制造企业，自动化、信息化技术应用能力薄弱，企业为供应商的系统。而这些系统往往又采用了不同的技术路线，不同的现场总线标准和不同的编程应用环境。由于控制系统庞杂，这就给许多注塑机制造企业售后服务和维护带来了极大的困难。此外，许多企业开发的注塑机数控系统不具备网络化通信能力，难以接入车间信息化管理系统。
当前国际上机械装备控制系统一个大的发展趋势就是走网络化数控的道路。由于摩尔定律主导的微处理器技术的快速发展，处理器性能在飞速提升的同时，价格却在不断下降。这就使得过去需要专门硬件实现的PLC, MC, CNC, HM工可以在统一开放的高性价比计算平台上通过软件实现。即利用通用处理器平台和自动化软件中间件，将PLC、运动控制器、数控系统等功能全部整合(ALL一工n-One)。除了整合自动化技术外，利用通用处理器的计算能力，还同步实现人机界而和网络通信的能力。从而成为具备高性能网络通信能力的计算机数字控制系了降低成本，往往在一个企业内，同时引入多家数控系统统，即网络化数控系统。在编程环境方而，这类数控技术均采用了工EC61131-3语言标准，即兼容PLC的编程方式。编程环境与处理器和操作系统无关。这就为这类系统在机械装备行业的广泛应用奠定了坚实的基础，成为了注塑机等机械装备控制系统未来发展的趋势。
国际上具有代表性的网络化数控系统是德国毕孚公司的产品。该公司主要利用工ntel X86处理器平台，结合WinXPE和WinCE操作系统，并结合德国CodeSys Runtime和自主研发的TwinCAT自动化软件，为用户提供了能够融合PLC, MC, CNC, HM工等功能的网络化数控系列产品。毕孚公司与德国ETG组织结合，主推基于EtherCAT的实时现场总线。由于EtherCAT技术的先进性和开放性，目前全球支持EtherCAT现场总线的厂家多达100多家。主要产品覆盖了网络化数控系统、伺服驱动、变频器、工。、高性能传感器等。主要的厂家包括了德国包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本安川等顶级的自动化配件厂家。在信息化方而，毕孚的网络化数控接口主要以OPC为主。同时该公司还开发了EtherCAT到主流现场总线的转换网关。从而使得毕孚的产品可以几乎应用于工业的所有领域。由于其开放性，用户可以利用EtherCAT标准和TwinCAT或者Codesys平台，自由选择全球主要自动化供应商的配件加以集成。从而在全球逐步形成了以EtherCAT为标准的松散的全球开发者联盟。毕孚公司的网络化数控产品已经广泛应用于注塑机、木工机械、风力发电、光伏装备、工业机器人、楼宇自动化、石油、化工等几乎所有的工业领域。除了毕孚外，德国的包米勒、路斯特、菲斯特、穆格、菲尼克斯、日本的安川、美国的派克等公司也都大力研发和推广技术路线非常类似的网络化数控系统产品。这些公司的其他产品，如伺服驱动、变频器、阀门等在EtherCAT平台和标准上也能够相互兼容。这类开放和具备灵活搭配组织能力的网络化数控技术，在国际自动化和信息化市场上正方兴来艾。
此外，包米勒、路斯特、穆格等公司还根据市场的需求，开发出可以嵌入伺服驱动的网络化数控运动控制卡。这类运动控制卡采用了嵌入式处理器，但仍然采用了软PLC, MC, CNC等相融合的技术。并且利用伺服驱动的计算能力，可以扩展工0和网络。这类嵌入式的网络化数控技术，可以进一步简化产品的硬件结构，降低某些行业和应用的成本。
网络化数控技术在塑料机械应用方而，目前震雄集团公司走在了国内同行的前列。该公司于2009年既利用德国毕孚公司的TwinCAT自动化软件平台和EtherCAT实时以太网技术，在基于PC的工控机平台上开发了国内首台基于网络化数控的全电动注塑机数控系统取得成功。这一成功也引起了国内同行的普遍关注。然而由于国外数控平台成本高昂，限制了这一技术在注塑机行业的推广和应用。
图1 五花八门的控制系统
图2 网络化数控技术对自动化产品的整合
2.1 网络化数控系统与信息化融合发展的新趋势
由于网络化数控系统采用了通用处理器和通用操作系统平台，这就为数控系统与MES等信息系统的直接融合创造了条件。网络化数控系统通常具备两类通信网络。一类是而向现场的现场总线。当前，高性能实时工业以太网现场总线技术，如EtherCAT等将取代传统模拟电压或者脉冲信息传递方式得到广泛应用。利用实时以太网可以直接连接传感器、伺服驱动、变频等数控系统周边设备。其性能已经达到或者接近计算机插卡的水平。但由于这类方式连接灵活，电缆数量少，扩展方便，具备分布式安装等一系列的优点，在机械装备特别是大型生产线领域得到广泛应用。此外，网络化数控系统通常具备接入以太网的能力。除了实时控制底层硬件外，还具备和信息管理系统通讯和接口的能力。利用网络通信能力的支持，机械装备融入信息化管理系统如MES, ERP，并且也将成为未来数字装备信息化的基本形态。
目前国际上主流的网络化数控系统都能够通过编程，采集机械装备和各外围网络连接部件的工作状态，采集生产信息。并且都具备将信息通过网络发送的功能。支持TCP/工P甚至HTTP等网络协议。利用这些网络化数控系统和技术，可以非常方便将机械装备接入MES管理系统。甚至生产信息的采集可以直接利用机械装备的数控系统，而不需要额外再增加数据采集端。这些都使得网络化数控等先进自动化技术与MES等信息化技术具有非常好的融合能力。
3、先进网络化数控系统产业化前景分析
国内注塑机生产企业的控制系统大多依靠外购或者合资研发，而这些控制系统大都只适合应用于低端机器，高端机器上的控制系统很大部分是进口的。针对用于高端机器控制系统的解决方案，目前为比我国大部分注塑机企业还没在以上研发出可以产业化的产品来。现在大部分有实力的企业而临设备的更新，所以网络化数控系统注塑机是这些企业的首选。产品预测在市场的占有率会大于30%.
4、结论
随着计算机技术、网络技术的日益普遍运用，注塑机网络化数控系统向网络化、集成化已成必然的趋势和方向，互联网进入注塑制造工厂的车间只是时间的问题，数控系统技术的高低关系到国家的战略地位和综合水平，数控网络化是实现网络化制造的关键技术。
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