现场总线作业

1、基于工业以太网的滤棒装盒机控制系统的设计1 简介滤棒装盒机是烟草企业生产线中非常重要，也是比较复杂的机器。滤棒是香烟生产必需的产品，所以提高自动化程度和生产效率能够更好的匹配香烟的生产速度，有效降低劳动成本。滤棒装盒机与滤棒成型机相连，完成滤棒生产、装盒、输送，实现滤棒装盒的自动化。本课题依据现有的机械部分进行滤棒装盒机的控制系统设计。配合现有的机械部分完成滤棒装盒机的功能。首先应清楚滤棒装盒机实现的功能。滤棒装盒机从成型机接料，然后装进空盒，盒满后完成封箱动作并输送到下一个生产流程。这就需要装盒机能够自动抓取空盒输送到装盒位置进行装盒，在盒满后能自动进行封箱动作并输送到下一个生产流程，完成装

2、盒机的工作。同时，滤棒装盒机还包括现场总线技术。根据设计要求，设计电控系统配合机械部分完成滤棒装盒机的功能，即为本课题的主要内容。2 总体设计方案滤棒装盒机控制系统主要用于滤棒生产线，通过与滤棒成型机连接，完成滤棒生产、装盒、输送，实现滤棒装盒的自动化。本课题要求使用德国倍福电气公司的软PLC作为控制器，利用工业以太网中的EtherCAT总线、伦茨伺服驱动系统、施耐德变频器和相关的低压电气元器件等实现硬件设计。2.1 滤棒装盒机的结构根据滤棒装盒机的功能可将其分为几大部分：空盒机构、升降机构、装盒机构、封箱机构、满盒直推机构、满盒输送机构、整理机构、输送机构。对于空盒机构、升降机构、装盒机构、

3、满盒直推机构、满盒机构来说，不仅需要调节速度，而且对位置精度有较高要求。使用伺服系统满足其要求。而对于整理机构和输送机构来说，只需调节电机速度即可，所以使用变频器系统即可满足要求。在滤棒装盒机中的信号传输和控制器，根据要求采用工业以太网中的EtherCAT总线和倍福公司的控制器。相应的模块和端子也必须采用倍福公司的产品。从上位机输送的滤棒首先进入料斗，对喂料起缓冲作用，同时装有整理电机。料斗不同的料位对应不同的动作。在料位低于最低料位要求时，除上位机输送电机外所有动作停止，等待料位重新上升到正常料位。如果料位高于正常料位则将产生的故障信息发送至各个相连的机器，并在触摸屏上显示。空盒输送机构由一

4、套伺服控制系统组成，空盒输送机构主要负责将最末端的可和输送至前端，以此将空盒送到升降机构设备上，准备装盒。升降机构、直推机构、整理机构、拍打机构和封盒机构统归于装盒系统。有两套伺服控制系统、一套变频器系统和两套气缸组成。在升降、直推、整理、拍打和封盒等五个部分的协同作用下，共同完成设备的整个装盒过程。在料位达到一定高度后，直推机构每前进、后退往复循环一次，升降机构下降一定的高度。在升降机构检测到有空盒到第一次下降开始至第17次下降完成，升降机构每下降一次并料位达到一定高度满足装盒条件，直推机构开始前进、后退循环运行一次。当直推机构推第4、6、8、10、12、14、16次时，拍打机构与直推机构同

5、时伸出拍打滤棒，将滤棒拍打整齐。拍打气缸最后一次动作后，同时升降机构下降至最低端时，封盒机构动作，通过控制封盒气缸的伸出与缩回来实现封盒动作。满盒推出机构由一套伺服控制系统组成。主要负责将升降机构下降到位后的满盒推出至满盒输送传送带上。在升级机构携带满盒下降到最低位置后，在满盒推出伺服电机的驱动下，通过气缸传动由最前端的玻璃板将下降到最低位的升降机构上的满盒快速推出到满盒输送传送带上并迅速后退至后退位置，以确保升降机构上升过程中与满盒推出装置不发生碰撞。2.2 滤棒装盒机控制系统根据课题要求，滤棒装盒机电控系统的通信使用工业以太网中的EtherCAT总线技术。EtherCAT技术能使通信速度提

6、高几十倍，同时布线比以前简单，成本也相对较低。倍福公司提供了大部分总线端子模块、I/O模块、数据采集模块、嵌入式PC机以及驱动器等等。在本课题中使用倍福公司的嵌入式控制器CX1020和TwinCAT软件配置主站，伺服控制系统配置为从站。总线通讯连接图如图2.1所示。 图2.1 总线通讯连接图3 系统硬件设计方案3.1 伺服控制系统本课题依据要求选择了Lenze公司的伺服驱动器和伺服电机。型号分别为E94ASHE0044和MCS09F38-SRMP1。伺服驱动器E94ASHE0044采用模块化设计，具有高过载能力和较大的功率范围，同时内置了滤波器和电抗器。可以实现高性能的电机控制。安装方式为背板

7、安装。背板安装可将强电（400V）和弱电（24V）安装分离，方便安装和运输节省安装空间。调试软件为L-force Engineer。伺服电机MCS09F38-SRMP1可以在最狭窄的空间实现最佳性能。转矩范围为0.5至190N·m。功率范围为0.25至15.8kW。非常适用于高动态性高精度及最小尺寸要求的应用情况。与其它伺服产品相比，MCS09F38-SRMP1具有以下优势：（1）高过载能力；（2）高旋转加速度；（3）插件技术，快速安装，简易适用；（4）易于调试；（5）旋转变压器作为交替反馈：增量编码器或绝对值编码器；（6）采用高品质磁性材料提升功率密度；（7）更高的精度和能源效率。

8、3.2 变频器系统根据设计要求，本课题选用的变频器需能够进行EtherCAT总线通讯，同时综合容量、控制精度等其他各方面因素，选用施耐德公司的变频器型号为ATV32H037N4。该型号变频器中的RJ45通讯端口用于连接一台使用SoMove软件的PC或者是EtherCAT总线端口。3.3 PLC控制系统根据课题设计的要求，选用倍福公司的CPU模块，对应的电源模块和通讯模块也选择倍福公司的产品。根据工作要求、触点数量需要和通信要求，选择使用CX系列的CPU模块，具体型号为CX1020-0013，电源模块使用与之匹配的CX1100-0004，通讯模块使用CX1020-N000。CPU外观图如图3.1

9、所示。图3.1 CPU模块3.4 总线系统3.4.1 现场总线技术介绍国际电工委员会在IEC61158中给现场总线的定义如下：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。在该定义中，首先说出了它的主要应用场合，即制造业自动化、批量流程控制、过程控制等领域；其次说出了系统中的主要角色是谁，即现场总线的自动装置和控制室内的自动控制装置；第三点说它是一种数据总线技术，即一种通信协议，而且该通信是数字式的（非模拟式的）、串行的（可以进行长距离的千米级通信，以适应工业现场的实际需求）、多点的（真正的分散控制）。现场总线具有以下两个方面的特点：

10、一是在体系结构上成功实现了串行连接，它一举克服了并行连接的许多不足；二是在技术上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场总线设备的高度智能化、互换性和控制功能的彻底分散化。由于现场总线在系统结构上的根本改变，以及技术上的特点，使得现场总线控制系统和传统的控制系统相比，在系统的设计、安装、投运到正常运行、系统维护等方面，都显示出了巨大的优越性。现场总线系统中的智能设备能直接执行传感、控制、报警和计算等功能，因此可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器和计算单元等，也不再需要传统控制系统中的复杂接线，从而节约了硬件数量与投资及维护费用。同时，由于现场总线设备的智能化、数字化，和模拟信号相比

11、，它从根本上减少了传输误差，提高了检测和控制精度，从而系统的可靠性大大提高。现场总线的开放性使用户可以任意选择不同设备厂商的产品来组成系统，而不必考虑系统或设备是否兼容等问题，用户完全掌握了系统集成的主动权。随着现场总线技术在工业应用上的日益成熟，现在大部分新建项目中的控制系统都采用了现场总线的控制方案。所以，现场总线肯定会成为工业应用领域中控制系统的主流选择，这不仅因为节省投资、维护方便，更重要的是它能够提供作为控制领域的底层信息。另一方面，主流现场总线将会占领越来越多的市场份额，而处于劣势地位或后续研发力量跟不上的现场总线将会被淘汰。从总体发展方向来看，由于工业控制实时性、确定性的特点，计

12、算机通信系统不可能替代现场总线，但工业以太网最终会成为一个特定的角色，虽然不一定能完全取代现场总线技术，但可能是一种廉价的、能用于工业控制现场的总线系统。3.4.2 EtherCAT总线技术工业以太网在技术上和计算机网络中的以太网兼容，能达到工业上所要求的数据实时性的通讯及现场环境的程度，且能直接延伸到工厂设备层，是当前工业控制网络的主流发展方向。工业以太网也称以太网现场总线，与传统现场总线比较，它具有性价比高、通讯速率高、兼容性和开放性好、能与商用以太网无缝连接等诸多优点。具有代表性的实时以太网技术有PROFINET、EtherNET、Powerlink、EPA等。其中，EtherCAT技术

13、在拓扑结构、时钟同步、数据传输速度和构建成本方面有很大优势。EtherCAT不仅有高速、高数据有效率等特点，且在布线上有最大的灵活性，可以自由选择拓扑结构。它采用主从式结构，对主站PC机而言，不必专门接口设施，一个标准的以太网控制器即可；从站要有专用的芯片即EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）。EtherCAT总线是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司研发，它符合甚至降低了现场总线的使用成本。同时具有高精度设备同步，可选线缆冗余和功能性安全协议。EtherCAT主张“以太网控制自动化技术”。它是一个开放源代码，高性能的系统，

14、目的是利用以太网协议，在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，利用机器人和其他装备线上的技术。通过采用EtherCAT技术， Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：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。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递（仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT

15、从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。3.4.3 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(Field bus 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

16、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。EtherCAT是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。EtherCAT协议可以包括几个子EtherCAT报文，每个子报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该

17、区域最大可达4GB字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。3.4.4 EtherCAT主站EtherCAT通讯由主站发起，从站之间的通讯是通过主站这个中间路由器来实现的。EtherCAT的两个主站相互不存在互通的关系，但若是某主站兼具从站功能，也是能互通的。主站功能基本都是靠软件实现，故而其在硬件上没什么特殊要求，仅需一块标准以太网卡。和其他的工业以太网类似，EtherCAT除了主站和从站的通信应用外，主站还兼有网络管理和介质读取控制的组织任务。EtherCAT有基于PC和基于嵌入式的两种主站硬件设施。前者只需一块标准的网络接口卡NIC(Network I

18、nterface Card)，该网卡芯片集成有以太网的通信控制器、物理数据的收发器，用于实现数据链路层、物理层的功能。后者要实现数据链路层的功能要把控制通信的器件嵌入在微处理器中。通信控制器用来实现MAC子层功能。可以看出，主站功能主要通过软件来实现。3.4.5 EtherCAT从站65535是EtherCAT网络从站设备的个数极限，对从站按应用层的角度来进行分类，可分为简单的从站、复杂的从站。简单从站要完成相关功能只需使用从站控制器的本身的I/O，复杂的从站要读取来自于EtherCAT网络的数据，且将数据进行交换等等功能，故而其必须有实现控制的应用控制器。3.4.6 EtherCAT状态机任

19、意一个EtherCAT的通信网络都是由大于等于一个的主站和一个乃至任意个从站构成，该网络内的全部设备均支持ESM（EtherCAT State Machine，EtherCAT状态机），且能传送过程数据。在应用层中最重要的部分就是ESM，它主要负责协调主站和从站应用程序在初始化和运行时的状态关系。从逻辑上来说，ESM处在ESC和应用程序之间。EtherCAT设备必须支持四种状态：初始化(Init)，预操作(Pre-Operational)，安全操作(Safe-Operational)，操作(Operational)，除此之外，还有一个可选的状态。从初始化状态向运行状态转化时，必须按照“初始化准

20、备状态安全运行运行状态”的顺序转化，不可越级转化。所有的状态改变都由主站发起，主站向从站发送状态控制命令请求新的状态，从站响应此命令，执行所请求的状态转换，并将结果写入从站状态指示变量。若请求的状态的转换没有成功，从站将显示错误的标识且依旧是原来的状态。3.4.7 EtherCAT总线设备选型同 Beckhoff的总线端子模块类似，EtherCAT端子模块系统是由电子端子模块组成的模块化I/O系统。与总线端子模块不同的是，现场总线信号在总线耦合器内的内部、独立于现场总线的端子模块上执行，EtherCAT在传输至独立的端子模块时仍保留完整的协议。除带有 E-bus 接口的EtherCAT端子模块

21、之外，也可通过EtherCAT总线耦合器BK1120来连接带有K-bus接口的成熟的标准总线端子模块。这样可确保 Beckhoff新老产品与广泛使用的系统之间的兼容性和连续性。EtherCAT端子盒集成了EtherCAT接口，因此，它可直接与EtherCAT系统连接，无需使用附加的耦合器端子盒。因此，每个IP67端子盒都能够保持EtherCAT的高性能。该端子盒外形非常小巧，因此，特别适合用于空间狭小的应用场合。与EtherCAT之间的连接通过屏蔽式M8连接器建立。EtherCAT端子盒能够满足IP67I/O信号的所有系统需求：具有不同滤波的数字量输入，输出电流为0.5和2A的数字量输出，分辨

22、率16位的模拟量输入/输出，热电偶和RTD输入以及步进电机模块。此外，还可提供XFC（极速控制技术）模块，包括带时间戳的输入端子模块。本课题需选用的EtherCAT模块有端子模块和端子盒，即数字量输入/输出模块、EtherCAT通信模块EK1110和远程I/O模块。根据设计所需的触点数量进行选型。数字量输入模块选用EL1008，数字量输出模块选用EL2008，远程I/O选用EP2339-0021。数字量输入模块EL1008的产品外观图如图3.2所示。 图3.2 数字量输入模块 图3.3 数字量输出模块数字量输入模块EL1008使用DC24V电源供电，是一个8通道的数字量输入模块，同时配有一个3

23、ms的滤波。EtherCAT端子模块可通过一个LED来显示其状态。数字量输出模块EL2008如图3.3所示。EL2008数字量输出模块以电隔离形式将自动化单元传输过来的二进制控制信号传到处理层执行器上。EtherCAT扩展端子模块EK1110与EtherCAT端子块的末端相连。具有一个RJ45端口，因此该端子可以将以太网电缆与RJ45接头相连，因此可以将EtherCAT电缆束的电气隔离长度增加最多100米。无需执行参数化或组态任务。远程I/O模块EP2339-0021为DC24V电源供电的16通道混合型远程I/O。可自由配置，最大电流为0.5A。3.5 HMI人机界面3.5.1 HMI技术介绍

24、在工业自动化控制系统中，作为主控制器，PLC扮演着不可替代的作用。在大多数情况下，参数设定和信息显示是最普遍的功能要求。这就是说，在PLC控制系统的运行过程中，操作人员需要实时改变某些参数，也需要了解、掌握控制系统中的实时信息。为实现这样的功能，就需要在“人”和“机器”之间架起一座桥梁，即需要一些设备来完成这些功能。这些能在“人”和“机器”之间实现数据交换的设备就是HMI（Human Machine Interface），即人机界面或人机接口。具体定义如下：连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或

25、输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备，由硬件和软件两部分组成。3.5.2 本设计HMI的选型综合产品参数以及和倍福控制器的匹配，本课题选用施耐德公司的XBTGT6330触摸屏。该触摸屏采用DC24V电源供电，具有包括以太网接口在内的多种接口，无需编程，通过PC上IE浏览器远程监控触摸屏终端。该型号触摸屏尺寸为12.1英寸，为65336颜色、背光彩色TFT LCD显示。分辨率为800×600SVGA，配备的处理器为CPU RISC，处理器频率为266Hz。XBTGT6330触摸屏的瞬间峰值电流达30A，功耗仅为30W。课题设计的整个电控系统除了以上硬件外，还有若干断路器、限位开

26、关、光电开关以及所用电缆等。本课题的重点为EtherCAT总线系统，故其它电气元件不一一叙述。4 EtherCAT系统软件部分设计本课题选用的倍福公司的伺服系统使用倍福公司提供的L-force Engineer软件进行调试和参数配置，变频器系统使用施耐德公司提供的SoMove软件进行参数配置，HMI的配置使用Vijeo Designer软件进行组态和通信配置。控制器系统和EtherCAT总线系统使用倍福公司提供的TwinCAT软件进行配置和程序编写。因为本课题的重点是EtherCAT总线系统，所以伺服系统、变频器系统以及HMI等的软件部分不再做重点叙述。基于课题的设计重点，对TwinCAT软件

27、的使用将重点介绍。4.1 EtherCAT系统的配置TwinCAT软件主要由TwinCAT System Manager、TwinCAT PLC Control等组成。本课题主要用到的即为这两部分。TwinCAT PLC Control主要用于PLC程序的开发与调试。TwinCAT System Manager主要硬件组态和I/O映射。具体操作步骤如下：（1）选择目标系统；（2）扫描I/O设备；（3）在编写完程序后加入PLC项目；（4）建立I/O映射；（5）激活配置。需要注意的是，TwinCAT软件在具体使用时，会自动进行硬件设备扫描，而无需手动组态。由于条件限制，作者在组态时为手动添加。使用

28、控制器的以太网网口作为EtherCAT软主站的网络接口时，要对TwinCAT进行网卡的配置。（1）运行TwinCAT System Manager，点击“Option”下的Show Real Time Ethernet Copatible Devices。（2）选中“Compatible Devices”下的对应的本地连接，点击“Install”，即完成了对TwinCAT的网络配置，可进行通讯了。（3）点击“choose target”，会出现如图4.1所示的对话框。然后点击对话框中的“search（EtherNet）”，出现如图4.2所示的对话框。图4.1 目标系的统选择图4.2 目标系统的选择（4）点击对话框中的“Broadcast Search”，出现扫描到的CX目标系统（即本课题选用的控制器），选中该项时，单击“Add Route”，然后点击“OK”。（5）添加相应的设备。用鼠标右键点击下图中“I/O Configuration”下的“I/O Devices”，选择“Append Devices”，添加EtherCAT设备。完成后如图4.3所示。图4.3 设备的添加（6）由于保持性数据在CX1020中通过NOV/DP-RAM存取，所以还需添加一个NOV/DP-RAM。并根据需要添加26个变量，分配地址。（7）添加所需的数字量输