地板开榫系统工业4.0与物联网控制系统

朱玉勤

[摘    要]地板开榫机因为工作环境较为恶劣，容易出现故障。为了降低地板开榫机故障率，并提高其工作效率，主要就地板开榫系统工业4.0与物联网控制系统进行了介绍。

[关键词]地板开榫机;物联网;控制系统

[中圖分类号]TS64 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]The floor tenoning machine is prone to failure because of the bad working environment. In order to reduce the failure rate of floor tenoning machine and improve its work efficiency. This paper mainly introduces the floor tenon system industry 4.0 and the Internet of things control system.

[Keywords]floor tenoning machine; internet of things; control system

1 概述

地板开榫机工作环境恶劣，现场粉尘多、传感器多、故障率高;本工作在电子产品柔性制造方案的基础上，利用倍福基于PC的控制技术和维纶EasyPrinter远程数据备份和Easyaccess远程访问服务功能，开发了一个具有统一接口和协议的智能工厂平台。倍福是一种基于PC的控制技术实施开放式自动化系统，系统主要包括：工业PC、I/O和现场总线组件、驱动产品和自动化软件。这些组件既可作为独立的组件使用，也可将它们集成到一个完整且相互兼容的控制系统中。人机界面采用威纶通新一代cMT 3160X系列HMI。当物联网（IoT）时代来临，越来越多的PLC、控制器支持网络服务器（Web Server），方便用户透过「网页接口」直接修改设备内各种系统参数的内容，并监控其运行状态，所支持的「PLC网页浏览器」功能，能让HMI快速又方便地直接开启PLC、控制器的网页，这套系统不仅让地板开榫机工作更有效率，且能降低大量设备维护成本。

2 技术方案的阐述

倍福硬件和软件都采用模块化设计，TwinCAT 2自动化软件中的状态监测软件模块可以与I/O模块链接，独立运行，也可以与地板开榫机运行控制管理模块结合使用，甚至集成到这些模块中。这样就可以将专门开发的TwinCAT模块用于各种应用场景，模块相互之间既可以自由组合，也可以根据需要重复使用。这一点对任何硬件都适用。倍福将现代PC技术的强大处理能力与用作高速通讯系统的EtherCAT结合在一起，将状态监测功能无缝集成到控制器中。倍福的标准测量端子负责采集各安全信号，并通过 EtherCAT 传输到控制器。组态、编程及诊断都可在cMT 3160X触摸屏中实时显示。cMT 3160X采用EasyAccess技术，可以让使用者更便利地远程遥控HMI，不论在世界的任一角落。人机可经由Internet登入威纶通的EasyAccess Server，此时Server即能获知HMI位置的相关信息，接着可以使用PC上的EasyAccess Client来观察开榫机的工作状态和实时传送产品信息。基于PC和EtherCAT的控制系统整合。PC的控制技术采用模块化设计，具有精确可扩展性，可以满足特定应用的性能要求以及金属加工行业的所有控制需求——从单台机器到“工厂互联”设备。诸如PLC、可视化、运动控制、机器人技术、安全技术、测量技术以及状态监测等功能都可以在软件中实施并在一个中央PC平台上并行运行。由于能够直接接入云端，因此不仅能够实现工业4.0解决方案，而且还能够优化所有工艺步骤。提高产能，大幅减小公差，提升工件品质，降低废品率，提升同步精度和切削量，所有这些都确保了竞争优势。系统组件数量的减少可以降低控制的复杂性，确保机器和设备的可靠性，简化维护工作。

3 倍福控制系统与维纶HMI界面的数据交换

地板开榫机自动控制系统配备了用于自动化和控制功能的CX1010嵌入式控制器（安装有TwinCAT System Manager和TwinCAT System Control）。各种标准I/O端子模块、EtherCAT和TwinSAFE端子模块。此外地板开榫机自动控制系统还采用了维纶EasyAccess技术MT 3160X的显示面板——用于实现“一体化”控制和实现操作和监控功能的MT 3160X控制面板的完美组合。采用嵌入式控制器CX1010，主要是因为它的外形非常小巧。它是一款适合安装在DIN导轨上的高端工控机，与传统的PLC 相比，它可节省大量的空间。此外，嵌入式控制器还可与 Beckhoff I/O端子模块直接连接。

（1）TwinCAT PLC Control是为了PLC设计的一种完整的开发环境。TwinCAT PLC Control为PLC编程提供了一种简便的方法，可以自由地处理功能强大的IEC语言。编程器和调试功能的使用则基于ST编写的循环程序不仅编程速度快、而且更容易阅读，尤其是在大型结构中的嵌套循环时更是如此。在一个新项目中建立的第一个POU（程序组织单元）将自动地命名为“MAIN（主程序）”。可以在任务配置中重新命名这个POU。选择Resources菜单在Global_Variables项目中声明全局变量，以便MT 3160X的显示面板能读取全局变量的标签，进行数据交换。每个POU都由一个声明部分和一个程序本体部分组成，程序采用ST语言编程，自动程序编程结束后选择Rebuild all进行程序编译检测，检测无错误后会生成一个.tpy文件，以便导入到Twincat System Manager的PLC Configuration进行硬件配置。

（2）Beckhoff CX1010 PLC中安装了TwinCAT。TwinCAT工作在运行模式或者配置模式，打开TwinCAT System Manager软件，选择SYSTEM-Configurtion，点击Choose Target进入广播搜索OLC模式。利用Broadcast方式可以搜索到PLC。

在TwinCAT System Manager中右键单击Configuratio/Append PLC Project，导入和更改PLC程序。选择对应程序中的TPY文件，导入PLC程序。导入完成后，可以看到PLC程序中所有的Input和Output变量。接下来扫描所有硬件的I/O设备，如果已经连接了硬件，就可以用Scan Device的方式扫描硬件。注意：此时，目标机器的TwinCAT必须是Config mode（蓝色）。右键点击I/O Device，点击Scan Device3，弹出的对话框时，选择“确定”。选择需要的设备并点击“OK”，弹出对话框选择“是”扫描BOX。当弹出Activate Free Run对话框时，选择“否”。扫描成功后，展开I/O Device树形结构，在最底层，可以看到所有本地和远程的I/O模块以及设备选中PLC程序中Input或Output变量。再点击Linked to，选择要连接的I/O通道，并点击OK这样就完成了实际物理地址与程序中的I/O点的连接。

（3）打开EasyBuilder Pro V6.01维纶触摸屏编程软件 通过项目向导，选择文件，点击新建选项。在出现的“设备选择”对话框中，点击型号下拉菜单，选择MT 3160X。在系统参数设置中选择添加Beckhoff TwinCAT PLC。添加完成后点击Beckhoff TwinCAT PLC选择导入标签，选择导入.typ类型文件。打开PLC程序文件找到.typ类型文件。选择导入菜单进行标签导入。

标签导入后会和TwinCAT PLC Control中的Global_Variables全局变量进行关联。人机界面MT 3160X用画面中可视化的画面元件来反映实际的表板拼装的生产过程，也可以在画面和按鍵中修改生产工艺所需要设定的过程值。人机界面MT 3160X的画面由静态元件和动态元件组成。静态元件（例如文本或图像对象）用于静态显示，在运行时它们的状态不变，不需要变量与之连接，它们不能由PLC更新。动态元件的状态受变量的控制，需要设置它连接的变量，用图形、字符、数字趋势图等画面元件来显示PLC或HMI设备存储器中的变量的当前状态或当前值。PLC和HMI设备通过变量和动态元件交换过程值和操作员的输入数据。

4 地板开榫系统工业4.0与物联网解决方案

TwinCAT2自动化软件中的状态监测软件模块可以与I/O模块链接，独立运行，也可以和运行控制管理模块结合使用，甚至集成到这些模块中。这样就可以将专门开发的TwinCAT模块用于各种应用场景，模块相互之间既可以自由组合，也可以根据需要重复使用。这一点对任何硬件都适用。倍福将现代 PC 技术的强大处理能力与用作高速通讯系统的EtherCAT结合在一起，将状态监测功能无缝集成到控制器中。倍福的标准测量端子负责采集各安全信号，并通过EtherCAT传输到控制器。组态、编程及诊断都可在cMT 3160X触摸屏中实时显示。cMT 3160X采用EasyAccess技术，可以让管理者便利地远程控制HMI，不论在世界的任一角落。人机可经由Internet登入威纶通的EasyAccess Server，此时Server即能获知HMI位置的相关信息，管理者可以使用PC上的EasyAccess来观察开榫机的工作状态和实时传送产品、产量、设备利用率及故障信息。

5 项目设计特点

TwinCAT PLC的扫描频率选定为2 ms，PLC任务里的逻辑控制器运行时间在5～25 ms。直接嵌入到机器结构中的工业PC CX1010和一个外部维纶cMT 3160X控制面板一起处理更多的控制任务，如机器视觉、运行状态监视、所谓的段控制或者设定控制以及用于远程诊断的网络与调制解调器的连接等。该控制面板最远可以安装在距离工业PC 99 m的地方，例如，安装在回转支撑臂系统上。这样一来，就能够根据现场条件安装PC控制器和用作操作界面的控制面板。通过控制面板15.6英寸IPS彩色显示器，能够以清晰、易于理解的方式布置和操作所有相关功能，如程序选择、机器诊断、单元选择等。可以通过标准键盘或者鼠标来激活这些功能，极大地方便了员工的操作且节省了大量培训时间和费用，现此操作系统不仅能完全满足设备控制要求。还在设备维修方面独具特色，根据生产工艺编写了有针对性的故障信息，根据这些故障信息，维修人员能够迅速准确地处理设备故障，大幅提高了设备运转率。采用PC控制技术应用的地板开榫系统的加工速度已明显加快，产品质量得到了极大提升。这是一套面向未来的高性能系统。

6 结语

通过打造地板开榫系统，并与物联网控制系统相结合，可以有效地改善地板开榫机的工作效率，同时其在未来将将具有较好的可扩展性，值得进行推广。

参考文献

[1] 刘红征，戴月萍，武旭方，等.基于PLC的数控地板纵向开榫机控制系统设计[J].木工机床，2017（2）：25-28.