關于FOCKE701包裝機組電控系統的結構分析

一、引言

　　FOCKE701包裝機組是由德國FOCKE公司生產的具有1000包/分生產能力的超高速硬盒包裝機組，是目前國際上最為先進的卷煙設備之一。我國卷煙生產廠家從2007年開始引進該設備，對于該設備的摸索、熟悉、研究也逐漸開始。本文試從電控系統這方面闡述該設備的特性。

二、FOCKE701包裝機組的電控系統架構

　　FOCKE701包裝機組主要包括了以下幾個機器:701型硬盒翻蓋包裝機、741型煙包儲存器、752型薄膜外包機、779型裝箱卷包機、542型拆垛機、798型自動拼接機2套。這7個機器由6個控制器完成過程控制，機器之間通過PROFIBUS-DP總線進行數據通訊，實現上下游機器的聯動運行。

　　FOCKE 701型硬盒翻蓋包裝機組的控制器和總線系統主要使用了BECKHOFF公司的產品，它的控制器是帶實時內核TwinCAT的面板型 IPC CP7503-1002-0021，所有輸入輸出控制通過帶2個PROFIBUS端口的PCI插槽模塊FC3102來擴展。

　　總線PROFIBUS 1上連接了13個總線耦合器BK3150，1個帶8點輸入現場總線端子盒IP1011，通過SIEMENS總線耦合器 6ES7 158-0AD01-0XA0連接到752型薄膜外包機的控制器面板型IPC CP7503-1002-0021，該工控機的PCI插槽模塊 FC3102作為主站與798型自動拼接機的控制器PC C6140實現通訊。

　　總線PROFIBUS 2上連接了2個總線耦合器BK3150，連接到798型自動拼接機的控制器和542型拆垛機的控制器，這2個控制器作為從站都包含16BYTE輸入16BYTE輸出的通訊總量。

　　總線耦合器BK3150擴展使用的I/O模塊類型包括數字型、電壓電流模擬量、RTD輸入、PWM輸出等。

　　工控機的第四插槽的Ethernet端口上連接的帶4DI/4DO的分布式協處理器BC9100用于處理Watchdog和機器的維護保養提示。

　　工控機的其它Ethernet端口實現與車間級以太網通訊。

三、FOCKE701包裝機組的控制器

　　控制器以701型硬盒翻蓋包裝機為例，該機器采用了2種型號的BECKHOFF IPC：CP7503-1002-0021和C6140。 CP7503-1002-0021為防護等級IP65的面板型PC，包括Intel Pentium 4 2.8GHz的處理器、256MB DDR- RAM內存、20GB IDE硬盤。C6140為防護等級IP20的控制柜嵌入式PC，包括Intel Celeron 2GHz的處理器、 256MB DDR-RAM內存、40GB IDE硬盤。

　　這2種型號的BECKHOFF IPC在安裝了TwinCAT軟件后即可作為獨立于WINDOWS系統且并列運行于同一個CPU的軟PLC。該軟 PLC可分解成4個多任務PLC，每個PLC最多包含4個任務，每個任務可定義不同的執行周期。程序按固定的周期被執行，最小的運行周期為50微妙。這種多任務控制系統可滿足不同響應速度的控制要求，并且隨著IPC性能的提高，PLC的運行速度也不斷提高。701型硬盒翻蓋包裝機和741型煙包儲存器的控制程序作為2個PLC同時運行在一個IPC上，其中包括了多個任務，最快的任務執行周期設定為2毫秒。

四、FOCKE701包裝機組的總線系統

　　FOCKE701包裝機組的總線系統采用多層總線，包括PROFIBUS-DP和Ethernet兩種。PROFIBUS-DP 總線通訊用于現場層的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。機身的檢測元器件和執行器件都采用PROFIBUS-DP總線，傳送速率為 12M波特率，達到了PROFIBUS-DP的最高極限速率。使用了帶TwinCAT實時內核的BECKHOFF IPC沒有傳統PLC通過底板通訊的輸入輸出，對總線的通訊速度要求較高，特別是一些快速信號。總線的通訊速度成為提高該系統整體運行速度的瓶頸。

　　不過隨著科技的發展，在FOCKE701包裝機組成功研發后的幾年里，BECKHOFF公司又提供了一種新型的總線系統產品EtherCAT。 EtherCAT 總線是一種基于以太網的實時通訊總線，1000個分布式I/O數據的刷新時間僅為30μs，其中包括端子模塊周期時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，相當于12000個數字量I/O，而這一數據量的傳輸僅用300μs。EtherCAT技術使得通訊技術與高性能IPC 相匹配。這一技術及相關產品可以應用到對包裝機組進行功能改進或者新產品的開發研制中。

　　FOCKE701包裝機組采用的另一總線即Ethernet。該以太網現場總線連接了BECKHOFF IPC和智能組件BC9100，走的是一般的TCP/IP協議。BC9100用于處理Watchdog和機器的維護保養提示等任務。

五、總結

　　以上詳細分析了FOCKE701包裝機組電控系統的結構，該系統結構先進并具有快速、穩定等特性，是采用工控機作為控制器的成功案例，值得國內制造行業借鑒和參照。