关于FOCKE701包装机组电控系统的结构分析

一、引言

　　FOCKE701包装机组是由德国FOCKE公司生产的具有1000包/分生产能力的超高速硬盒包装机组，是目前国际上最为先进的卷烟设备之一。我国卷烟生产厂家从2007年开始引进该设备，对于该设备的摸索、熟悉、研究也逐渐开始。本文试从电控系统这方面阐述该设备的特性。

二、FOCKE701包装机组的电控系统架构

　　FOCKE701包装机组主要包括了以下几个机器:701型硬盒翻盖包装机、741型烟包储存器、752型薄膜外包机、779型装箱卷包机、542型拆垛机、798型自动拼接机2套。这7个机器由6个控制器完成过程控制，机器之间通过PROFIBUS-DP总线进行数据通讯，实现上下游机器的联动运行。

　　FOCKE 701型硬盒翻盖包装机组的控制器和总线系统主要使用了BECKHOFF公司的产品，它的控制器是带实时内核TwinCAT的面板型 IPC CP7503-1002-0021，所有输入输出控制通过带2个PROFIBUS端口的PCI插槽模块FC3102来扩展。

　　总线PROFIBUS 1上连接了13个总线耦合器BK3150，1个带8点输入现场总线端子盒IP1011，通过SIEMENS总线耦合器 6ES7 158-0AD01-0XA0连接到752型薄膜外包机的控制器面板型IPC CP7503-1002-0021，该工控机的PCI插槽模块 FC3102作为主站与798型自动拼接机的控制器PC C6140实现通讯。

　　总线PROFIBUS 2上连接了2个总线耦合器BK3150，连接到798型自动拼接机的控制器和542型拆垛机的控制器，这2个控制器作为从站都包含16BYTE输入16BYTE输出的通讯总量。

　　总线耦合器BK3150扩展使用的I/O模块类型包括数字型、电压电流模拟量、RTD输入、PWM输出等。

　　工控机的第四插槽的Ethernet端口上连接的带4DI/4DO的分布式协处理器BC9100用于处理Watchdog和机器的维护保养提示。

　　工控机的其它Ethernet端口实现与车间级以太网通讯。

三、FOCKE701包装机组的控制器

　　控制器以701型硬盒翻盖包装机为例，该机器采用了2种型号的BECKHOFF IPC：CP7503-1002-0021和C6140。 CP7503-1002-0021为防护等级IP65的面板型PC，包括Intel Pentium 4 2.8GHz的处理器、256MB DDR- RAM内存、20GB IDE硬盘。C6140为防护等级IP20的控制柜嵌入式PC，包括Intel Celeron 2GHz的处理器、 256MB DDR-RAM内存、40GB IDE硬盘。

　　这2种型号的BECKHOFF IPC在安装了TwinCAT软件后即可作为独立于WINDOWS系统且并列运行于同一个CPU的软PLC。该软 PLC可分解成4个多任务PLC，每个PLC最多包含4个任务，每个任务可定义不同的执行周期。程序按固定的周期被执行，最小的运行周期为50微妙。这种多任务控制系统可满足不同响应速度的控制要求，并且随着IPC性能的提高，PLC的运行速度也不断提高。701型硬盒翻盖包装机和741型烟包储存器的控制程序作为2个PLC同时运行在一个IPC上，其中包括了多个任务，最快的任务执行周期设定为2毫秒。

四、FOCKE701包装机组的总线系统

　　FOCKE701包装机组的总线系统采用多层总线，包括PROFIBUS-DP和Ethernet两种。PROFIBUS-DP 总线通讯用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。机身的检测元器件和执行器件都采用PROFIBUS-DP总线，传送速率为 12M波特率，达到了PROFIBUS-DP的最高极限速率。使用了带TwinCAT实时内核的BECKHOFF IPC没有传统PLC通过底板通讯的输入输出，对总线的通讯速度要求较高，特别是一些快速信号。总线的通讯速度成为提高该系统整体运行速度的瓶颈。

　　不过随着科技的发展，在FOCKE701包装机组成功研发后的几年里，BECKHOFF公司又提供了一种新型的总线系统产品EtherCAT。 EtherCAT 总线是一种基于以太网的实时通讯总线，1000个分布式I/O数据的刷新时间仅为30μs，其中包括端子模块周期时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，相当于12000个数字量I/O，而这一数据量的传输仅用300μs。EtherCAT技术使得通讯技术与高性能IPC 相匹配。这一技术及相关产品可以应用到对包装机组进行功能改进或者新产品的开发研制中。

　　FOCKE701包装机组采用的另一总线即Ethernet。该以太网现场总线连接了BECKHOFF IPC和智能组件BC9100，走的是一般的TCP/IP协议。BC9100用于处理Watchdog和机器的维护保养提示等任务。

五、总结

　　以上详细分析了FOCKE701包装机组电控系统的结构，该系统结构先进并具有快速、稳定等特性，是采用工控机作为控制器的成功案例，值得国内制造行业借鉴和参照。