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基于组件的自动化包装系统
上海理工大学张淑清应启戛

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摘要：组件技术是继面向对象技术后发展起来的一种新的软件工程技术。基于组件的自动化技术 (CBA)，工厂各组件可作为独立模块预先组装测试，之后在整个系统中轻松组装，或在其他项目中重复使用。包装业中的机械通常来自不同生产商，使用组件技术可以设计结构清晰的包装线，定义世界通用的标准接口。关键词：基于组件的自动化 PROFInet 组件引言基于组件的自动化技术CBA（Component Based Automation）可以方便地建立起标准生产线，实现离散控制和各机械间的通信。组件(component)，比如一个机器人或整个生产线，就是把机械部分、电力电子器件和用户程序三者的功能封装在软件中，定义一个标准接口。工厂各组件可作为独立模块预先组装测试，之后在整个系统中轻松组装，或在其他项目中重复使用。组件技术大大减少了工厂计划、安装和试运行的时间。基于组件的自动化技术可以通过PROFInet 与工业以太网连接，更利于形成透明工厂。在现代工业中现场总线和工业以太网是应用的主流，基于组件的自动化技术快速崛起。自动化发展的方向是完全的集成自动化TIA（Totally Integrated Automation），集成的不仅是硬件，还包括整个工艺流程。从CBA 的技术特点分析，发展中的中国包装业更适于采用组件自动化技术。 1 中国包装工业的现状及分析中国的包装工业在代改革开放以前长期处于一种生产力水平低下、主体技术薄弱、规模过小、游离分散生产、企业经营管理水平不高、国家投入不足的状况，就行业的整体水平而言，部分企业仍然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量、加强现代化管理以及体制转轨的时期。随着中国商品经济的繁荣与发展，人民生活质量的提高以及生活节奏的加快，消费者对微波食品、休闲食品、冷冻食品等方便食品的需求量越来越大。业内专家指出，这种趋势将加速速冻食品、方便食品包装的需求；与此同时，政府提出了农业产业化发展计划，重点发展农副产品深加工，而农副产品深加工项目需要配套大量包装生产；国家发展和改革委员会将食品加工和包装机械列为食品工业发展的重点优先发展领域，进入WTO 后，中国主要出口产品的出口额每年可望增加80～100 亿美元。产品出口量的增加必将带动相应产品包装的增长。此外，乳品及饮料行业近年已成为中国最具成长性的行业之一。随着人们对健康的日益重视，乳饮品产品品种及其配套包装的产品品种层出不穷。同时，无菌灌装技术、啤酒、牛奶的PET 塑瓶包装等技术正在被越来越多的厂家所看好和采用。这些都将给包装行业的发展带来广阔的前景，今后较长一段时间，食品与包装机械的年增长率可望超过12％。未来10～15 年中国包装行业将会有长足的发展。 2 基于组件的自动化技术特点基于组件的自动化CBA 组合各个具有独立控制能力的功能单元；它创建的具有独立控制能力的运行应用程序，具有较高的可用性；通过用户软件定义的模块易于重复使用；传感器、驱动器和调节器可直接在OEM 进行模块的预测试；可以显著减少投运时间，与传统方法相比可节省10～15%的投运时间；机器的组态易于形成标准的组件。 2.1 组件（Component）组件技术已成功应用于IT 领域。所谓“组件”就是实现基于开放标准的模块化、分布式应用的一种统一的软件结构，也就是将一个具有独立工作能力的工艺模块抽象成一个可以反复使用的“组件封装”。对这样一种组件建模为一个对象，并视其为一个黑匣子。在封装时，定义了组件对外部的工艺模块接口。在此接口上只可存取需要与其他组件发生交互作用的那些变量。在系统的工程设计阶段，这些组件和它们的设备之间的通信关系由其接口和一个专用的应用程序之间的组态连接进行定义。这样设计的组件可以独立运行，并且可以方便地与其他组件交换数据。组件技术使得成套装备和机器模块化，从而可重复使用该成套装备和机器的组件，大幅度地降低工程设计成本。同时组件技术使安装设备 (应用组态)之间的互连可以清晰地分离，从而在一个工厂中可以集成不同制造商的产品。创建组件的方法简单。首先，采用机器或设备有关的制造商专用的工具对机械设备进行编程和组态，可以继续使用现有的用户程序，编程和维护人员可继续发挥他们已有的技能。然后，使用专用软件Simatic iMap 封装这些用户软件。这些组件描述会输入到连接编辑器的组件库内。使用连接编辑器iMap，只需点击鼠标就可以将已创建好的组件互连，然后点击鼠标就可以将连接的数据、代码及组件的数据下载到各组件中去，这样，机器之间实现了互相交流。 2.2 代理设备（proxy）代理设备将系统中所有的组件连接起来，完成对象之间的交互。代理设备将所挂接的设备抽象成为COM 服务器，设备之间的交互变成COM 服务器之间的相互调用。这种方法的最大优点就是可扩展性好，只要设备能够提供符合标准的COM 服务器，该设备就可以在代理设备的系统中正常运行（图1）（图片）图1.PROFInet 与分布式现场设备 2.3 实现方法 CBA 的实现采用Profinet。Profinet 在包装业、烟草混合、复杂组装生产线及物流系统中都得到了很好的应用。Profinet v3 提出了很好解决实时性的方案：Switched Ethernet，为Profinet的进一步应用奠定了良好的基础。 Profinet 的基础是组件技术，核心是代理设备。在Profinet 中，每个设备都被看作一个具有COM (Component Object Model 即组件对象模型)接口的自动化设备。在系统中通过调用COM接口来调用设备功能。组件模型使不同制造商遵循同一原则创建的组件之间能够混合应用，简化了通信编程。每一个智能设备中都有一个标准组件，智能设备的功能则通过对组件进行特定的编程来完成。同类设备具有相同的内置组件，对外提供相同的COM 接口，为不同厂家设备之间提供了良好的互换性和互操作性。COM 对象之间还可通过DCOM（Distributed Component Object Model即分布式组件对象模型）连接协议进行互联和通信。 Profinet 可将所有工厂自动化功能甚至高性能驱动技术应用均包括在内。开放式标准可适用于工业自动化的所有相关要求:工业可兼容安装技术、简单网络管理和诊断、实时功能、通过工业以太网集成分布式现场设备，高效的集成或组态与制造商无关的工程等。 Profinet 符合已有IT 标准，并支持 TCP/IP，确保了公司范围内各部门间的通信交流。现有技术或现场总线系统与该一致性基础设施在管理层面和现场层面均可集成。这样，分布式现场设备可通过Profinet 与工业以太网直接相连。设备网络结构的一致性同时可确保整个生产厂的通信一致性（图2）。（图片）图 2. PROFInet 与过程自动化 4 结束语包装工业工序繁多，如分拣、贴签、托盘装运、包装和产品打包等，经常使用不同制造商的机械组合成不同的生产线，快速响应市场变化。在包装业中使用基于组件的自动化有利于包装线的快速投产，节省时间和成本。为完全的集成自动化totally integrated automation 打下良好的基础。参考文献 1 陈海东.PROFInet—面向自动化未来的以太网现场总线解决方案.机械制造,2004.12 2 Users introduce component-based automation solutions.IEE computer&control engineering.2004/2005 12/1 12/31/2010


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