何亮+陳宇輝+江潯+曾宇鵬

目前輪轉(zhuǎn)膠印機普遍存在電氣故障率高、維護繁瑣、維修費用居高不下的難題，并面臨因關(guān)鍵電氣部件停產(chǎn)，部分機械狀態(tài)良好的輪轉(zhuǎn)膠印機將淪為一堆廢鐵的潛在風(fēng)險。因此，有必要在現(xiàn)有輪轉(zhuǎn)膠印機的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)一套印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案。本文所研究的工控機系統(tǒng)，就是該解決方案的核心部分，為維護現(xiàn)有輪轉(zhuǎn)膠印機，延長其使用年限，降低設(shè)備故障率，奠定了堅實基礎(chǔ)。

印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案與工控機系統(tǒng)

1.印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案

印刷控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化解決方案是指利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)印刷生產(chǎn)流程、企業(yè)信息管理的網(wǎng)絡(luò)化。該解決方案由工控機系統(tǒng)、單元計算機系統(tǒng)、總線系統(tǒng)以及嵌入式可變印刷自動套準系統(tǒng)4部分組成。其中，工控機系統(tǒng)是整套解決方案的核心部分。通過印刷控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化解決方案的實現(xiàn)，最終達到與印刷企業(yè)ERP系統(tǒng)進行無縫銜接的目的，進而實現(xiàn)印刷企業(yè)的信息管理與生產(chǎn)流程控制的一體化。

2.工控機系統(tǒng)

工控機即工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，可對生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進行檢測與控制的工具的總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。在印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案中所設(shè)計、實現(xiàn)的工控機系統(tǒng)，需要與輪轉(zhuǎn)膠印機控制系統(tǒng)的信息單元相對接，能夠形成、處理、發(fā)出輪轉(zhuǎn)膠印機所能接收和辨識的各類控制數(shù)據(jù)。

工控機系統(tǒng)作為輪轉(zhuǎn)膠印機網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案）的上位機，屬于控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，承擔(dān)了輪轉(zhuǎn)膠印機控制系統(tǒng)人機交互的作用，不僅負責(zé)將操作人員的具體操作指令經(jīng)過總線控制系統(tǒng)傳達至對應(yīng)的單元控制部件（UC），還需要處理各控制單元反饋的信號和信息，將輪轉(zhuǎn)膠印機當前的狀態(tài)實時反映給操作人員，此外還擔(dān)負著優(yōu)化輪轉(zhuǎn)膠印機印刷參數(shù)的責(zé)任。

工控機系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

根據(jù)工控機系統(tǒng)在輪轉(zhuǎn)膠印機網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的作用，其應(yīng)涵蓋的功能包括：輪轉(zhuǎn)膠印機操作、輪轉(zhuǎn)膠印機油墨預(yù)置、輪轉(zhuǎn)膠印機遠程操作與監(jiān)控、輪轉(zhuǎn)膠印機故障診斷和輪轉(zhuǎn)膠印機運行狀態(tài)監(jiān)視等功能。工控機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工控機系統(tǒng)及所運行的系統(tǒng)軟件應(yīng)具有五大主要特性：開放性、實時性、網(wǎng)絡(luò)集成化、人機界面更加友好、多任務(wù)和多線程性。

基于網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分有：操作指令控制臺、工控機服務(wù)器、油墨預(yù)置服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)輸出與總線輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備（即單元計算機）及其他相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。印刷數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至工控機服務(wù)器，并通過工控機服務(wù)器分發(fā)至操作指令控制臺，操作人員通過操作指令控制臺的交互操作，將輪轉(zhuǎn)膠印機操作指令通過總線系統(tǒng)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)輸出與總線輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備發(fā)配到印刷機各控制單元，由此完成一系列的印刷操作；同時，前端印刷油墨數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接湍A(yù)置服務(wù)器，經(jīng)過油墨預(yù)置服務(wù)器處理后的油墨信號將實時配合操作指令控制臺的印刷指令，發(fā)送至印刷機的油墨控制單元，完成印刷數(shù)據(jù)油墨預(yù)置等運行操作。圖2為基于網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機工作過程。

除了滿足功能的需求外，工控機系統(tǒng)還必須考慮實際運行需求，如工控機系統(tǒng)應(yīng)不間斷運行、輪轉(zhuǎn)膠印機運轉(zhuǎn)會引起共振、碎紙屑會污染環(huán)境等因素。因此，相對于普通PC設(shè)備而言，工業(yè)級的工控機系統(tǒng)最重要的特性是超強的穩(wěn)定性，工控機系統(tǒng)的硬件必須符合能長時間平穩(wěn)運行的功能要求。

工控機系統(tǒng)的可選方案

大型印刷機的工控機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)過程輸入、輸出通道兩部分。工控機系統(tǒng)的主要類別有IPC（PC總線工業(yè)電腦）、PLC（可編程控制系統(tǒng)）、DCS（分散型控制系統(tǒng)）、FCS（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）和 NCS（網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)）?；诠た貦C系統(tǒng)組件間的信息通道媒介，網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機系統(tǒng)設(shè)計方案有如下3種。

1.使用TCP/IP和ARCNET實現(xiàn)工控機系統(tǒng)

較多輪轉(zhuǎn)膠印機控制系統(tǒng)的架構(gòu)是印刷機的印刷操作指令通過工業(yè)級TCP/IP和ARCNET來傳送到各個信息系統(tǒng)。這種方案能夠適配各種舊型輪轉(zhuǎn)膠印機的總線，使得工控機系統(tǒng)的實現(xiàn)較為簡單。

其中，ARCNET的網(wǎng)絡(luò)連接速率一般是2.5Mbps，這一速度不能滿足網(wǎng)絡(luò)化控制對數(shù)據(jù)傳送速度的要求，并且ARCNET網(wǎng)絡(luò)容易受到干擾，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此本方案不能滿足網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)讀取各種生產(chǎn)要素信息的要求。

2.采用普通雙絞線連接的以太網(wǎng)實現(xiàn)工控機系統(tǒng)

將整個輪轉(zhuǎn)膠印機控制系統(tǒng)的架構(gòu)通過以太網(wǎng)實現(xiàn)，工控機與輪轉(zhuǎn)膠印機系統(tǒng)各個部分通過普通的以太網(wǎng)進行連接。

3.采用光纖連接的以太網(wǎng)實現(xiàn)工控機系統(tǒng)

使用由光纖連接的以太網(wǎng)來連接工控機與輪轉(zhuǎn)膠印機系統(tǒng)的各個部分。工控機與輪轉(zhuǎn)膠印機系統(tǒng)的各個部分通過光纖模塊收發(fā)信號。

該方案能極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速度以及穩(wěn)定性，但為適應(yīng)采用光纖連接的以太網(wǎng)的速率以及接口，必須對控制系統(tǒng)總線進行較大的改造，加上以太網(wǎng)采用光纖連接會產(chǎn)生高昂的成本，從而使得這個方案的造價太高。

因此，基于整體性能與價格兩方面的考慮，方案二采用雙絞線連接的以太網(wǎng)來實現(xiàn)工控機系統(tǒng)，既提供了穩(wěn)定且高速的數(shù)據(jù)連接鏈路，而且解決了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸率、誤碼率等難題，滿足了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計要求以及對于采用普通雙絞線連接的以太網(wǎng)實現(xiàn)工控機系統(tǒng)方案的考慮，工控機系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)有兩種方案。

第一種方案，為了避免工控機的單點失效，在工控機系統(tǒng)中設(shè)置了工控機的熱備機；熱備機與主工控機硬件配置一致，并且并聯(lián)至相同的以太網(wǎng)鏈路。一旦主工控機出現(xiàn)故障，熱備機可以實時啟動以維持生產(chǎn)，杜絕單點故障發(fā)生。每組操作指令控制臺均通過以太網(wǎng)與工控機連接，工控機作為其服務(wù)器。同時，工控機和油墨預(yù)置服務(wù)器通過以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的其他部位。企業(yè)其他管理系統(tǒng)也可以通過以太網(wǎng)從工控機獲取實時的相關(guān)生產(chǎn)信息，例如ERP系統(tǒng)等。這種方案的投入成本屬于輕量級，并且基本能滿足一般印刷生產(chǎn)要求。

第二種方案，針對每組操作指令控制臺都部署一臺相應(yīng)的工控機，工控機作為操作指令控制臺的服務(wù)器。通過使用閃存卡的存儲技術(shù)，可以根據(jù)閃存卡加密狗插配工控機，隨時切換任意一臺工控機作為主工控機，其余則為副工控機。同樣，連接控制系統(tǒng)所有部分的鏈路都是以太網(wǎng)，所有的主副工控機都存儲了同樣的控制系統(tǒng)，因此，企業(yè)其他管理系統(tǒng)能夠從多個渠道獲得實時的生產(chǎn)信息，大大增強工控機系統(tǒng)的信息承載能力。同時，這種架構(gòu)部署方式能夠大大減輕主工控機的負載壓力。

這兩種方案都能滿足輪轉(zhuǎn)膠印機網(wǎng)絡(luò)化控制的需求，但是方案二能提供更加靈活的故障處理方式，并且給操作人員更加流暢的操作體驗。在未來網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)信息量日益增長并且成本接近的情況下，方案二較方案一具有更優(yōu)的架構(gòu)和功能擴展性，是印刷網(wǎng)絡(luò)化解決方案的最優(yōu)選擇。

工控機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在設(shè)計方案中，印刷機系統(tǒng)服務(wù)器和操作指令控制臺的控制器需常年運轉(zhuǎn)，電氣零件使用幾年之后壽命就會縮短，尤其是需要旋轉(zhuǎn)的零件，例如風(fēng)扇和硬盤。另外，工控機內(nèi)部硬件配置設(shè)計如果遵循傳統(tǒng)工業(yè)PC的“主板+物理硬盤+內(nèi)存”的老舊硬件配置設(shè)計，系統(tǒng)將有可能因本身潛在的硬件及功能隱患，出現(xiàn)無法預(yù)計的故障。因此，工控機系統(tǒng)需選擇符合要求的硬件，根據(jù)鏈路設(shè)計連接方式以及結(jié)構(gòu)進行部署，同時也要考慮實際生產(chǎn)環(huán)境。

我們從工控機硬件配置、操作系統(tǒng)軟件、操作臺與印刷設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊以及避免單點失效等方面，對工控機系統(tǒng)進行了深度的研發(fā)改造。其中，工控機硬件設(shè)計具有以下特點。

1.啟用沒有旋轉(zhuǎn)的零件

啟用沒有旋轉(zhuǎn)的零件，例如硬盤和風(fēng)扇，降低因物理環(huán)境所造成的故障風(fēng)險。

2.使用閃存卡作為存儲設(shè)備

使用閃存卡代替物理硬盤的存儲方式具有諸多優(yōu)點。一方面，操作指令控制臺服務(wù)器程序都保存在閃存卡中，一旦工控機發(fā)生故障需要更換或重新安裝程序時，可以快速完成故障恢復(fù)，操作簡單并且可減少機器故障率。另一方面，會使得工控機的切換更加簡單，通過閃存卡的插入或拔出就能將任意一臺工控機設(shè)置為主工控機或副工控機。

3.提升油墨預(yù)置服務(wù)器的穩(wěn)定性

在對油墨預(yù)置服務(wù)器進行設(shè)計時，提升服務(wù)器配置，并且部署一臺同樣配置的服務(wù)器作為熱備機來保證油墨預(yù)置服務(wù)器的穩(wěn)定性。同時，兩臺服務(wù)器均設(shè)計使用Raid磁盤陣列來保證服務(wù)器有足夠的I/O能力，熱備機與主服務(wù)器實時同步數(shù)據(jù)，進一步提升系統(tǒng)的高可用性。

4.其他特點

包括使用新一代硬件，如CPU、RAM等，使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定、處理速度更快；降低計算機、控制器故障（死機）率，提高生產(chǎn)效率，并減輕維修人員的工作壓力。

根據(jù)上面特點和需求分析，工控機系統(tǒng)相關(guān)硬件指標參數(shù)如表1所示。

工控機系統(tǒng)的優(yōu)點

基于采用以太網(wǎng)通信鏈路的工控機系統(tǒng)，通過主、副工控機結(jié)構(gòu)的部署將極大提高系統(tǒng)的可靠性，為安全生產(chǎn)提供可靠保障。在建設(shè)和實施過程中，通過對生產(chǎn)設(shè)備的信息化改造和網(wǎng)絡(luò)鏈路的提升，通過網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機系統(tǒng)最終可實現(xiàn)對整個生產(chǎn)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的實時采集，油墨缸集控、工藝參數(shù)自控（溫控、速控、張力自動控制、水墨混合比例調(diào)控等）、品質(zhì)參數(shù)自控（廢報率、藥水pH值自檢記錄）等功能；將公司信息管理系統(tǒng)中的生產(chǎn)指令和生產(chǎn)計劃，逐層落實到作業(yè)計劃、作業(yè)標準、工藝指標和生產(chǎn)指令中，并最終下達給自動控制系統(tǒng)，再通過數(shù)據(jù)采集，將自動控制系統(tǒng)的實時信息，逐級反饋、匯總、分析，最終返回信息管理系統(tǒng)中；徹底解決印刷機控制信息系統(tǒng)與管理信息平臺的數(shù)據(jù)交互接口問題，使決策者能通過企業(yè)綜合管理信息平臺實時了解印刷設(shè)備的運維情況，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)化控制的工控機系統(tǒng)，打破了公司信息管理系統(tǒng)與印刷機之間信息孤島的壁壘，將兩者連接成為一個有機整體，進一步提高了公司控制系統(tǒng)下達、執(zhí)行、反饋、分析的綜合能力，促進了企業(yè)生產(chǎn)制造流程的整體優(yōu)化，提升了公司對于生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)的控制水平。