一、緒言
目前，我國煙廠的包裝機(jī)很多是GD公司生產(chǎn)的X1/X2型包裝機(jī)。由于該機(jī)型是早期90年代初引進(jìn)的，其電控系統(tǒng)為FZ控制系統(tǒng),主要采用邏輯線路板作為其主控設(shè)備,隨著設(shè)備的長期運(yùn)行,邏輯電路控制方式的缺點(diǎn)就逐漸顯露出來了。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1)故障率高;
2)維護(hù)困難;
3)機(jī)臺操作工故障定位困難;
4)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集功能困難;
5)原機(jī)采用的軟、硬件都是GD公司生產(chǎn)的，通用性差，而且GD公司已通知以后不再提供老式FZ電控系統(tǒng)備件，因此給今后的維修將帶來很大的困難。
由于以上這些種種問題，很有必要對該控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。改造后的控制系統(tǒng)除應(yīng)保證原機(jī)正常生產(chǎn)功能外，系統(tǒng)還必須具有先進(jìn)性，符合現(xiàn)代煙機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流，能夠提供直觀人機(jī)界面，具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口，能進(jìn)行單機(jī)數(shù)采等。
二、改造方案
針對上述的問題和要求，我們設(shè)計(jì)了以德國SIEMENS S7—400 PLC 為核心，采用INTERBUS現(xiàn)場總線的一套全新的PLC控制系統(tǒng)，以取代原GDX1包裝機(jī)所用的全部電路板。改造后的系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、INTERBUS總線和上位工控機(jī)組成。
隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，串聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也漸漸地進(jìn)入了工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。這種傳輸技術(shù)可以將現(xiàn)場信號通過幾根導(dǎo)線互相串接起來進(jìn)行通訊。 因?yàn)檫@種串聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸被廣泛地應(yīng)用于變送器/執(zhí)行器等現(xiàn)場設(shè)備上，所以這種方法又被稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)。這樣僅需一根電纜便取代成千上百的輸入/輸出線，大大減少了現(xiàn)場布線的復(fù)雜性，減少網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備，降低了成本。INTERBUS總線是Phoenix Contact公司推出的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，是一種經(jīng)濟(jì)、簡單、開放的傳感器執(zhí)行器總線。主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)之間的互聯(lián)，構(gòu)建具有較高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò) ，具有快速傳輸簡單輸入輸出數(shù)據(jù)的能力。它具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
1)INTERBUS總線采用了集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通訊，這種通訊保證了數(shù)據(jù)傳輸嚴(yán)格的同步性和周期性;
2)全雙工的通訊方式和500K的一致速率保證了數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性;差分信號傳輸和專門的總線環(huán)路檢查保證了強(qiáng)大的抗干擾性和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控;
3)INTERBUS網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介可以混合使用，不論光纜、光導(dǎo)、紅外均可按要求而定;
4)INTERBUS總線系統(tǒng)調(diào)試方便，即插即用，安裝方便，不用終端電阻，調(diào)試時(shí)間短，不會(huì)地址重疊;
5)INTERBUS發(fā)生故障時(shí)能正確告訴操作人員錯(cuò)誤位置、類型、解決方法、診斷功能極強(qiáng)。另外，INTERBUS特別適合數(shù)據(jù)塊小，但傳輸次數(shù)較頻繁的場合，因此很適合與GD包裝機(jī)的改造場合。
系統(tǒng)組成框圖
總線適配控制器是INTERBUS總線系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)通信的核心，也是INTERBUS總線系統(tǒng)與PLC之間的橋梁，它的性能的優(yōu)劣對于整個(gè)控制系統(tǒng)都有很大的影響。本系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)采用的是西門子公司的S7-400 PLC，所以選擇菲尼克斯電氣公司專門為西門子S7-400 控制系統(tǒng)生產(chǎn)的第四代總線適配控制器IBS S7 400 DSC/I-T(Dir mode)。該控制器與PLC系統(tǒng)間采用直接I/O模式通信。所謂直接模式，是指INTERBUS系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)被直接拷貝到PLC的輸入和輸出地址區(qū)。使用上，IBS S7 400 DSC/I-T被看作S7-400控制系統(tǒng)的一塊S5模塊。作為第四代標(biāo)準(zhǔn)診斷控制器(DSC)，IBS S7 400 DSC/I-T不僅與西門子的S7-400 PLC完全兼容。
改造后的系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、INTERBUS總線和上位工控機(jī)組成。PLC主要完成包裝機(jī)組中各個(gè)設(shè)備的邏輯控制及溫度控制，上位工控機(jī)完成故障顯示、速度顯示、溫度設(shè)定值的設(shè)定和實(shí)際值的顯示、參數(shù)修改、產(chǎn)量和材料消耗統(tǒng)計(jì)及歷史數(shù)據(jù)保存等功能。PLC通過MPI通訊協(xié)議與上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位工控機(jī)再通過CAN總線或以太網(wǎng)將各種機(jī)臺數(shù)據(jù)送到廠級MIS系統(tǒng)。控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間通過INTERBUS總線連接。
由圖1可以看到，各種傳感器和操作按鈕等檢測、控制信號一部分經(jīng)INTERBUS I/O 模塊組輸入PLC，一部分送至PLC直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以減少中間環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性。繼電器、斷路器等低壓電器安裝在主動(dòng)電柜中。而原機(jī)13個(gè)溫控器全部取消，由PLC模塊直接進(jìn)行PID模糊控制，在工控機(jī)屏幕上可以進(jìn)行各溫度點(diǎn)的溫度設(shè)定和溫度顯示。
控制系統(tǒng)的總線組態(tài)軟件選用菲尼克斯電氣公司的第四代INTERBUS系統(tǒng)組態(tài)軟件IBS CMD G4 4.51。IBS CMD G4是與PLC控制系統(tǒng)相互獨(dú)立的組態(tài)軟件。該軟件可以使用戶以可視化方式交互配置、操作、診斷INTERBUS網(wǎng)絡(luò)中所有的連接設(shè)備，設(shè)定INTERBUS總線設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)通信的內(nèi)存區(qū)域。通過對總線適配控制器進(jìn)行配置，設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)寄存器和地址區(qū)，寄存器最終被映射到PLC的輸入和輸出區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)寄存器包括兩個(gè)診斷寄存器和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能寄存器，診斷寄存器包括診斷狀態(tài)寄存器(輸入字)和診斷參數(shù)寄存器(輸入字)。
PLC控制軟件編程采用STEP 7。其編程思想及過程為：
1)消化原機(jī)圖紙，理解其控制邏輯;
2)現(xiàn)場了解工藝操作過程，熟悉工藝流程;
3)軟件控制邏輯基本和原控制板邏輯保持一致，如信號連動(dòng)、互鎖、移位寄存器操作等;
4)結(jié)合現(xiàn)場工藝對部分邏輯作簡化、修改，使控制方式更簡潔、合理;
5)將其它檢測信號無縫加入到現(xiàn)在的控制軟件中。
三、改造結(jié)果
目前，該系統(tǒng)在全國10多家煙廠里已正常生產(chǎn)運(yùn)行，最長的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過3年，運(yùn)行一直良好，不但比原機(jī)故障率大大減少了，而且維護(hù)成本也大大降低，操作也直觀方便了。同時(shí)該系統(tǒng)檢測功能也全面，使得煙包質(zhì)量也得到了很好的控制。具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)操作方式上保持原機(jī)的所有功能和操作方式，并且根據(jù)需要可在原有基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的控制功能。
2)接口方式上保持了原有的整體布局和接口方式，現(xiàn)場安裝便捷，同時(shí)增加一臺工控機(jī)用于故障、溫度、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等的顯示和參數(shù)設(shè)定。故障顯示直觀、準(zhǔn)確。觸摸屏具有良好的中文人機(jī)界面，為操作和維修提供了極大的方便。
3)由于INTERBUS具有強(qiáng)大的總線組態(tài)、監(jiān)控、故障診斷功能，通過總線控制板，可以很方便的對每一個(gè)總線設(shè)備的狀況進(jìn)行監(jiān)控和故障診斷，從而極大地提高了控制系統(tǒng)的易維護(hù)性和可靠性。
4)PLC電柜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，上位工控機(jī)進(jìn)行溫度設(shè)定，PLC硬件模塊完成加熱器溫度的PID控制，操作方便，穩(wěn)定性好。
5)本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。本系統(tǒng)對產(chǎn)量、有效作業(yè)率、材料消耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。自動(dòng)生成報(bào)表。根據(jù)需要可以保存歷史數(shù)據(jù)，可調(diào)用其間任意時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)。故障查詢直觀方便，具有智能化報(bào)警功能。上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口可以將各種所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)直接發(fā)送到廠級MIS系統(tǒng)，所以說具有很好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)采功能。
6)除保證原機(jī)的所有檢測功能外，新控制系統(tǒng)增加封簽歪斜檢測、缺包檢測功能，并無縫的拼接到原系統(tǒng)中，而不是采用原來那種打補(bǔ)丁的控制方式。
另外，控制系統(tǒng)電控柜、現(xiàn)場子站配電箱采用德國威圖電柜，主電控柜采用德國威圖致冷裝置。低壓電器采用SIEMENS 產(chǎn)品，一體化工控機(jī)、開關(guān)電源、繼電器、光電耦合器、接線端子采用菲尼克斯產(chǎn)品。可靠性、通用性都很強(qiáng)，性能上不差于國外現(xiàn)在的控制系統(tǒng)。
四、結(jié)論
幾年來的運(yùn)行結(jié)果表明：本文提出的基于INTERBUS總線的GD包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是非常成功的，同時(shí)按照該方案進(jìn)行的GD PLC的工程改造也很成功的，技術(shù)上、性能上完成達(dá)到國外新一代控制系統(tǒng)水平，這也進(jìn)一步加強(qiáng)了我們進(jìn)行國產(chǎn)化改造的信心，使我們相信我們自己有能力做好設(shè)備的改造工作，而不一定非要依靠外國人!
