基于PLC與現(xiàn)場總線技術(shù)的B1卷煙包裝機組

引言
    目前我國大多卷煙廠的主力機型B1卷煙包裝機組是在上世紀80～90年代從德國斯慕門公司引進的高速軟包包裝機組。但由于該卷炯包裝機組工作年久，各電子控制部件逐步老化、失效，故障率很高。近年來，BI機組電氣控制系統(tǒng)缺陷日益凸顯；邏輯組件老化；出現(xiàn)故障不能自動停機；控制線路板布局復雜，國內(nèi)無相關(guān)元件生產(chǎn)廠家，備件困難且價格高。同時BI機組還存在控制方式落后、英文顯示導致維修不便等問題。
    改造后的BI機組是以PLC和工控機為核心的電氣控制系統(tǒng)。PLC完成所有數(shù)據(jù)采集和實時控制，完成啟動、停車、工藝流程控制、檢測等整個運行過程。工控機作為上位機，具有良好的人機界面，同時增加統(tǒng)計報表和預留網(wǎng)絡(luò)化管理功能，并為遠程數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支持，從而徹底解決BI機組電控系統(tǒng)所存在的問題。

2 BI包裝機組電控系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    BI包裝機組由NF卸盤機、BE包裝機、RC小包透明機、PHZ大條機和NK大條透明機等5部分組成，如圖1所示。

    改造后的電控系統(tǒng)則采用BE、RC、NF、FHZ/HK等4個獨立部分組成，并且各部分之間單獨控制和單獨顯示。其中BE包裝機為主機，其他部分為從機。各部分之間增加信息交換功能，實現(xiàn)B1機組的整體控制，而相位控制則采用絕對值編碼器，從而使B1機組協(xié)調(diào)工作。

3 改造設(shè)計方案
3．1 改造總體框圖
    原BI機組的主機BE、RC、FHZ／NK的控制系統(tǒng)不在同一套控制柜中，各部分通過開關(guān)量交換設(shè)備運行信息。BE機的主要動作是由機械裝置完成，各部分共同特點為檢測信號多，執(zhí)行元件少。針對這一特點，整體改造BI機組，其改造框圖如圖2所示。

3．2 BI主機改造
    控制器采用高性價比的S7-400 PLC，該器件是西門子公司生產(chǎn)的高性能大型PLC控制系統(tǒng)，具有高速、穩(wěn)定、可靠、開放等特點。該軟件功能強大，具有面向?qū)ο?、直觀的用戶界面，易于使用。新的設(shè)計只保留極少數(shù)的繼電器，控制邏輯由PLC實現(xiàn)。去除繼電器后多出來的空間用于放置PLC的子站點，PLC的子站點主要包括通訊、輸入輸出和特殊功能等模塊。改造BI主機主要是對其角度反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和調(diào)速傳動系統(tǒng)進行改造。圖3為BI主機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3．2．1 角度反饋裝置的改造
    采用絕對型編碼器替換原機的增量型編碼器。與增量型編碼器相比，絕對型編碼器實時反饋輸出角度值，無需通過脈沖計數(shù)方式計算設(shè)備當前角度，即使設(shè)備斷電，在恢復供電后也可立即知道斷電前的角度值，并立即投入生產(chǎn)，無需重新尋找零脈沖。
3．2．2 主驅(qū)動的改造
    鑒于現(xiàn)今交流變頻技術(shù)已具有較高的可靠性，可取消原系統(tǒng)直流電機、直流調(diào)速器和智能隨動單元，采用交流電機加變頻器方式實現(xiàn)主機速度控制。同時，采用BI主機的改進機型BO機特點，在其控制臺增加手動調(diào)速電位器，便于操作和維護人員調(diào)試保養(yǎng)設(shè)備。
3．2．3 輔助驅(qū)動系統(tǒng)的改造
    除主驅(qū)動系統(tǒng)外，BI主機還有進料傳送帶、下煙道電機、盒皮膠輥、封簽?zāi)z輥和出口傳送帶等5個輔助驅(qū)動裝置。這些輔助驅(qū)動的直流電機全部改為普通交流調(diào)速電機，均選用西門子420變頻器控制。
3．2．4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造
    需調(diào)節(jié)控制BI主機的烘干轉(zhuǎn)塔的加熱溫度(雖然原機有油加熱器，但一般不用，因為設(shè)備在卷包車間內(nèi)工作時潤滑油是絕對不會出現(xiàn)凍結(jié)的)。原機溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由Pt100熱電阻、TEMPMOD A176／A177轉(zhuǎn)換板、測溫板SMC-MAX(A30)、A／D轉(zhuǎn)換板SMC-02B(A24)、和固態(tài)繼電器、加熱器組成。改造溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在保留原機的熱電阻和加熱器的基礎(chǔ)上，取消熱電阻轉(zhuǎn)為4～20 mA的模塊TEMPMOD A176／A177，而將熱電阻的線直接引入控制柜，接至西門子PLC的模擬量模塊。溫度調(diào)節(jié)采用軟PID實現(xiàn)，由西門子PLC的PID功能塊控制加熱器溫度。
3．2．5 人機界面的改造
    采用液晶觸摸屏技術(shù)代替老式的CRT顯示和鍵盤輸入，大大減輕機組重量，縮小外形體積，提高顯示質(zhì)量，并新增有關(guān)整機的參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)耗分析、故障信息報警定位等功能。采用全中文菜單設(shè)置監(jiān)控功能，實現(xiàn)運行狀態(tài)顯示、車速顯示、參數(shù)設(shè)置、故障指示、交班記錄等；設(shè)置有密碼功能防止無關(guān)人員改動參數(shù)。維修密碼可授權(quán)給機器維修人員。
3．2．6 煙支檢測器的改造
    選用ZN0228-B1型B1光電小包煙支檢測器替代原裝小包煙支檢測器?；譄熤z測器是一款全新的數(shù)字化檢測模式，它由空頭檢測探頭、缺支檢測探頭和控制器3部分組成，無需改動原主機，只需將原缺支、空頭檢測頭換成新的檢測頭，并把控制器的輸出線連接到B1主機相應(yīng)的接線端子上，在不改變原主機任何控制電路和機械裝置的情況下，可直觀、方便調(diào)整缺支、空頭的靈敏度。
3．3 現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)連接
    INTERBUS是德國Phoenix公司提供的工業(yè)現(xiàn)場總線，符合IEC61158國際標準總線?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、煙草工業(yè)、倉儲及傳送技術(shù)、造紙工業(yè)、包裝工業(yè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域。獨立的診斷程序提供詳細的故障信息(故障地址、故障類型和故障歷史記錄)，診斷寄存器提供用戶程序處理故障信息的工具，控制板3行16段LCD顯示器直觀醒目。圖4為B1機組控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與管理層計算機通信。

    S7-400，S7-300和ILC200IB控制器分別安裝于BE控制柜、RC控制柜以及FHZ／NK控制柜內(nèi)。S7PLC配有電源、CPU、中斷、 PID等模塊。INTERBUS總線適配控制板安裝于PLC底板，處理PLC與過程I／O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，大量的I／O模塊及機組的操作面板安裝在現(xiàn)場，通過INTERBUS總線連接到PLC。

4 結(jié)論
    改造后機組已運行一年，運行良好，性能穩(wěn)定且故障率低，設(shè)備有效作業(yè)率平均為83．7％，較原來的 70％提高了13％，改造效果明顯，上位機界面完全漢化，方便故障檢查和排除。新設(shè)計的電控系統(tǒng)采用通用的元件，成本降低。大大節(jié)省維修費用。該系統(tǒng)為車間的網(wǎng)絡(luò)化管理及遠程數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支持，具有很強的擴展功能。