基于現(xiàn)場(chǎng)總線的復(fù)卷機(jī)縱切刀控制系統(tǒng)

1 前言
在紙廠中，復(fù)卷機(jī)負(fù)責(zé)將半成品母卷重新復(fù)卷成成品卷筒紙或送平板切紙的半成品紙。由于用戶訂單的多樣性，紙品的規(guī)格隨時(shí)都會(huì)變化，尤其是高速印刷機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)卷筒紙的需求越來(lái)越大，規(guī)格越來(lái)越細(xì)，因此在現(xiàn)代化紙廠中，復(fù)卷后的成品紙將占據(jù)一半的比重以上。為完成小批量、多規(guī)格的訂單，就提出了縱切刀裝置如何快速定位和自動(dòng)縱切的問(wèn)題。

縱切刀裝置就是實(shí)現(xiàn)把進(jìn)來(lái)的紙幅縱切分割成所要求的單獨(dú)的紙，在傳統(tǒng)的復(fù)卷機(jī)工藝中，一般都是通過(guò)手工定位的方法，或是半自動(dòng)的方法(即通過(guò)每把縱切刀的位置顯示值來(lái)定位移動(dòng)刀架裝置)。這樣的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，不僅誤差大，而且速度相當(dāng)慢。在現(xiàn)代高速紙機(jī)大量出現(xiàn)，且對(duì)紙邊的精度要求日益高漲的時(shí)候，如何通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)正確、快速定位縱切刀裝置就成了紙廠所致力于追求的一個(gè)績(jī)效工程。本文論述的就是其中的一個(gè)卓有成效的辦法:即通過(guò)引入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)縱切刀裝置的自動(dòng)定位，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)縱切功能。

縱切刀裝置分頂?shù)逗偷椎秲刹糠?，多套縱切刀裝置沿紙幅橫向分布，根據(jù)不同的母卷長(zhǎng)度進(jìn)行不同數(shù)量的配置。如4300CM長(zhǎng)的紙幅一般可以配置8～16套，可以分切很細(xì)規(guī)格的紙品。其縱切的工作原理為:底刀不動(dòng)，不工作時(shí)，頂?shù)短幱诿撻_(kāi)位置;工作時(shí)，頂?shù)断韧ㄟ^(guò)氣缸動(dòng)作，軸向嚙合1～2毫米后，再通過(guò)另一氣缸動(dòng)作，徑向嚙合，與底刀重疊1.5毫米后就可以利用底刀的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行縱切。
本系統(tǒng)需要兩臺(tái)電機(jī)來(lái)設(shè)置底刀和頂?shù)兜奈恢?，通過(guò)一根特制皮帶(頂?shù)逗偷椎犊梢詩(shī)A緊在皮帶上)，利用氣缸的動(dòng)作可使皮帶和刀架處于嚙合或脫開(kāi)狀態(tài)，然后根據(jù)設(shè)定位置的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的算法，就可以進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的定位。在這里，皮帶傳動(dòng)電機(jī)是由變頻器控制的，分快速和慢速，即相當(dāng)于先粗定位后細(xì)定位。

2 縱切刀裝置現(xiàn)場(chǎng)總線的硬件組構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代興起的一種先進(jìn)的建立在數(shù)字通信協(xié)議上的工業(yè)控制技術(shù)?？偩€現(xiàn)場(chǎng)具有開(kāi)放性的數(shù)字通訊，適用于不同類型的控制系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(例如可編程控制器，計(jì)算機(jī)，機(jī)器人等)，并且能對(duì)于分布在不同工礦環(huán)境中的傳感器和執(zhí)行器等進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。因此，在復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置中引入現(xiàn)場(chǎng)總線，既能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確地對(duì)縱切刀進(jìn)行定位，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)正常的復(fù)卷縱切功能，并且在減少系統(tǒng)復(fù)雜性方面也有其他控制系統(tǒng)所不可比擬的優(yōu)越性。

本文推薦使用的是Phoenix Contact公司推出的InterBUS，該系統(tǒng)是歐洲使用最多的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(根據(jù)DIN 19258標(biāo)準(zhǔn))。由于它易懂的技術(shù)和面向用戶的系統(tǒng)特色，允許用戶根據(jù)不同的使用功能而自由地選擇最適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，所以被廣泛使用在包括紙廠在內(nèi)的大量工業(yè)領(lǐng)域。InterBUS總線可以簡(jiǎn)單地安裝與配置，它的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，并且符合IEEE802.5令牌環(huán)的規(guī)定，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多可有64個(gè)裝置，速度可達(dá)500Kb/s，最長(zhǎng)距離為25600m，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間距離為400m。

在復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置的現(xiàn)場(chǎng)總線中，InterBUS的硬件系統(tǒng)按樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)布線，連接了傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)到上層控制系統(tǒng)(PC機(jī)或PLC等)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)以下二個(gè)重要的任務(wù):

(1)迅速變化的過(guò)程狀態(tài)的周期傳輸;

(2)對(duì)于復(fù)雜的輸入/輸出模塊和在操作中將要參數(shù)化的專門的過(guò)程設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸(在本文中是指變頻器)。如圖2所示，就是縱切刀裝置現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)布置。

復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置的現(xiàn)場(chǎng)總線中，InterBUS系統(tǒng)通過(guò)不同部件的連接實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)環(huán)，其中的主要部件功能如下:
* 總線適配控制板的型號(hào)為:IBS PC CB/COP/I-T。它直接插入到工業(yè)計(jì)算機(jī)的主板上。這樣，通過(guò)總線適配控制板就可以連接InterBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)到外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)了。
* 遠(yuǎn)程總線線路，把總線適配控制板連接到第一InterBUS總線設(shè)備(型號(hào)為:IBS 24ST BK－T)的遠(yuǎn)程輸入RI口。該總線設(shè)備簡(jiǎn)稱BK模塊，即總線終端模塊，它將遠(yuǎn)程總線段互相連接起來(lái)。與此同時(shí)，它在遠(yuǎn)程總線和賦值到下一級(jí)別并包括I/O模塊的本地總線之間形成節(jié)點(diǎn)。
* 從總線終端BK模塊的遠(yuǎn)程輸出RO口，通過(guò)遠(yuǎn)程總線線路可以逐級(jí)向下形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的主線是遠(yuǎn)程總線線路，支線是本地總線線路。通過(guò)BK模塊，相繼連接了第二總線段的總線設(shè)備―連接數(shù)字輸出模塊(型號(hào)為:IBS ST24 DO 32)、第三總線段的總線設(shè)備―耦合模塊(型號(hào)為:TK 08/4)、第四總線段的總線設(shè)備―變頻器模塊、第五總線段的總線設(shè)備―連接PLC子系統(tǒng)的從屬模塊(型號(hào)為:IBS S5/SL-LB)。
* 復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置中，數(shù)字輸出模塊是負(fù)責(zé)定位時(shí)的皮帶嚙合氣缸的動(dòng)作和縱切時(shí)的頂?shù)兜妮S向和徑向氣缸動(dòng)作;耦合模塊連接了最大至16套縱切刀頂?shù)逗偷椎兜奈恢脗鞲衅?通常采用絕對(duì)值型編碼器);從屬模塊連接的是西門子SIMATIC 5可編程控制器，它負(fù)責(zé)對(duì)縱切時(shí)對(duì)底刀傳動(dòng)進(jìn)行速度控制，以配合紙幅的速度。

3 縱切刀裝置現(xiàn)場(chǎng)總線的軟件設(shè)計(jì)

1)縱切刀裝置現(xiàn)場(chǎng)總線的軟件處理流程描述如下:
InterBUS總線在進(jìn)入初始化時(shí)，處于識(shí)別周期，即讀取所有設(shè)備的ID寄存器，以后這信息用來(lái)產(chǎn)生過(guò)程影像。當(dāng)總線適配控制器已能分辨出它的返回字時(shí)，表明初始化成功，便進(jìn)入數(shù)據(jù)周期進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。如在一定的時(shí)間內(nèi)即按理論上可能的最大總線長(zhǎng)度計(jì)時(shí)還沒(méi)有識(shí)別到一個(gè)返回字，屆時(shí)，總線系統(tǒng)的初始化結(jié)束并發(fā)出錯(cuò)誤信息。

在數(shù)據(jù)周期時(shí)，每一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)按照指定的寬度進(jìn)入數(shù)據(jù)環(huán)，它具有空間分布式移位寄存器結(jié)構(gòu)。一旦數(shù)據(jù)傳輸后，就通過(guò)CRC周期性冗余檢查，在每個(gè)設(shè)備以及總線適配控制板的輸入和輸出方向生成CRC測(cè)試字。
2)復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置在定位時(shí)的軟件功能如下:
a) 獲取每套縱切刀裝置的激活情況和實(shí)際移動(dòng)位置
b) 對(duì)縱切刀裝置先進(jìn)行快速粗定位(輸出信號(hào)給變頻器)
c) 對(duì)縱切刀裝置先進(jìn)行慢速精確定位(輸出信號(hào)給變頻器)
3)復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置在縱切時(shí)的軟件功能如下:
a) 獲取上層控制系統(tǒng)的啟動(dòng)命令
b) 獲取上層控制系統(tǒng)中每套縱切刀裝置的激活情況
c) 輸出給激活的各套縱切刀裝置，進(jìn)行橫向嚙合和徑向嚙合，觀察縱切效果
d) 輸出給縱切刀裝置的底刀運(yùn)轉(zhuǎn)信息給從屬模塊，進(jìn)而控制PLC對(duì)該底刀的速度信號(hào)。
4 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的維護(hù)和診斷
A) 根據(jù)總線設(shè)備的指示燈進(jìn)行維護(hù)和診斷
所有總線設(shè)備具有LED 指示的功能和狀態(tài)控制(包括BK模塊、I/O模塊、從屬模塊等):
* UL LED綠 模塊邏輯電壓 亮:正常 暗:無(wú)電壓
* BA LED綠 總線工作指示 亮:工作 暗:停止
* RC LED綠 遠(yuǎn)程總線輸入線狀態(tài) 亮:工作 暗:關(guān)閉
* RD LED紅 遠(yuǎn)程總線輸出線狀態(tài) 亮:關(guān)閉 暗:工作
* LD LED紅 本地總線狀態(tài) 亮:關(guān)閉 暗:工作
B) 根據(jù)總線適配控制板和應(yīng)用程序之間的診斷寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷和維護(hù)，具體可以診斷以下錯(cuò)誤信息:
* 外設(shè)出錯(cuò):可能I/O電壓故意斷開(kāi)、故障、短路或過(guò)載
* 遠(yuǎn)程總線出錯(cuò):可能遠(yuǎn)程總線設(shè)備故障、設(shè)備上的保險(xiǎn)絲燒毀、設(shè)備的電源中斷;或是傳輸電纜故障或斷開(kāi)
* 本地總線出錯(cuò):本地總線設(shè)備或傳輸電纜故障
* 總線適配控制板出錯(cuò):硬件系統(tǒng)出錯(cuò)
以上二種方式能在較短時(shí)間內(nèi)找到總線故障的出處，并順利排障。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的連接使得復(fù)卷機(jī)縱切刀的系架構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，可以大幅度降低施工費(fèi)用和線纜成本。通過(guò)工控機(jī)的以太網(wǎng)更能夠?qū)崿F(xiàn)電控一體化和管控一體化。寧波中華紙業(yè)公司Vari-Step系列復(fù)卷機(jī)采用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的縱切刀控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，且易于維修，目前已經(jīng)具備了日產(chǎn)1500噸的卷筒紙板產(chǎn)品的能力，位居同行業(yè)首位。

參 考 文 獻(xiàn)
(1) 《INTERBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線用戶手冊(cè)》 Phoenix Contact公司 1999年
(2) 《復(fù)卷機(jī)培訓(xùn)手冊(cè)》 Jagenberg公司 1996年