基于PLC與現(xiàn)場總線技術(shù)的B1卷煙包裝機(jī)組

引言
目前我國大多卷煙廠的主力機(jī)型B1卷煙包裝機(jī)組是在上世紀(jì)80～90年代從德國斯慕門公司引進(jìn)的高速軟包包裝機(jī)組。但由于該卷炯包裝機(jī)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(jī)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(jī)；控制線路板布局復(fù)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(jī)組還存在控制方式落后、英文顯示導(dǎo)致維修不便等問題。
改造后的BI機(jī)組是以PLC和工控機(jī)為核心的電氣控制系統(tǒng)。PLC完成所有數(shù)據(jù)采集和實(shí)時控制，完成啟動、停車、工藝流程控制、檢測等整個運(yùn)行過程。工控機(jī)作為上位機(jī)，具有良好的人機(jī)界面，同時增加統(tǒng)計(jì)報(bào)表和預(yù)留網(wǎng)絡(luò)化管理功能，并為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支持，從而徹底解決BI機(jī)組電控系統(tǒng)所存在的問題。

2 BI包裝機(jī)組電控系統(tǒng)硬件構(gòu)成
BI包裝機(jī)組由NF卸盤機(jī)、BE包裝機(jī)、RC小包透明機(jī)、PHZ大條機(jī)和NK大條透明機(jī)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(dú)立部分組成，并且各部分之間單獨(dú)控制和單獨(dú)顯示。其中BE包裝機(jī)為主機(jī)，其他部分為從機(jī)。各部分之間增加信息交換功能，實(shí)現(xiàn)B1機(jī)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(jī)組協(xié)調(diào)工作。

3 改造設(shè)計(jì)方案
3．1 改造總體框圖
原BI機(jī)組的主機(jī)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(yùn)行信息。BE機(jī)的主要動作是由機(jī)械裝置完成，各部分共同特點(diǎn)為檢測信號多，執(zhí)行元件少。針對這一特點(diǎn)，整體改造BI機(jī)組，其改造框圖如圖2所示。

3．2 BI主機(jī)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(diǎn)。該軟件功能強(qiáng)大，具有面向?qū)ο?、直觀的用戶界面，易于使用。新的設(shè)計(jì)只保留極少數(shù)的繼電器，控制邏輯由PLC實(shí)現(xiàn)。去除繼電器后多出來的空間用于放置PLC的子站點(diǎn)，PLC的子站點(diǎn)主要包括通訊、輸入輸出和特殊功能等模塊。改造BI主機(jī)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(jìn)行改造。圖3為BI主機(jī)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(jī)的增量型編碼器。與增量型編碼器相比，絕對型編碼器實(shí)時反饋輸出角度值，無需通過脈沖計(jì)數(shù)方式計(jì)算設(shè)備當(dāng)前角度，即使設(shè)備斷電，在恢復(fù)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(jī)、直流調(diào)速器和智能隨動單元，采用交流電機(jī)加變頻器方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)速度控制。同時，采用BI主機(jī)的改進(jìn)機(jī)型BO機(jī)特點(diǎn)，在其控制臺增加手動調(diào)速電位器，便于操作和維護(hù)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(jī)還有進(jìn)料傳送帶、下煙道電機(jī)、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(jī)全部改為普通交流調(diào)速電機(jī)，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(jī)的烘干轉(zhuǎn)塔的加熱溫度(雖然原機(jī)有油加熱器，但一般不用，因?yàn)樵O(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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)，由西門子PLC的PID功能塊控制加熱器溫度。
3．2．5 人機(jī)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(jī)組重量，縮小外形體積，提高顯示質(zhì)量，并新增有關(guān)整機(jī)的參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)耗分析、故障信息報(bào)警定位等功能。采用全中文菜單設(shè)置監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jī)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(jī)，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(jī)相應(yīng)的接線端子上，在不改變原主機(jī)任何控制電路和機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(dú)立的診斷程序提供詳細(xì)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(jī)組控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與管理層計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)組已運(yùn)行一年，運(yùn)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(jī)界面完全漢化，方便故障檢查和排除。新設(shè)計(jì)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(fèi)用。該系統(tǒng)為車間的網(wǎng)絡(luò)化管理及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支持，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能。