基于INTERBUS現(xiàn)場總線PLC技術的意大利GDX2卷煙包

1 引言
由于GDX2機投入生產(chǎn)已經(jīng)十多年，接近其使用壽命，因此也進入了故障多發(fā)期，如何及時迅速的查找故障及進行零配件的備件工作，影響到整個企業(yè)的生產(chǎn)效益，成為技術人員面臨的一大問題。由于當時技術的限制，部分機器的控制電路基本由繼電器、接觸器、分立元件的邏輯線路卡板等組成，電路復雜，故障檢測比較麻煩，并且很多專用邏輯卡板在國內(nèi)不宜買到，需要直接向意大利GD公司定購，前幾年GD公司就已經(jīng)通知煙廠不再提供老式電控系統(tǒng)備件，而且邏輯控制的機器不能進行數(shù)采聯(lián)網(wǎng)，不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)管理的需要。因此，早期GD包裝機電控改造成為方向。隨著技術的發(fā)展，可編程控制器(PLC)在分布式系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，技術也趨于成熟，非常適合于卷煙工業(yè)。
工業(yè)控制從早期的就地控制、集中控制，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的集散控制(DCS)，在過去的20年中，過程工業(yè)對DCS系統(tǒng)及相關的儀表裝置進行了大量的投入，DCS系統(tǒng)的應用結果得到了用戶的肯定。4-20mA信號是DCS系統(tǒng)及現(xiàn)場設備相互連接的最本質(zhì)特點，這是控制系統(tǒng)和儀表裝置發(fā)展的一大進步。然而現(xiàn)在，數(shù)字化和網(wǎng)絡化成為當今控制網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統(tǒng)的模擬信號只能提供原始的測量和控制信息，而智能變送器在4-20mA信號之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個過程控制系統(tǒng)的機制進行數(shù)字化和網(wǎng)絡化，應是其發(fā)展的必然趨勢。
　現(xiàn)場總線在智能現(xiàn)場設備、自動化系統(tǒng)之間提供了一個全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點的通信鏈接。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)促進了現(xiàn)場設備的數(shù)字化和網(wǎng)絡化，并且使現(xiàn)場控制的功能更加強大。這一改進帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷的綜合能力的控制網(wǎng)絡。
在2000年1月宣布的IEC61158國際標準中，將八種總線(FF的H1、FF-HSE、PROFIBUS、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet)均列入國際標準，由于INTERBUS總線具有龐大的成員機構和良好的開放性，傳輸效率較高，并具有良好的故障診斷功能，因此決定選用此種總線作為現(xiàn)場總線。總線性能選型參見附表:

附表 總線性表選型表

2 技改方案的實施
近期GD公司向國內(nèi)相關煙廠推介早期GD包裝機電控改造的方案，但改造工期較長，價格昂貴。國內(nèi)也有系統(tǒng)集成商可以承擔PLC電控改造工作，工期較短，價格低，這些公司PLC技術理論沒有問題，但因為他們對設備原理和工藝流程不夠熟悉，改造后不一定達到最佳效果。針對該問題，由設備科和車間熟悉GD機的電氣專業(yè)人員組成研討小組，從成本、資金、技術力量、工程經(jīng)驗等多個角度進行綜合考證，最后選擇南京大樹智能科技公司來承擔該項技改任務。
根據(jù)技改的目標和實際情況，決定對某些實時性要求高、響應快的傳感單元采用點對點的網(wǎng)絡結構，而大多數(shù)響應信號采用基于INTERBUS總線的網(wǎng)絡結構。關于這兩種結構的控制網(wǎng)絡特點如圖1和圖2所示，改造后的PLC網(wǎng)絡結構如圖3所示。這種采用混合結構改造的工控網(wǎng)絡實現(xiàn)了兩者的優(yōu)劣互補，高效的滿足了實際生產(chǎn)的要求，為生產(chǎn)過程網(wǎng)絡化奠定了基礎。

圖1 PLC點對點網(wǎng)絡

圖2 基于INTERBUS總線的網(wǎng)絡結構

圖3 改造后的控制網(wǎng)絡結構

在改造的過程中，GDX2原先很多分離的控制系統(tǒng)得到了很好的集成或者改造，變化如下:
(1) 用S7-400 PLC作為控制系統(tǒng)核心，取代所有邏輯線路卡板及部分中間繼電器。
(2) 加裝的質(zhì)量在線檢測裝置玻璃紙偏移檢測、玻璃紙松散、小包美容器、條盒美容器等由原先單獨的微處理器控制更集中到PLC控制，有利于結構的簡化和故障診斷。
(3) 將機器上加熱管換成110V，取消溫控器，由功能模塊FM455S實現(xiàn)溫度的PID控制。
(4) 原來的GDX2下煙庫機械觸點式檢測器更改為光電式檢測器(ZN0239)，該傳感器的最大優(yōu)點是非接觸式，對煙支無拍打沖擊，減少了空頭煙支的發(fā)生機率，也減少了因機械接觸可能對煙支造成的損壞。
(5) 原先的機械式煙支檢測器也更換為光電式煙支檢測器(ZN0228)，由于該裝置采用ATNEL公司的單片機89C52為控制核心，因此具備檢測靈敏、采樣速率高(單路信號可達到1.2μs)、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，可以檢測空頭、缺嘴、缺支及倒支。
(6) GDX2采用的直流碳刷電機改為交流變頻控制電機，減少了設備維護工作量，并且運行性能有了提高，同時將原來凸輪裝置檢測相位機構更換為絕對值式光電編碼器進行相位檢測，采用9位格雷碼，分辨精度達到0.7°。
(7) 煙庫攪拌電機改為NTL-M系列稀土永磁無刷伺服電機，該電機采用高性能稀土永磁(SMCO)，具有定位精確、調(diào)速范圍寬、過載能力強、高效節(jié)能的特點。
INTERBUS總線具有現(xiàn)場診斷功能，這也是采用該種總線的緣由之一。在外界設備模塊(PCP)出現(xiàn)故障時，總線適配器會停止運行，啟動診斷程序，采用主控訪問模式，對外圍網(wǎng)絡發(fā)送診斷數(shù)據(jù)測試每個PCP是否正常，如果檢測到某個PCP出現(xiàn)故障時，適配器會顯示該PCP的設備號，如圖4所示:

圖4 INTERBUS適調(diào)器的檢測功能

3 結束語
GDX2在PLC技改后，經(jīng)過五個月的運行，生產(chǎn)狀況良好，平穩(wěn)性能有提高，故障率降低，現(xiàn)將技改后的效果總結如下，以供同行參考。
系統(tǒng)的電氣維護工作簡化。改造前系統(tǒng)有兩個電柜，改造后只有一個電柜，同時各種線路大大簡化:大量的邏輯運算、定時、脈沖電路被轉化為PLC內(nèi)部的軟件處理，控制柜中所有的專用卡板、溫控表也被PLC取代，因此，技改后的電柜變得簡潔有序，控制邏輯清晰，并且INTERBUS總線和PLC模塊都具有診斷功能，這些診斷信息有利于故障的快速定位與診斷。故障檢查思路自然比較清晰明了，基本可以遵循以下思路:首先檢查線路通訊是否正常，然后檢查相關的傳感器和執(zhí)行器是否正常，最后檢查PLC程序。
配件工作簡化。電柜的配件由原來的幾百種簡化為現(xiàn)在的7大類(PLC模塊、制動電阻、編碼器、光耦、接觸器、濾波器、變壓器、空氣開關、繼電器、斷路器)，很多原先國內(nèi)不方便購買的專業(yè)卡板被取代，技改后的原配件在國內(nèi)都可以采購。
機器工作的可靠性提高。因為系統(tǒng)采用PLC為控制核心，因此它不存在磨損和消耗問題，執(zhí)行速度和靈敏度也得到了電氣級的保證。
系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和整個工廠聯(lián)網(wǎng)變得易于實施。PLC模塊可以方便的通過接口卡連入INTERNET網(wǎng)絡，為以后的數(shù)據(jù)交換提供了方便。