倍福總線端子在干冰膨脹煙絲線上的應用
引言：一些卷煙廠原使用的干冰膨脹煙絲（DIET--DryIceExpandedTobacco）生產線的控制系統采用GEM80系列可編程控制器。由于原生產線電控系統配置陳舊、關鍵件（主要指PLC，輸入、輸出模塊等）老化，同時軟件系統設計靈活性較差，監控界面不直觀、友好等因素，致使控制系統無法適應生產線順暢運行。因此控制系統需要更新，以提高生產效率及工藝參數控制精度。
一、系統總體設計思想及設計方案
根據原生產線使用的具體情況，必須為新系統量身定做先進可行的電控系統，因為一條生產線電控系統的設計是為機械設備及工藝服務的，但是控制系統的可靠與否將直接影響著工藝參數的控制精度。
如何在構建新型控制系統時，既能采用當今最新的計算機技術、信息技術、網絡技術，而又能使原有設備充分利用、各設備接口連接通暢，是系統設計所考慮的要點之一。
另一個要點是控制系統在設計時能充分考慮經濟實用性，即指良好的性能價格比。
根據施工現場的實際使用情況，本著先進性、可靠性、實用性、經濟性的設計原則，確定新系統設計采用西門子公司S7-400系列PLC，原控制面板上的指針式顯示儀表及撥碼開關全部改為觸摸屏或操作員終端顯示及控制。采用先進的現場總線和分布式控制技術，由上位機進行統一實時監控，使操作更加直觀，系統更加靈活。采用集中監控方案，可最大限度的減少人為干預，提高各項工藝參數的控制精度，保持系統的穩定性，提高自動化程度。
考慮到干冰膨脹線控制系統要求較高安全性的特殊性，其對網絡產品的性能要求較高，例如：通訊速度、通訊可靠性以及總線器件的穩定性等要求都較高，因此控制層與工藝段設備操作層之間的通訊采用PROFIBUS-DP網絡，該網絡是一種經過優化的高速的通訊連接，它的設計專門為自動控制系統與分散的I/O設備級之間通訊使用，使用PROFIBUS-DP可取代24V或4-20MA的并行信號傳輸。而現場總線產品的關鍵器件選用了德國Beckhoff公司產品。
新型控制系統設計將原CP1，CP2，CP3控制系統全部淘汰，采用西門子公司S7系列PLC與分布式遠程I/O控制系統。同時應用工業以太網與監控機通訊，另外為增加網絡傳輸速度與穩定性，遠距離通訊采用光纖進行傳送。整個車間的控制和管理系統網絡結構共分為2層，即設備控制層和監控管理層。
二、控制范圍及工藝簡述
整個控制系統改造范圍包括：
A、進料端CP3
進料端設備從進料皮帶開始到雙速皮帶機結束，包括喂料機、計量管、皮帶、振槽、超級回潮筒、水分儀、寸動車、貯柜（FIFO先進先出式，兩組）、貯柜（對頂式，兩組）、皮帶秤、雙速皮帶機等設備。回潮筒要求出口水分控制精度。
B、冷端CP1
冷端設備從往復皮帶機開始到開松器結束，包括可逆皮帶機、伸縮槽、左右傳輸槽、工藝罐加熱器、過濾泵、空氣壓縮機（2臺）、液壓泵（2臺）、CO2補給泵、CO2壓縮機，CO2干燥器、主制冷機、停機制冷機、冷卻塔風機、冷卻水泵、CO2傳輸泵、貯存皮帶機及開松器等設備。
C、熱端CP2
熱端設備從電子皮帶秤起到回潮筒后出料振槽結束，包括焚燒爐、電子皮帶秤、廢氣風機、主工藝風機、進料氣鎖、出料氣鎖、旋風除塵氣鎖、帶罩皮帶機及回潮筒等設備。
三、Beckhoff現場總線端子簡介
德國倍福（BECKHOFF）公司是德國一家專業的自動化公司。其主要產品包括現場總線端子、高性能的工業計算機和控制面板及控制軟件。
BECKHOFF公司的現場總線端子可支持目前市場上幾乎所有的現場總線。高性能的各種總線端子可滿足不同現場信號的要求，特別是其新推出的電機啟動器端子KL8001，安裝西門子的3RT10系列接觸器構成全新的高性能電機啟動器，可對5.5KW以下的電機實現完全的控制。它不僅具有其它電機啟動器的由總線控制電機啟動、停止和返回電機狀態的功能，而且對電機具有很強的診斷、檢測和保護功能。
BECKHOFF現場總線端子的主要特點是性價比高、質量可靠、結構緊湊、堅固耐用，而且安裝和接線非常方便。
其特點如下：
1、控制電機的電流到9.9安培（旋轉開關設置）。
2、實時的每相電流、電壓測量；
3、有效功率測量；
4、接觸器開關次數和電機運行時間測量；
5、電機診斷可達5.5KW;
6、通過總線對電機實現控制；
7、非常緊湊的設計(120x45x72)。
通過總線的方式不僅實現電機的正反轉和最大限度的保護，而且對電機的運行狀態一目了然。由德國倍福公司的電源端子KL8001和西門子公司的3RT10系列接觸器組成高性能的電機啟動器，通過KS2000軟件對KL8001進行參數設定。
另外KL8001所測的參數都有其實際意義，每個參數都反映的是電機的運行狀況或現場設備的運行情況。
例如：KL8001可做如下操作方式和自動保護設定，
操作方式的設定：設定此電機允許的操作方式。
1、允許電機左轉；
2、允許電機右轉；
3、看門狗時間激活；
4、允許單相分析(單相電機用）。
自動保護功能設定：KL8001在下列故障下能自動快速切斷電機，無需控制器的干預。
1、三相負載不對稱；
2、相出錯；3、過壓；
4、欠壓；5、過載；
6、欠載。
四、系統配置及功能
4.1硬件設計
采用德國倍福總線系統的分布式I/O機箱，作為電控柜的基層控制站，安裝于現場。I/O控制站與PLC之間通過PROFIBUS-DP現場總線相連，每個分布式I/O機箱控制電機5-7臺（包括雙向電機，變頻器等），開入/開出或模入/模出點20-24個，在機箱內配各種電源保護開關、空氣開關、軟啟動器等。
系統采用分布式I/O機箱結構后，主控柜只需配電柜和PLC柜，主配電柜提供分布式機箱所需380V三相交流動力線（每箱按40A）、220VAC電源（每箱按2A）和24VDC電源。配電柜上設主電源開關，急停開關及指示燈等，PLC柜配S7-400PLC機架和人機操作界面--CP65系列平板工控機操作員顯示終端。
4.2與ProfiBus-DP網絡通訊設計
4.2.1主站硬件連接：首先配置好S7-400CPU主站，并連接好ProfiBus-DP網絡（略）。
4.2.2倍福總線端子子站的軟件設置：
1)電源端子KL8001需要設置PROFIBUS-DP地址，通過耦合器（BK3120）上的2個“ADDRESS”旋鈕開關實現，十進制為1-99。
2)電源端子KL8001需要設置額定電流，通過耦合器上的2個電流旋鈕開關實現，十進制為0.0A-9.9A，額定電流也可以在軟件上設置（此時要求硬件設置為0.0A）。
3)用倍福公司的串口電纜連接好PC機與倍福耦合器（BK3120），打開KS2000設置軟件。
4)點擊在線瀏覽按鈕，上載好與實際物理連接一致的配置，使用setting選項調整好模擬量配置，數字量一般不需要調整。
5)點擊KL8001\\setting選項，打開KL8001組態表單，可以組態操作模式、關斷模式、寄存器數據，例如：⑴額定電流，⑵過載電壓，⑶最大負載，⑷欠載電壓，⑸最小負載，等等，注意需要首先設置“左轉允許”、“右轉允許”，才能通過控制命令進行編程控制電機的左右轉向。
4.2.3在STEP7中做好硬件配置：
1）配置好S7-400主站和PROFIBUS-DP網絡。
2）添加正確的GSD文件：b312bece.gsd或者b312bece.gse。
3）硬件配置添加順序：AI、AO、KL8001、DI、DO，模擬量和電源端子按照模板型號逐個添加，數字量綜合起來按照總I/O點數（區分輸入、輸出模板）添加。模擬量模板輸入信號的4-20ma對應0-32768。
在PROFIBUS-DP網絡上連接BECKHOFF控制端子，能夠做到網絡完全兼容，性能穩定。
4.2.4軟件編程
用STEP7軟件編制專用的功能塊，通過PROFIBUS-DP網絡就可讀取倍福總線端子采集的相關設備基礎數據，然后通過SCADA監控軟件（系統采用WINCC6.0）即可實時檢測設備運行參數。
4.3系統功能
4.3.1控制系統具有手動和自動兩種控制方式。在手動方式下，操作員可以在現場通過操作站完成電機的啟停、電磁閥的通斷。在自動方式下，操作員可通過監控操作站或上位監控管理機上的功能鍵按工藝要求自動啟動各段的設備。一般，系統正常運行時為自動控制狀態。為便于設備的調試和生產維護，每組PLC劃分為具有獨立手/自動啟停功能的控制段，每段可分別操作運轉，工藝段的手/自動功能的切換在相應控制段的監控操作站實現。
4.3.2電機保護功能。對每臺電機都提供過流、過熱、缺相和短路保護功能。
4.3.3緊急斷電功能。電控系統提供緊急斷電功能，在主要設備附近設置緊急按鈕，以備在意外情況下能迅速切斷整個控制電源。
4.3.4故障報警功能。電控系統具有對故障檢測和故障狀態的聲光報警及消除聲光報警功能。
4.3.5PID控制功能。采用PID軟件模塊自動控制。PID參數在段監控操作站上設置，有手動和自動兩種控制模式。在手動控制模式時，輸出由手動調節，在自動控制模式時，輸出由PID軟件自動調節。
4.3.6變頻控制功能。整個工藝設備段需要調節轉速的電機均采用變頻器進行控制。對變頻調速電機啟停控制通過現場總線實現，頻率在段操作監控站上設置。采用變頻器控制后，電機的轉速連續可調，并且調節方便；另外電機緩慢啟動，降低了啟動電流。減少了啟動沖擊，延長了電機和設備的使用壽命。
五、結束語
此項目已正式投入生產運行，通過實施此項目，可以發現倍福產品有許多獨特的地方，比如倍福總線端子系統支持幾乎所有的現場總線系統，占用空間較小，其輸入/輸出模塊有1,2,4,8各種通道組合，用戶可根據項目預算情況在標準型、緊湊型、經濟型、經濟增強型、帶CPU和不帶CPU等各種類型中選擇最適合的總線接口，使項目設計達到最佳的性價比。同時由于通過總線端子可以提取大量的基礎參數，對于控制系統提前預測設備故障及故障診斷有很大幫助，提高了設備運行效率。
一、系統總體設計思想及設計方案
根據原生產線使用的具體情況，必須為新系統量身定做先進可行的電控系統，因為一條生產線電控系統的設計是為機械設備及工藝服務的，但是控制系統的可靠與否將直接影響著工藝參數的控制精度。
如何在構建新型控制系統時，既能采用當今最新的計算機技術、信息技術、網絡技術，而又能使原有設備充分利用、各設備接口連接通暢，是系統設計所考慮的要點之一。
另一個要點是控制系統在設計時能充分考慮經濟實用性，即指良好的性能價格比。
根據施工現場的實際使用情況，本著先進性、可靠性、實用性、經濟性的設計原則，確定新系統設計采用西門子公司S7-400系列PLC，原控制面板上的指針式顯示儀表及撥碼開關全部改為觸摸屏或操作員終端顯示及控制。采用先進的現場總線和分布式控制技術，由上位機進行統一實時監控，使操作更加直觀，系統更加靈活。采用集中監控方案，可最大限度的減少人為干預，提高各項工藝參數的控制精度，保持系統的穩定性，提高自動化程度。
考慮到干冰膨脹線控制系統要求較高安全性的特殊性，其對網絡產品的性能要求較高，例如：通訊速度、通訊可靠性以及總線器件的穩定性等要求都較高，因此控制層與工藝段設備操作層之間的通訊采用PROFIBUS-DP網絡，該網絡是一種經過優化的高速的通訊連接，它的設計專門為自動控制系統與分散的I/O設備級之間通訊使用，使用PROFIBUS-DP可取代24V或4-20MA的并行信號傳輸。而現場總線產品的關鍵器件選用了德國Beckhoff公司產品。
新型控制系統設計將原CP1，CP2，CP3控制系統全部淘汰，采用西門子公司S7系列PLC與分布式遠程I/O控制系統。同時應用工業以太網與監控機通訊，另外為增加網絡傳輸速度與穩定性，遠距離通訊采用光纖進行傳送。整個車間的控制和管理系統網絡結構共分為2層，即設備控制層和監控管理層。
二、控制范圍及工藝簡述
整個控制系統改造范圍包括：
A、進料端CP3
進料端設備從進料皮帶開始到雙速皮帶機結束，包括喂料機、計量管、皮帶、振槽、超級回潮筒、水分儀、寸動車、貯柜（FIFO先進先出式，兩組）、貯柜（對頂式，兩組）、皮帶秤、雙速皮帶機等設備。回潮筒要求出口水分控制精度。
B、冷端CP1
冷端設備從往復皮帶機開始到開松器結束，包括可逆皮帶機、伸縮槽、左右傳輸槽、工藝罐加熱器、過濾泵、空氣壓縮機（2臺）、液壓泵（2臺）、CO2補給泵、CO2壓縮機，CO2干燥器、主制冷機、停機制冷機、冷卻塔風機、冷卻水泵、CO2傳輸泵、貯存皮帶機及開松器等設備。
C、熱端CP2
熱端設備從電子皮帶秤起到回潮筒后出料振槽結束，包括焚燒爐、電子皮帶秤、廢氣風機、主工藝風機、進料氣鎖、出料氣鎖、旋風除塵氣鎖、帶罩皮帶機及回潮筒等設備。
三、Beckhoff現場總線端子簡介
德國倍福（BECKHOFF）公司是德國一家專業的自動化公司。其主要產品包括現場總線端子、高性能的工業計算機和控制面板及控制軟件。
BECKHOFF公司的現場總線端子可支持目前市場上幾乎所有的現場總線。高性能的各種總線端子可滿足不同現場信號的要求，特別是其新推出的電機啟動器端子KL8001，安裝西門子的3RT10系列接觸器構成全新的高性能電機啟動器，可對5.5KW以下的電機實現完全的控制。它不僅具有其它電機啟動器的由總線控制電機啟動、停止和返回電機狀態的功能，而且對電機具有很強的診斷、檢測和保護功能。
BECKHOFF現場總線端子的主要特點是性價比高、質量可靠、結構緊湊、堅固耐用，而且安裝和接線非常方便。
其特點如下：
1、控制電機的電流到9.9安培（旋轉開關設置）。
2、實時的每相電流、電壓測量；
3、有效功率測量；
4、接觸器開關次數和電機運行時間測量；
5、電機診斷可達5.5KW;
6、通過總線對電機實現控制；
7、非常緊湊的設計(120x45x72)。
通過總線的方式不僅實現電機的正反轉和最大限度的保護，而且對電機的運行狀態一目了然。由德國倍福公司的電源端子KL8001和西門子公司的3RT10系列接觸器組成高性能的電機啟動器，通過KS2000軟件對KL8001進行參數設定。
另外KL8001所測的參數都有其實際意義，每個參數都反映的是電機的運行狀況或現場設備的運行情況。
例如：KL8001可做如下操作方式和自動保護設定，
操作方式的設定：設定此電機允許的操作方式。
1、允許電機左轉；
2、允許電機右轉；
3、看門狗時間激活；
4、允許單相分析(單相電機用）。
自動保護功能設定：KL8001在下列故障下能自動快速切斷電機，無需控制器的干預。
1、三相負載不對稱；
2、相出錯；3、過壓；
4、欠壓；5、過載；
6、欠載。
四、系統配置及功能
4.1硬件設計
采用德國倍福總線系統的分布式I/O機箱，作為電控柜的基層控制站，安裝于現場。I/O控制站與PLC之間通過PROFIBUS-DP現場總線相連，每個分布式I/O機箱控制電機5-7臺（包括雙向電機，變頻器等），開入/開出或模入/模出點20-24個，在機箱內配各種電源保護開關、空氣開關、軟啟動器等。
系統采用分布式I/O機箱結構后，主控柜只需配電柜和PLC柜，主配電柜提供分布式機箱所需380V三相交流動力線（每箱按40A）、220VAC電源（每箱按2A）和24VDC電源。配電柜上設主電源開關，急停開關及指示燈等，PLC柜配S7-400PLC機架和人機操作界面--CP65系列平板工控機操作員顯示終端。
4.2與ProfiBus-DP網絡通訊設計
4.2.1主站硬件連接：首先配置好S7-400CPU主站，并連接好ProfiBus-DP網絡（略）。
4.2.2倍福總線端子子站的軟件設置：
1)電源端子KL8001需要設置PROFIBUS-DP地址，通過耦合器（BK3120）上的2個“ADDRESS”旋鈕開關實現，十進制為1-99。
2)電源端子KL8001需要設置額定電流，通過耦合器上的2個電流旋鈕開關實現，十進制為0.0A-9.9A，額定電流也可以在軟件上設置（此時要求硬件設置為0.0A）。
3)用倍福公司的串口電纜連接好PC機與倍福耦合器（BK3120），打開KS2000設置軟件。
4)點擊在線瀏覽按鈕，上載好與實際物理連接一致的配置，使用setting選項調整好模擬量配置，數字量一般不需要調整。
5)點擊KL8001\\setting選項，打開KL8001組態表單，可以組態操作模式、關斷模式、寄存器數據，例如：⑴額定電流，⑵過載電壓，⑶最大負載，⑷欠載電壓，⑸最小負載，等等，注意需要首先設置“左轉允許”、“右轉允許”，才能通過控制命令進行編程控制電機的左右轉向。
4.2.3在STEP7中做好硬件配置：
1）配置好S7-400主站和PROFIBUS-DP網絡。
2）添加正確的GSD文件：b312bece.gsd或者b312bece.gse。
3）硬件配置添加順序：AI、AO、KL8001、DI、DO，模擬量和電源端子按照模板型號逐個添加，數字量綜合起來按照總I/O點數（區分輸入、輸出模板）添加。模擬量模板輸入信號的4-20ma對應0-32768。
在PROFIBUS-DP網絡上連接BECKHOFF控制端子，能夠做到網絡完全兼容，性能穩定。
4.2.4軟件編程
用STEP7軟件編制專用的功能塊，通過PROFIBUS-DP網絡就可讀取倍福總線端子采集的相關設備基礎數據，然后通過SCADA監控軟件（系統采用WINCC6.0）即可實時檢測設備運行參數。
4.3系統功能
4.3.1控制系統具有手動和自動兩種控制方式。在手動方式下，操作員可以在現場通過操作站完成電機的啟停、電磁閥的通斷。在自動方式下，操作員可通過監控操作站或上位監控管理機上的功能鍵按工藝要求自動啟動各段的設備。一般，系統正常運行時為自動控制狀態。為便于設備的調試和生產維護，每組PLC劃分為具有獨立手/自動啟停功能的控制段，每段可分別操作運轉，工藝段的手/自動功能的切換在相應控制段的監控操作站實現。
4.3.2電機保護功能。對每臺電機都提供過流、過熱、缺相和短路保護功能。
4.3.3緊急斷電功能。電控系統提供緊急斷電功能，在主要設備附近設置緊急按鈕，以備在意外情況下能迅速切斷整個控制電源。
4.3.4故障報警功能。電控系統具有對故障檢測和故障狀態的聲光報警及消除聲光報警功能。
4.3.5PID控制功能。采用PID軟件模塊自動控制。PID參數在段監控操作站上設置，有手動和自動兩種控制模式。在手動控制模式時，輸出由手動調節，在自動控制模式時，輸出由PID軟件自動調節。
4.3.6變頻控制功能。整個工藝設備段需要調節轉速的電機均采用變頻器進行控制。對變頻調速電機啟停控制通過現場總線實現，頻率在段操作監控站上設置。采用變頻器控制后，電機的轉速連續可調，并且調節方便；另外電機緩慢啟動，降低了啟動電流。減少了啟動沖擊，延長了電機和設備的使用壽命。
五、結束語
此項目已正式投入生產運行，通過實施此項目，可以發現倍福產品有許多獨特的地方，比如倍福總線端子系統支持幾乎所有的現場總線系統，占用空間較小，其輸入/輸出模塊有1,2,4,8各種通道組合，用戶可根據項目預算情況在標準型、緊湊型、經濟型、經濟增強型、帶CPU和不帶CPU等各種類型中選擇最適合的總線接口，使項目設計達到最佳的性價比。同時由于通過總線端子可以提取大量的基礎參數，對于控制系統提前預測設備故障及故障診斷有很大幫助，提高了設備運行效率。
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