基于PLC与现场总线技术的B1卷烟包装机组

引言
    目前我国大多卷烟厂的主力机型B1卷烟包装机组是在上世纪80～90年代从德国斯慕门公司引进的高速软包包装机组。但由于该卷炯包装机组工作年久，各电子控制部件逐步老化、失效，故障率很高。近年来，BI机组电气控制系统缺陷日益凸显；逻辑组件老化；出现故障不能自动停机；控制线路板布局复杂，国内无相关元件生产厂家，备件困难且价格高。同时BI机组还存在控制方式落后、英文显示导致维修不便等问题。
    改造后的BI机组是以PLC和工控机为核心的电气控制系统。PLC完成所有数据采集和实时控制，完成启动、停车、工艺流程控制、检测等整个运行过程。工控机作为上位机，具有良好的人机界面，同时增加统计报表和预留网络化管理功能，并为远程数据采集提供技术支持，从而彻底解决BI机组电控系统所存在的问题。

2 BI包装机组电控系统硬件构成
    BI包装机组由NF卸盘机、BE包装机、RC小包透明机、PHZ大条机和NK大条透明机等5部分组成，如图1所示。

    改造后的电控系统则采用BE、RC、NF、FHZ/HK等4个独立部分组成，并且各部分之间单独控制和单独显示。其中BE包装机为主机，其他部分为从机。各部分之间增加信息交换功能，实现B1机组的整体控制，而相位控制则采用绝对值编码器，从而使B1机组协调工作。

3 改造设计方案
3．1 改造总体框图
    原BI机组的主机BE、RC、FHZ／NK的控制系统不在同一套控制柜中，各部分通过开关量交换设备运行信息。BE机的主要动作是由机械装置完成，各部分共同特点为检测信号多，执行元件少。针对这一特点，整体改造BI机组，其改造框图如图2所示。

3．2 BI主机改造
    控制器采用高性价比的S7-400 PLC，该器件是西门子公司生产的高性能大型PLC控制系统，具有高速、稳定、可靠、开放等特点。该软件功能强大，具有面向对象、直观的用户界面，易于使用。新的设计只保留极少数的继电器，控制逻辑由PLC实现。去除继电器后多出来的空间用于放置PLC的子站点，PLC的子站点主要包括通讯、输入输出和特殊功能等模块。改造BI主机主要是对其角度反馈系统、控制系统和调速传动系统进行改造。图3为BI主机控制系统结构图。

3．2．1 角度反馈装置的改造
    采用绝对型编码器替换原机的增量型编码器。与增量型编码器相比，绝对型编码器实时反馈输出角度值，无需通过脉冲计数方式计算设备当前角度，即使设备断电，在恢复供电后也可立即知道断电前的角度值，并立即投入生产，无需重新寻找零脉冲。
3．2．2 主驱动的改造
    鉴于现今交流变频技术已具有较高的可靠性，可取消原系统直流电机、直流调速器和智能随动单元，采用交流电机加变频器方式实现主机速度控制。同时，采用BI主机的改进机型BO机特点，在其控制台增加手动调速电位器，便于操作和维护人员调试保养设备。
3．2．3 辅助驱动系统的改造
    除主驱动系统外，BI主机还有进料传送带、下烟道电机、盒皮胶辊、封签胶辊和出口传送带等5个辅助驱动装置。这些辅助驱动的直流电机全部改为普通交流调速电机，均选用西门子420变频器控制。
3．2．4 温度调节系统的改造
    需调节控制BI主机的烘干转塔的加热温度(虽然原机有油加热器，但一般不用，因为设备在卷包车间内工作时润滑油是绝对不会出现冻结的)。原机温度调节系统由Pt100热电阻、TEMPMOD A176／A177转换板、测温板SMC-MAX(A30)、A／D转换板SMC-02B(A24)、和固态继电器、加热器组成。改造温度调节系统是在保留原机的热电阻和加热器的基础上，取消热电阻转为4～20 mA的模块TEMPMOD A176／A177，而将热电阻的线直接引入控制柜，接至西门子PLC的模拟量模块。温度调节采用软PID实现，由西门子PLC的PID功能块控制加热器温度。
3．2．5 人机界面的改造
    采用液晶触摸屏技术代替老式的CRT显示和键盘输入，大大减轻机组重量，缩小外形体积，提高显示质量，并新增有关整机的参数设置、产耗分析、故障信息报警定位等功能。采用全中文菜单设置监控功能，实现运行状态显示、车速显示、参数设置、故障指示、交班记录等；设置有密码功能防止无关人员改动参数。维修密码可授权给机器维修人员。
3．2．6 烟支检测器的改造
    选用ZN0228-B1型B1光电小包烟支检测器替代原装小包烟支检测器。恢烟支检测器是一款全新的数字化检测模式，它由空头检测探头、缺支检测探头和控制器3部分组成，无需改动原主机，只需将原缺支、空头检测头换成新的检测头，并把控制器的输出线连接到B1主机相应的接线端子上，在不改变原主机任何控制电路和机械装置的情况下，可直观、方便调整缺支、空头的灵敏度。
3．3 现场总线与网络连接
    INTERBUS是德国Phoenix公司提供的工业现场总线，符合IEC61158国际标准总线。现已广泛应用于汽车工业、烟草工业、仓储及传送技术、造纸工业、包装工业、食品工业等领域。独立的诊断程序提供详细的故障信息(故障地址、故障类型和故障历史记录)，诊断寄存器提供用户程序处理故障信息的工具，控制板3行16段LCD显示器直观醒目。图4为B1机组控制系统通过以太网与管理层计算机通信。

    S7-400，S7-300和ILC200IB控制器分别安装于BE控制柜、RC控制柜以及FHZ／NK控制柜内。S7PLC配有电源、CPU、中断、 PID等模块。INTERBUS总线适配控制板安装于PLC底板，处理PLC与过程I／O设备之间的数据交换，大量的I／O模块及机组的操作面板安装在现场，通过INTERBUS总线连接到PLC。

4 结论
    改造后机组已运行一年，运行良好，性能稳定且故障率低，设备有效作业率平均为83．7％，较原来的 70％提高了13％，改造效果明显，上位机界面完全汉化，方便故障检查和排除。新设计的电控系统采用通用的元件，成本降低。大大节省维修费用。该系统为车间的网络化管理及远程数据采集提供技术支持，具有很强的扩展功能。