基于INTERBUS现场总线PLC技术的意大利GDX2卷烟包

1 引言
由于GDX2机投入生产已经十多年，接近其使用寿命，因此也进入了故障多发期，如何及时迅速的查找故障及进行零配件的备件工作，影响到整个企业的生产效益，成为技术人员面临的一大问题。由于当时技术的限制，部分机器的控制电路基本由继电器、接触器、分立元件的逻辑线路卡板等组成，电路复杂，故障检测比较麻烦，并且很多专用逻辑卡板在国内不宜买到，需要直接向意大利GD公司定购，前几年GD公司就已经通知烟厂不再提供老式电控系统备件，而且逻辑控制的机器不能进行数采联网，不能满足现代化生产管理的需要。因此，早期GD包装机电控改造成为方向。随着技术的发展，可编程控制器(PLC)在分布式系统中得到了广泛的应用，技术也趋于成熟，非常适合于卷烟工业。
工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(DCS)，在过去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的应用结果得到了用户的肯定。4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。然而现在，数字化和网络化成为当今控制网络发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在4-20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。
　现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。
在2000年1月宣布的IEC61158国际标准中，将八种总线(FF的H1、FF-HSE、PROFIBUS、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet)均列入国际标准，由于INTERBUS总线具有庞大的成员机构和良好的开放性，传输效率较高，并具有良好的故障诊断功能，因此决定选用此种总线作为现场总线。总线性能选型参见附表:

附表 总线性表选型表

2 技改方案的实施
近期GD公司向国内相关烟厂推介早期GD包装机电控改造的方案，但改造工期较长，价格昂贵。国内也有系统集成商可以承担PLC电控改造工作，工期较短，价格低，这些公司PLC技术理论没有问题，但因为他们对设备原理和工艺流程不够熟悉，改造后不一定达到最佳效果。针对该问题，由设备科和车间熟悉GD机的电气专业人员组成研讨小组，从成本、资金、技术力量、工程经验等多个角度进行综合考证，最后选择南京大树智能科技公司来承担该项技改任务。
根据技改的目标和实际情况，决定对某些实时性要求高、响应快的传感单元采用点对点的网络结构，而大多数响应信号采用基于INTERBUS总线的网络结构。关于这两种结构的控制网络特点如图1和图2所示，改造后的PLC网络结构如图3所示。这种采用混合结构改造的工控网络实现了两者的优劣互补，高效的满足了实际生产的要求，为生产过程网络化奠定了基础。

图1 PLC点对点网络

图2 基于INTERBUS总线的网络结构[page]

图3 改造后的控制网络结构

在改造的过程中，GDX2原先很多分离的控制系统得到了很好的集成或者改造，变化如下:
(1) 用S7-400 PLC作为控制系统核心，取代所有逻辑线路卡板及部分中间继电器。
(2) 加装的质量在线检测装置玻璃纸偏移检测、玻璃纸松散、小包美容器、条盒美容器等由原先单独的微处理器控制更集中到PLC控制，有利于结构的简化和故障诊断。
(3) 将机器上加热管换成110V，取消温控器，由功能模块FM455S实现温度的PID控制。
(4) 原来的GDX2下烟库机械触点式检测器更改为光电式检测器(ZN0239)，该传感器的最大优点是非接触式，对烟支无拍打冲击，减少了空头烟支的发生机率，也减少了因机械接触可能对烟支造成的损坏。
(5) 原先的机械式烟支检测器也更换为光电式烟支检测器(ZN0228)，由于该装置采用ATNEL公司的单片机89C52为控制核心，因此具备检测灵敏、采样速率高(单路信号可达到1.2μs)、调节方便等优点，可以检测空头、缺嘴、缺支及倒支。
(6) GDX2采用的直流碳刷电机改为交流变频控制电机，减少了设备维护工作量，并且运行性能有了提高，同时将原来凸轮装置检测相位机构更换为绝对值式光电编码器进行相位检测，采用9位格雷码，分辨精度达到0.7°。
(7) 烟库搅拌电机改为NTL-M系列稀土永磁无刷伺服电机，该电机采用高性能稀土永磁(SMCO)，具有定位精确、调速范围宽、过载能力强、高效节能的特点。
INTERBUS总线具有现场诊断功能，这也是采用该种总线的缘由之一。在外界设备模块(PCP)出现故障时，总线适配器会停止运行，启动诊断程序，采用主控访问模式，对外围网络发送诊断数据测试每个PCP是否正常，如果检测到某个PCP出现故障时，适配器会显示该PCP的设备号，如图4所示:

图4 INTERBUS适调器的检测功能

3 结束语
GDX2在PLC技改后，经过五个月的运行，生产状况良好，平稳性能有提高，故障率降低，现将技改后的效果总结如下，以供同行参考。
系统的电气维护工作简化。改造前系统有两个电柜，改造后只有一个电柜，同时各种线路大大简化:大量的逻辑运算、定时、脉冲电路被转化为PLC内部的软件处理，控制柜中所有的专用卡板、温控表也被PLC取代，因此，技改后的电柜变得简洁有序，控制逻辑清晰，并且INTERBUS总线和PLC模块都具有诊断功能，这些诊断信息有利于故障的快速定位与诊断。故障检查思路自然比较清晰明了，基本可以遵循以下思路:首先检查线路通讯是否正常，然后检查相关的传感器和执行器是否正常，最后检查PLC程序。
配件工作简化。电柜的配件由原来的几百种简化为现在的7大类(PLC模块、制动电阻、编码器、光耦、接触器、滤波器、变压器、空气开关、继电器、断路器)，很多原先国内不方便购买的专业卡板被取代，技改后的原配件在国内都可以采购。
机器工作的可靠性提高。因为系统采用PLC为控制核心，因此它不存在磨损和消耗问题，执行速度和灵敏度也得到了电气级的保证。
系统的联网监控和整个工厂联网变得易于实施。PLC模块可以方便的通过接口卡连入INTERNET网络，为以后的数据交换提供了方便