FOCKE-350S包裝機組新型電控系統的設計與實現

摘要：FOCKE-350S包裝機組經過十年左右的使用，由于備件缺乏、元器件線路老化以及操作性差等原因，造成設備故障率提高，有效生產作業率下降。為此，設計了一套新型的包裝機組電氣控制系統。該系統主要由PLC過程控制系統、電氣傳動系統和上位計算機監控系統組成，利用工業以太網來完成工控機與PLC、工廠管理信息系統與工控機以及PLC與PLC控制器之間的通訊，采用交流伺服驅動控制主電機，并通過高速布爾處理器來完成機器相位和煙包質量的檢測和控制。經過在卷煙廠的投入使用，新型的FOCKE-350S包裝機組運行穩定可靠，實時性強，且維修方便，提高了機組的有效作業率。

關鍵詞：FOCKE-350S包裝機組 電控系統 FM352-5布爾處理器 工業以太網

FOCKE-350S包裝機組是德國FOCKE﹠CO公司八十年代末期推出的硬盒高速包裝機機組。該機組電控系統主要由三套SIEMENS S5-135 PLC組成，實現對主機+存儲器（350+802）、小包玻璃紙機（401）和條盒機（408）三部分的控制。

國內的FOCKE包裝機組均為九十年代中期前后引進[1]，經過十年左右的使用，系統存在的主要問題有：①備件缺乏、采購周期長且昂貴；②元器件線路老化、故障率升高；③操作性差：OPC均由FOCKE公司提供，采用的軟件僅配合其特定的硬件平臺，用戶幾乎無法進行功能擴充，機臺上材料消耗、產量統計和運作率等數據也就不能方便地上傳到工廠MIS系統中去；④直流電機維護工作量大：驅動系統采用直流調速系統，在使用初期可以獲得線性度很好的控制特性，但是直流電機的體積比較大，需要更換碳刷和定期保養與維護。

為此，利用計算機控制及機電一體化技術，設計出一套新型包裝機組電氣控制系統的解決方案，使FOCKE-350S包裝機組具有更先進的自動控制技術，以適應高效率和安全生產的要求。

1總體設計方案

現場總線(Fieldbus)是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互連的通信網絡，是現場通信網絡與控制系統的集成。現場總線的標準化歷經十幾年才最終告一段落，于1999年底通過了8種類型的現場總線作為IEC61158國際標準。現場總線標準的不統一制約了現場總線發展。從信息集成的觀點來看，現場總線的底層信息要和上層的通用局域網連接，將底層信息集成到車間、公司線的數據庫中，甚至通過WEB方式瀏覽和交互控制。因此，基于以太網技術的現場總線得到了蓬勃的發展。

隨著煙機設備的高速發展，設備的電氣控制系統需要處理一些高速I/O信號，典型的高速信號響應時間需要控制在5ms左右。

針對如上情況，在原有的FOCKE-350S包裝機組上，設計了一套新型電氣控制系統。該系統采用比較先進的西門子S7-300系列plc，通過工業以太網完成數據的通信，為了實時進行高速信號檢測和控制，設計中采用了西門子高速布爾處理器FM352-5，達到了期望的效果。系統主要由PLC過程控制系統、伺服驅動系統和上位計算機監控系統組成。

2 電控系統的軟硬件設計

2.1 PLC過程控制系統設計與實現 FOCKE-350S包裝機組共采用三個西門子S7-300系列PLC進行過程控制。三個控制站選用帶有基于以太網TCP/IP的PROFINET接口的CPU，通過基于工業以太網的S7通訊，實現上下游機之間的數據通訊；采用Siemens高速布爾處理器FM352-5對機器的相位、煙包質量進行處理和控制。系統主要由PLC過程控制系統、伺服驅動系統和上位計算機監控系統組成，見圖1。該系統采用PLC進行過程控制，利用工業以太網來完成工控機與PLC、工廠管理信息系統與工控機以及PLC與PLC控制器之間的通訊，采用交流伺服驅動控制主電機，并通過高速布爾處理器來完成機器相位和煙包質量的檢測和控制。

2.1.1 工業以太網的設計與實現 PROFINET 是一種用于工業自動化領域的創新、開放式以太網標準（IEC 61158）。使用PROFINET，設備可以從現場級連接到管理級。在FOCKE-350S包裝機組中，工控機和帶有基于以太網TCP/IP的PROFINET接口的CPU之間組成現場級工業以太網，完成數據的采集、人機界面的顯示和PLC參數的設置，工控機和工廠管理信息系統組成管理級工業以太網，將工控機作為OPC服務器，完成數據的統計、歸檔和上傳。通過Siemens的STEP7軟件對三個站進行組態，并在STEP7軟件Configure Network窗口下，對站點的IP地址和子網掩碼進行設置，見圖2。

由于三個站點非主從設置，同級處于現場級工業以太網中，因此站點的MAC地址不需要設置，但是站點的IP地址必須保證在同一網段。在FOCKE-350S包裝機組中，PLC站點與PLC站點之間數據的傳輸是基于工業以太網的S7通訊，完成上下游機狀態數據的傳送，形成高效率的自動控制系統，因此需要對硬件組態中做進一步的設置，見圖3。

設置好每個CPU的S7通訊的屬性，指定好本地的識別地址和通訊伙伴的識別地址以及連接的激活狀態。完成硬件組態設置后，在STEP7軟件中調用發送數據段功能塊FB12和接收數據段功能塊FB13進行編程。在發送和接收功能塊中標明本機的識別地址，發送和接收的識別地址應根據通訊連接相應設置。

2.1.2 利用高速布爾處理器實現機器相位檢測和煙包質量控制 在FOCKE-350S包裝機組中采用Siemens高速布爾處理器FM352-5對機器的相位、煙包質量進行處理和控制。FM352-5是一個高速布爾處理器，允許在大型控制系統中提供一個獨立并且非常高速的數據處理控制。FM352-5可以配置成三種工作方式：①協處理器方式，和主處理器交換輸入、輸出、狀態和控制信息；②作為一個PROFIBU

S-DP從站；③PLC系統的獨立處理器。

FM352-5模塊利用片上處理器和FPGA并行處理信號，相對于傳統串行處理數據的可編程控制器，這種執行方式使信號得以高速處理和穩定的掃描周期[6]。FM352-5模塊自帶輸入和輸出點，除了普通I/O點，模塊還提供一個可接三種編碼器（增量型差分編碼器、24 V單端編碼器和SSI絕對值編碼器和）的接口。

在本系統中，采用協處理器方式，和主PLC交換輸入、輸出數據，以及獲取相關信號檢測相位數據的設定值，利用FM352-5模塊自帶的編碼器接口接SSI絕對值編碼器來處理機械的相位并利用模塊本身自帶的功能塊計算機器的速度。在STEP7軟件的硬件組態中可以對模塊的基本參數、模塊本身的診斷使能、診斷使能輸出、信號中斷使能和編碼器的設置等參數進行設置，以滿足控制系統的需要。

2.2 主驅動系統設計 直流調速系統控制穩定，精度高，動態響應快；但碳刷需要經常檢查和更換，而且直流電機的體積比較大，需要定期保養與維護。交流調速系統可以工作在任何場所，維護量小，體積小。隨著矢量控制理論及自適應控制理論的提出與完善，以及功率器件、集成芯片的快速發展，交流調速得到飛躍的發展，完全達到甚至超過直流調速。這樣設計新的電控系統時，將主驅動系統由原直流調速改造為交流調速，可以節約空間，也方便以后的維護。交流伺服驅動系統具有精確定位、轉距控制、速度控制等要求，可以實現提高控制精度。采用交流同步永磁伺服電機和英國CT公司的UNIDRIVE伺服驅動器，并拆除原來的齒輪箱，直接驅動FOCKE350、FOCKE401包裝機，這種驅動方式的改造具有如下特點：①低轉速大轉矩；②徹底解決了變速齒輪箱漏油的問題；③降低了機械損耗，提高了效率；④電機前端設計為雙軸承結構，裝有一只推力軸承和一只徑向軸承，增強了電機的承載能力，提高了電機的可靠性。

2.3 人機界面設計新電控系統用西門子公司生產的PANEL PC-TOUCH 670系列工控機（15英寸TFT真彩觸摸屏）替換舊人機界面，同時，為了遵守操作工原有的使用習慣，新電控系統的操作界面功能和布局與舊人機界面基本相同。該人機界面使用WINDOWS XP操作系統，安裝通用的組態軟件INTOUCH，圖形界面友好，操作方式也很人性化，操作者很容易接受。

3結論

新型的FOCKE-350S包裝機組經過在煙廠投入使用，機組生產過程由西門子S7-300PLC控制；采用工業以太網通訊實現了工控機和PLC以及PLC之間的數據傳輸；采用FM352-5模塊實現了機器相位信號的高速處理和煙包質量的控制。新型的FOCKE-350S包裝機組數據處理實時性強，系統的可靠性高，且維修方便、剔除煙包準確，降低了廢品消耗，提高了包裝機組的有效作業率。

參考文獻：

[1]梁兵.基于PROFIBUS現場總線FOCKE包裝機電控系統的研究與設計[D].南京：南京航空航天大學，2006.

[2]王錦標.現場總線和現場總線控制系統[J].化工自動化及儀表，1997，(02).

[3]沈航，徐紅泉，蔡慧，吳靖.工業以太網和現場總線[J].工業儀表與自動化裝置，2005，(01).

[4]李英華，周奇峰.在卷煙成型設備上實現高速任務處理[J].湖南文理學院學報（自然科學版），2009，(03).

[5]Siemens.用于S7-300/400系統和標準功能的系統軟件參考手冊[M].SIEMENSPress，2004.

[6]Siemens.FM 352-5 High-Speed Boolean Processor User Manual[M].SIEMENSPress，2003.

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