S7-1500卷煙機控制系統升級改造

蔡小偉，　范宜標，　黃桂萍，　吳春富

(龍巖學院 機電工程學院， 福建 龍巖　364012)

?

S7-1500卷煙機控制系統升級改造

蔡小偉，范宜標，黃桂萍，吳春富

(龍巖學院 機電工程學院， 福建 龍巖364012)

摘要：將原西門子S5系列PLC升級為S7-1500系列PLC。優化了外圍硬件電路， 采用TCP/IP、PROFIBUS-DP以及MPI等通訊協議使得通訊功能更加強大，系統工作可靠性和運行效率得到顯著提高。

關鍵詞：S7-1500PLC； 卷煙機；TCP/IP；PROFIBUS-DP

0引言

PASSIM[1]7K型卷接機是20世紀90年代初引進英國MOLINS公司的高速卷接設備，在國內各卷煙廠廣泛應用,具有運行較為穩定、有效作業率高等優點。卷接機組控制系統的控制器為上個世紀90年代流行的西門子S5系列PLC。由于設備服役時間長，控制線路老化，電氣故障率不斷提高[2]，難以適應當今的生產需求，因此對其控制系統的升級改造，提高機組電控系統的穩定性和便捷性已勢在必行。為了充分利用原有的資源，在原系統上采用西門子新型SIMATICS7-1500控制器進行卷煙機控制系統的升級改造，新的控制系統還設計了PROFIBUS-DP、TCP/IP等通訊接口實現與上位機、HMI等的通訊，控制系統煥然一新。通過對其生產過程中的質量進行實時監控，可根據現場的實時情況靈活調整工藝參數，從而保證了煙支質量，并實現生產過程自動化與透明化，最大限度降低了成本，并提高了系統的穩定性與生產效率，故此次系統升級具有著重要意義。

1控制系統

1.1控制系統組成與網絡結構

一個完整的PASSIM7K卷煙機的控制系統包含了上位機系統[3]和電控系統兩部分。其中，電控系統按結構分為供電系統、連鎖控制電路、主PLC控制系統、主電機控制系統及料斗控制系統5部分；按PLC的功能劃分為主機系統、LU從站系統、TF-3P從站系統、TU從站系統以及料斗PLC系統5部分。改造后整個系統網絡結構如圖1所示。

圖1系統網絡結構

圖中不難看出，主機控制系統既要與各從站系統通信，對來自現場有關信息進行采集、處理，并發出命令，控制和協調整個卷煙系統的工作，完成與接裝機的對接，實現整個卷接機組的連鎖控制，它還擔負與上位機系統通訊，實現整個系統的網絡化與過程自動化。主機控制系統的核心控制器為西門子S7-1500系列CPU1516-3PN/DP，與各從站系統和現場級料斗PLC通訊采用PROFINET通訊協議，與上位機系統、接裝機控制系統的通訊均采用國際標準的TCP/IP通訊協議。由于PROFIBUS-DP和TCP/IP這兩種應用性廣、通訊可靠穩定的通訊協議應用在系統升級改造中，大大提高了系統的通訊能力和系統的穩定性。

1.2系統工作原理

卷煙機的工藝流程如圖2所示。

PASSIM7K[4]卷接機組電控系統的作用是用來控制和協調各功能部件，從而實現煙支生產的整個過程自動化控制，并對其生產過程中的質量進行實時監控，根據現場的實時情況靈活調整工藝參數，從而保證了煙支質量。

圖2PASSIM7K工藝流程圖

卷煙機控制系統是嚴格按照一定的控制邏輯來實現煙支的生產與質量檢測過程[5]，當一步控制失靈，將引發故障停機、煙絲和卷煙紙的浪費以及生產的煙支不合格等故障。其控制邏輯嚴格按照圖3進行系統控制。

圖3控制邏輯圖

2系統設計

2.1PLC選型

SIMATICS7-1500[6]作為西門子公司的新成員，它順應了PLC的發展趨勢。SIMATICS7-1500是新一代基于TIA博途軟件平臺的控制器，是自動系統領域的全新里程碑。該控制器通過其多方面的革新，具有最高的性價比和最強大的功能：中央機架可配置多達32個模塊；背板總線通信速度提升40倍；集成運動控制，信號追蹤功能；集成PID自整定功能；強大的信息保護機制；基于TIA博途平臺進行工程組態，大幅提高效率。此外，模塊種類更加優化，集成更多功能并支持通道級診斷，采用統一的前連接器，具有預接線功能，這些模塊既可以直接在CPU進行集中式處理，也可以通過ET200MP系統進行分布式處理。S7-1500PLC針對中大型系統，無論在功能還是其模塊擴展功能、運行速度等性能均滿足該設備的控制需求，因此我們選用S7-1500系列PLC作為PASSIM7K型卷煙機控制系統的核心控制器。

該控制系統配置兩個CPU，分別置于主機控制系統和料斗控制部分[7]，其它系統均作為遠程I/O站，分布式I/O站通過通信接口模塊與主站CPU進行PROFIBUS-DP通訊。這樣通訊的目的是為方便整個大型系統的連鎖控制，提高設備運行效率[8]，降低其設備的故障率。

2.1.1主PLC控制系統的硬件選型與配置

根據系統需求統計，I/O點數較多，通過計算可知，主機需要的信號模塊數量為10個。故一個機架不夠用，必須通過接口模塊進行機架擴展。由于該系統中沒有功能模塊，則無需通信總線，使用IM155-5接口模塊即可滿足需求，這樣可以節約成本。

在本系統中使用S7-1500系列PLC具有較高的性價比和系統的靈活性。控制系統對于運行環境沒有特殊要求，選擇標準型的CPU。從系統的網絡結構圖可知，該PLC站必須具備MPI、TCP/IP、PROFIBUS-DP等多種通訊功能，故CPU選用帶有PN和DP口的型號。具體選型見表1。

表1　主PLC控制系統PLC選型表

2.1.2料斗控制系統PLC選型與硬件配置

根據系統改造需求，料斗控制系統需要5個信號模塊數量即可。因此，這里無需配置拓展機架和接口模塊，只需要一個主機架即可。這里PLC選型與主PLC差不多，從系統網絡結構圖上可知，該系統通訊功能較為單一，故帶PN口的CPU就能滿足，不需要另外配置其它任何通訊模塊。料斗控制系統PLC選型見表2。

表2　料斗控制系統PLC選型表

2.2軟件設計

根據控制系統的工作原理，畫出其主PLC控制系統的程序流程如圖4所示。

圖4主PLC控制系統程序流程

首先，進行程序初始化，初始化后進行開機自檢，如其它連鎖控制正常，各電機都已經正常工作，方可進入主電機的啟動程序。主電機的工作方式分點動、啟動、拼接、高速、次高速5種，不同的方式其變頻器輸出的電壓值也不同。工作方式一經確定，PLC發出變頻器使能信號，進而驅動主電機。當主電機工作于高速方式時，還對電機速度進行測試，并將測試到的實際速度進行對比分析，如果速度不足，或者變頻器出現故障，則PLC發出相應的報警信號。

2.3系統調試運行

使系統穩定連續運行，生產出來的煙支合格的前提是PLC程序正確、可靠。所以在正式投入運行前，務必反復調試，確保系統正常穩定運行，并且以7 000支/s的速度生產出合格的煙支。這里，S7-1500PLC編程軟件為SIMATICSTEP7ProfessionalV13。程序的下載可用網線通過以太網進行，這與過去相比，簡單了很多。下載前應注意各站點的地址、通訊方式以及波特率的選擇。

程序下載以后還應進行調試。調試的目的是為了驗證其功能是否滿足需求和通訊、是否正常。大部分的功能均可通過PLC和觸摸屏來調試。只有空載調試成功并無誤，才能進行后序的負載調試運行，即連接現場各電機等設備，讓其試運行，觀察各部位是否協調動作，并且操作無誤。調試的過程中，經常會遇到十幾種常見的電氣故障，都應一一排查，完成整個系統的調試工作，方可投入生產。

3升級改造后效益分析

控制系統升級改造后，各方面效益顯著提高。通過統計，得出升級改造前后系統的故障率見表3。

表3　升級改造前后系統故障率

根據表3，從以下三方面分析討論了系統升級的意義。

1)人員效益。改造后的系統運用的是西門子最新的控制器，性能各方面都優于之前的任一系統，這樣有效地提高了電氣技術人員的技術水平，為公司培養了一批技術過硬、實踐能力強、扎實肯干的技術團隊；通過改造前后故障率和維修時長的統計表，可以看出改造后系統故障率大大降低，而且維修時長也大大縮短，減輕了車間維修人員工作強度。

2)項目效益。此次對某卷煙廠4個機組進行升級，項目費用支出總額為55萬元，升級后設備服役時間可延長3～7年，有效延長4臺套共1億元人民幣的固定資產的使用年限；升級后設備程序故障率和維修時長也明顯降低，大幅提高了設備的生產效率；系統升級后核心處理器功能大大增強，而且通訊功能增強使得整個系統更加靈活、穩定。

3)社會效益。此項目的實施大大提高了電氣技術人員的技術水平，使得卷煙設備使用、改造、維護水平上一個臺階，在一定程度上提高了公司形象。

4結語

該項目自2015年3月開始實施，2015年8月先在某公司卷包車間PASSIM7K型卷接機組進行控制系統升級試驗成功，并先后在其它三個機組推廣使用。設備升級后運行狀況良好，實現了4臺套卷接機組PLC控制器的升級換代，將即將停產的西門子S5PLC升級成最新一代的S7-1500系列PLC。

在程序方面，項目實施以來程序和電路平均故障率和維護時長明顯降低，保證設備運行穩定性，有效提高設備有效作業率；系統的通訊功能更加強大，預留多種通訊接口使得整個控制系統更加靈活簡便。此外，設備升級過程強調可視化操作，通過程序監控或是觸摸屏可以查找設備故障點，讓故障一覽無遺。

升級后機組只需通過網線或光纖進行標準的TCP/IP通訊就可以與公司上層數據采集系統對接，提高數據采集系統可靠性和數據的準確性，使設備在生產數據實時采集與監控和智能化管理等方面達到了國內甚至國際先進水平。

參考文獻：

[1]謝林軍,安靖,高潔,等.PASSIM卷接機組新型電控系統的設計與實現[J].煙草科技,2009(4):25-26，29.

[2]劉愷.PASSIM12K控制系統改進研究[J].工業控制計算機,2010(1):86,99.

[3]劉學海,韓東,王斌,等.基于IPC-PLC的PASSIM卷接機組電控系統設計[J].煙草科技,2010,11:25-28.

[4]王治偉.PASSIM7K卷接機組電控升級改造方案[J].電工技術,2010,11:43-44.

[5]駱德漢.MOLINS公司新型PASSIM卷接機組電氣系統介紹[J].煙草科技,1998(2):17-19.

[6]西門子.PLC控制器SIMATICS7-1500[J].自動化博覽,2013(3):11.

[7]劉云.新型卷煙機控制系統研究[D].長沙:湖南大學,2005.

[8]賀曉龍.卷煙機PLC電氣控制系統分析[J].科技傳播,2014,16:98,103.

UpgradingandreconstructionofS7-1500cigarettemachinecontrolsystem

CAIXiaowei，FANYibiao，HUANGGuiping，WUChunfu

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,LongyanUniversity,Longyan364012,China)

Abstract：OriginalSIEMENSS5PLCisupdatedtoS7-1500PLCandtheperipheralhardwarecircuitisoptimized.TheTCP/IP,PROFIBUS-DPandMPIandothercommunicationprotocolsareappliedtomakethesystemmoreflexibleandthecommunicationmorepowerful.Theworkingreliabilityandefficiencyarealsosignificantlyimproved.

Keywords：S7-1500PLC;Cigarettemachine;TCP/IP;PROFIBUS-DP.

收稿日期：2016-03-25

基金項目：2014年福建省中青年教師教育科研項目A類(JA14307); 龍巖學院校立服務海西項目(LYXY2011075); 龍巖學院產學研合作項目(LC2015005)

作者簡介：蔡小偉(1986-)，男，漢族，福建龍海人，龍巖學院助教,碩士，主要從事智能機器人、嵌入式技術、自動化控制系統方向研究,E-mail:cxw8604@163.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.14

中圖分類號：TP271;TP23

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0277-06