FOCKE778條盒包裝機總線-BECKHOFF光纖系統的改進

周家超，高云鵬，蘇家驊

【摘 要】現昆明卷煙廠使用的5條FOCKE700生產線，其中FOCKE778機型的功能是將煙包進行條盒包裝。控制系統以S5-135U PLC為核心，總線系統為BECKHOFF光纖系統。由于該總線系統存在模塊電壓不足的問題，致使出現故障頻率增加的現象。論文使用直接電壓補償的方法，使各模塊工作電壓正常后，整個光纖系統的故障次數顯著減少。

【Abstract】There are five FOCKE700 production lines in use in Kunming Cigarette Factory， among which the function of FOCKE778 model is to pack cigarette packs in cartons. The control system takes S5-135U PLC as the core， and the bus system is BECKHOFF optical fiber system. Due to the problem of insufficient module voltage in the bus system， the fault frequency increases. In this paper， a direct voltage compensation method is used to reduce the number of faults of the whole optical fiber system after the working voltage of each module is normal.

【關鍵詞】光纖系統;模擬量模塊;電壓

【Keywords】optical fiber system; analog module; voltage

【中圖分類號】TS43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）11-0160-02

1 原理分析

1.1 FOCKE778中的BECKHOFF總線系統基本原理

圖1為FOCKE778中光纖系統回路圖，其中，虛線框內為電柜內的部分，M為回路信號轉換單元，其功能是完成光纖系統與CPU間的通訊，除A站位于電柜內，其他B-K為分布于機器各部分的站點。每個站點由一個總線耦合器和若干的模擬量、數字量輸入/輸出模塊組成。各站點的連接實際上是將各站點中模塊的電信號，通過總線耦合器轉換為總線的光信號，再通過光纖將各站點的總線耦合器連接起來，從而形成回路系統。

1.2 故障原因分析

設備使用時間長，模塊耗電量增加，使得總線耦合器負載攜帶能力下降，一些模塊較多的站點，在正常工作中出現通訊故障。其中，模塊最多的為B站，除耦合器外，共有47個模塊，見圖2，總線耦合器的工作電壓為24V，耦合器與各模塊間通過工作電壓為5V的K-BUS總線連接，選擇BK2000耦合器，并使用KL9010作為末端模塊，該站最多可以帶64個模塊。5V電壓經過每個模塊后，都略有下降，由于使用時間較長，經過每個模塊后的壓降也相應的增加。

1.3 導致電壓問題的原因

上文所述，烙鐵溫度下降和主電機速度信號傳遞出現問題，從烙鐵溫度信號和主電機速度信號輸入模塊開始分析，如圖2所示，42、43號模塊分別為烙鐵溫度信號和主電機速度信號輸入模塊，上述兩個信號通過K-BUS總線傳遞到BK2000光纖總線通信模塊，為確定出現故障時，K-BUS通訊是否正常，我們在5臺FOCKE778發生烙鐵溫度下降和主電機速度無法調整時，對42、43號模塊K-BUS總線工作電源1、2間電壓進行了測量，結果如表1所示， 42、47號模塊的供電電壓大大低于正常值范圍5V （-5%/+10%）。為什么電壓會不足5V呢？為此，我們在測量42、47號模塊后，還對B站點的總線耦合器BK2000模塊上K-BUS總線工作電源輸出以及隨機抽取的10、20、30號模塊1、2間電壓進行了跟蹤測量，發現BK2000輸出電壓沒有任何問題，但隨著模塊和BK2000距離的增加，其K-BUS總線工作電壓呈下降趨勢[1]。

以此類推，模擬量模塊42-45以及遠離BK2000的數字量模塊仍然會存在K-BUS總線電壓不足的問題，下面對這兩種情況下，為何沒有發生故障進行分析：

①模擬量模塊。模擬量模塊44-47分別為兩個負壓風機和兩個正壓風機溫度熱敏輸入點，由于都是小負載電機，且都增加了冷卻風扇，連續多日工作后仍然發熱很小，基本保持常溫，熱敏輸出電阻值波動范圍離超溫報警值很遠，故±1V電壓波動并不會使得44-47號模塊的信號進入停機范圍。②數字量模塊。數字量信號只有5V和0V兩種，0～2.3V視為“0”，2.3V以上至5V視為“1”，假設某數字量模塊K-BUS工作電壓已降至4V，此時存在5V信號降低被認為是“0”的情況，但是，工作電壓只下降至正常值的80%，輸出信號只要高于：2.3V÷80%=2.875V，就不會被系統誤認為是“0”信號。

1.4 解決辦法

由于造成故障的主要原因來自電壓不足，怎樣提高42、43號模塊K-BUS總線的工作電壓呢？

通過加大對BK2000模塊的供電來提高K-BUS總線的工作電壓顯然是不可取的，因為對于K-BUS總線來說，BK2000具有電源的功能，在不燒毀的前提下，電源的輸出電壓并不會隨輸入電壓有明顯的變化，而且BK2000輸出電壓大幅增加也會使得靠近BK2000的模塊有燒毀的隱患。

那么，能不能直接對電壓不足的42、43號模塊進行供電呢。這是兩個直流穩壓電源并聯的問題，兩個電源完全一致是不可能的，所以兩個直流電源并聯時，電壓低的就成了高的負載（就像被充電），消耗高電壓直流電源的電能，特別是空載和輕負載時嚴重，但是此處負載較高，由上述測量結果可知，所增加電源的位置，電壓值在增加前絕對不可能達到5V，故所加電源不會成為回路的負載，同理，BK2000也不會成為所贈電源的負載。

2 解決步驟

2.1 數據分析

將兩根導線分別焊在42號模塊K-BUS總線1、2端子的銅片背面，并外接一5V電源，然后再將模塊插回原來的位置。然后，再次測量42、43號模塊K-BUS總線工作電壓，如表2所示。

測試結果表明，42#、43#模塊的供電電壓顯著增大，電壓值達到了正常工作電壓的范圍值。

2.2 硬件實現

雖然效果明顯，單獨添加5V供電電源，但簡易改造既影響美觀又因焊接線路外漏存在巨大隱患，通過查閱BECKHOFF手冊，了解到可以在任意地方添加電壓模塊KL9100，這樣就可以極大地減少工作量，并保證設備的工作穩定性。但是此種做法會改變其他模塊的地址，如果因此在程序里改變其他模塊的地址不但會產生較大的勞動量，而且風險極大，因此，我們通過以下過程來實現。

步驟一：完成KL9100供電端子模塊的使用改造。

①該供電端子模塊由接口電路和輸出電路組成，接口電路接輸入端，輸出電路分為24V或5V兩種電壓輸出口。當輸入端接通24V直流電壓后，輸出電路24V輸出口輸出24V直流電壓，5V輸出口輸出為0。②通過上述分析，切斷輸入端與接口電路、5V輸出口與輸出電路的內部電路連接，人為地用導線將5V輸出口與輸入端連接。此時，當輸入端接通5V電壓后，5V輸出口輸出5V電壓。這樣一來，就解決了因增加KL9100供電而引起的地址偏移問題。

步驟二：在41#、42#模塊間安裝供電端子模塊。

步驟三：完成供電線路改造。

參照FOCKE778技術手冊上的BK2000總線端子模塊的電氣參數，選擇型號為SH05-24F-5S（24V→5V）的電源轉換器。

3 結語

對FOCKE778光纖系統進行改進后，提升了設備的有效作業率，提高了設備單位時間內的產能，減少了設備的無效耗能。同時，停機次數的降低也減少了因設備再啟動所產生的廢品剔除量，對企業實現節能減排的社會責任起到了積極促進作用。

【參考文獻】

【1】陳先鋒.伺服控制技術自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2010.