FOCKE硬盒包装机电控系统PLC改造项目

项目概述 | S7系列PLC控制系统的优势 | 系统改造（设计）原则 | 系统改造方案

一、项目概述
在我国烟草行业所使用的包装设备中，德国FOCKE公司生产的硬盒包装机占有相当的比例，并已成为目前国内各家卷烟厂的主流包装机机型。该类机型采用了SIEMENS公司S5系列可编程逻辑控制器系统进行控制，由于SIEMENS公司已经从上世纪九十年代中期开始停止了S5系列可编程逻辑控制器的生产，再加之主驱动都采用直流电机，因此FOCKE包装机的维护成本很高；而且，系统长年运行后设备电气故障频繁出现，且排除故障相当困难，所以在一定程度上严重影响了烟草企业的生产效率和产品质量。可见，依靠我国国内的技术力量对原有的FOCKE硬盒包装机进行改造，是提升设备档次、减少设备维护成本的有效途径。面对这样的形势，大树公司自上世纪九十年代开始，抓住了国内自动控制领域迅猛发展的契机，投入大量人力、财力开展对主流包装机型电控系统PLC改造的研制，其中也包括 FOCKE包装机电控系统改造项目。改造前的系统缺陷缺陷包括： 1) 保养及维修困难由于SIEMENS公司S5系列PLC产品已经于上世纪九十年代中期停产，其库存备品供货期只保证到2007年。而SIMOREG R2x系列驱动器产品也已经于九十年代末期停产，其备品已变得非常昂贵，而且随着时间的推移，其备品也将无处可买。 2) 直流电机维护工作量大驱动系统采用直流调速系统，在使用初期可以获得线性度很好的控制特性，但是直流电机的维护工作量很大。 3) 温度控制功能弊端现有烙铁的温度控制采用软件PID实现，如果控制温度算法的CPU因为某个故障停止运行，温度控制也随之停止，只有等到系统重新启动后才能进行温度控制，这需要一定时间才能稳定温度，在使用中存在弊端。 4) 操作性差 OPC均由FOCKE公司提供，其使用的技术已经过时，画面粗糙简单，并且是全英文界面，不便于操作工的操作使用。OPC采用的软件仅配合其特定的硬件平台，用户几乎无法进行功能扩充，机台上材料消耗、产量统计和运作率等数据也就不能方便地上传到工厂MIS系统中去。
二、S7系列PLC控制系统的优势
综合以上情况，大树智能科技（南京）有限公司公司研制开发了FOCKE硬盒包装机的S7系列PLC控制系统，该控制系统可大大提高FOCKE硬盒包装机整体的稳定性，同时具有如下优点：
1．机器故障率低由于S7系列PLC系统具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提高了系统稳定性能，平均无故障运行时间可达十万小时以上。 2．机器备件无后顾之忧由于SIMENS S7系统采用的都是国际上通用的软、硬件，因此便于工厂技术人员掌握，同时各个备品均可在国内选购。 3．操作界面友好，操作方便全汉化的操作界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺参数、提供产量和原材料消耗的查询，便于生产资料调度，同时以图形方式直观显示故障、报警信息； 4．具有数据采集与传输功能由于采用了现场总线，新的控制系统能够很好地满足工厂自动化以及CIMS系统的信息集成要求，可实现底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据；同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。
三、系统改造（设计）原则
改造后系统工作稳定可靠、功能完善——为了保证改造后系统稳定可靠、功能完整，需要在硬件软件两方面采取措施，硬件方面选用工控领域知名公司产品，最大限度去除各种电磁干扰。软件方面确保控制逻辑算法的严密，同时安排好各种出错情况下的处理出口，如重要数据的自动备份与自动恢复，系统突然掉电的处理，关键程序的容错处理，程序死锁的回避等；良好的可维护性——为了实现系统改造后具有良好的可维护性，各种硬件模块选用标准化系列，所选用的应是具有良好发展前景技术的产品，这样才能够保证将来长远的备件供应。软件方面由于是自主开发，并最终向用户完全开放，所以维护方面不存在问题，但也必须注意保证程序代码的可读性和加入必要的注释，保存好各种开发文档资料并及时规范化入档，确保软件的可维护性；
现场施工省时省力——为了能做到现场施工省时省力，缩短停机时间，减少对生产的影响。改造前需要做好准备工作：对系统中哪些需要改造替换、哪些继续保留进行合理的安排划分，防止盲目扩大改造范围和遗漏改造项目情况的发生，因此我们建议保留原有的各电控柜，保留柜内的可用元器件。此外，现场施工前准备工作充分到位，软硬件调试彻底，另外用户单位的配合工作也非常重要，包扩机台生产原料的准备，人员的配备，机械系统提前保养好等等。

四、系统改造方案

（一）机组各部分概述

      350部分主要完成小盒烟包的外包装工序，包括铝箔纸，内卡纸和商标纸的成型包装，并检测相应工序的完成质量。它的上游机一般为FOCKE公司所提供的烟支卸盘机，下游机为小包透明纸包装机（即401部分），相互间有联机信号和速度信号传递。802部分只是350部分把合格烟包向401部分输送过程中的一个缓冲环节。
      401部分完成将上游机（350部分）传送过来的合格烟包进行玻璃纸包装、加热粘合的工序，并检测相应工序的完成质量。合格的烟包传送给下游机大条包装机（408部分）。
      401部分输送过来的合格烟包在408部分上先按10包一组包上大条包装纸，然后再包上大条玻璃纸，并加热粘合，其间检测相应工序完成的质量，最后将合格的条烟送往装箱机。
      原系统各部分均由一套SIMATIC S5系统控制，软硬件开放性差，备件供应不上、维护不便等诸多问题，必须替换掉，新的硬件采用SIMATIC S7系统，全部软件重新开发。
      原直流调速驱动系统将被交流调速系统所取代，拆除直流调速器和直流电动机，安装上西门子公司的SIMOVERT VC交流调速器和西门子变频交流电机。操作面板单元（包括CRT显示器）整体摘除换新，常用开关操作方式保留，生产操作习惯保留，CRT换成液晶TFT显示，薄膜键盘换成软件触摸式。因此改造以后操作面板单元外形将变得轻巧美观，操作工不易视力疲劳。

（二）、具体方案实施

1．控制系统改造

西门子公司生产的S7-400系统延续了S5--115U/135U/155U系列的设计风格，其所有的模板的安装尺寸与S5的几乎完全一样（除了电源模块），S7-400的电源模块已经设计成直接安装在机架上的模板了，原来多处理器才能实现的功能现在完全可以由单个处理器就可以完成。这样350部分控制系统需要的模板数量将大大减少，原来电控柜内左侧上下两层S5的机架将被拆除。一个十八槽的S7机架居中安装至原来的上层机架位置，使得柜内器件布置更为整洁，走线更为清晰。由于机架安装位置的变动，其中原来接至下层模板的信号线走线方向需重新安排，长度也将根据需要来重新调整。

所选的处理器自带两个集成的通信口，一个为DP口，另一个为DP/MPI口（既可以当DP口来用，也可以当MPI口来用），PLC跟OPC的数据交换由DP通信网络实现，DP通信网络的最高传输速率达到了12Mbit/s，跟下游机（401部分）的信息联络将不再通过外部信号线来传输，而是直接由内置的GD（全局数据包）交换来完成。
l 温度控制我们将摈弃原机的软件PID算法，选用FM455-S智能摸板所内置的温度模糊控制算法，此摸板可在软件中设置在主处理器停止后选择停止工作还是独立继续工作，并且具有自诊断功能，如温度传感器断线检测，测量信号上溢、下溢检测，输出信号短路检测等。这些对系统的维护起到很好辅助作用。

原机的铝纸张力控制模板所实现的控制功能将会由具有强大的计算功能的CPU本身来接管，到时CPU根据A20/A21两个传感器的的信号值来计算出铝纸松卷辊的动态速度，通过通信方式发送给伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电动机运行。

2．主驱动系统改造

      原机的直流调速系统，直流调速器、直流电机及制动器件将被全部拆除，代之以目前最为流行和可靠的西门子工程级的交流调速系统，SIMOVERT VC交流变频器、交流变频电机及相应的制动器件。SIMOVERT VC是西门子在交流驱动方面的拳头产品，其性能指标比通用变频器高出至少一个数量级。
      SIMOVERT VC变频器的控制可以选择模拟量给定速度，数字量控制启动、停止来实现。也可以选择在各变频器上插一块标准的通信卡，就可以通过现场总线PROFIBUS DP很容易地实现对变频器的数字化控制。SIMOVERT VC变频器的安装尺寸跟原来的直流调速器的安装尺寸相近，就安装在柜内原直流调速器的位置，制动器件也将安装在原制动器件的位置。
      根据我们改造其他包装机的经验，交流变频电机选择短径、带手动释放装置的电机，这样对于安装、维护都相对方便。

3．铝纸伺服系统的改造

根据现场情况，我们拆除原有的两套FOCKE公司定制的伺服系统，选用西门子公司的SIMODRIVE 611U通用型伺服驱动器（两轴）和高精度的同步伺服电机来替代（或相同级别的伺服驱动系统产品，这将取决于用户的需求），SIMODRIVE 611U通用型伺服驱动器是西门子公司近几年所推出的产品，配以PROFIBUS-DP的通信适配模块就能很轻易地实现全数字控制。该驱动器可提供速度/力矩控制和定位控制方式。原来的张力控制模板被取消后，张力计算的任务将由CPU来完成，并根据计算结果来控制伺服电机的速度和铝纸盘的制动阀。相关参数和调整功能都会在人机界面上显示和实现。

4.人机界面的改造

这部分的改造方式是用西门子公司生产的PANEL PC-TOUCH 670系列工控机（12英寸TFT真彩触摸屏）替换旧人机界面，同时，为了遵守操作工原有的使用习惯，改造后界面功能和布局与旧人机界面完全相同。
该人机界面使用WINDOWS2000（或WINDOWS XP）操作系统，安装通用的组态软件，如WINCC、INTOUCH、iFIX等，图形界面友好，操作方式也很人性化，操作者很容易接受。同时软硬件平台的开放性，也使得用户可以自由地选择用工业以太网或者CANBUS网络把这包装机组数据连接到工厂的MIS系统中去。

5．机械相位获取方式的改造（根据现场实际情况而定）

重新加工350、802、401、408机器原来安装时间凸轮的四根主轴，拆除原有的四个时间凸轮及传感器，使用支架安装绝对值旋转编码器（如光洋的TRD 360），并校对编码器的电气零位，使它跟机械的零位完全吻合。其优点是：主轴的相位完全通过程序解码计算得出，机器的动作相位可以通过上位机进行授权修改，这样可以非常灵活地调整动作的相位，使机器获得最佳的动作相位。