S7-1500卷煙機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)改造

蔡小偉，　范宜標(biāo)，　黃桂萍，　吳春富

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 龍巖　364012)

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S7-1500卷煙機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)改造

蔡小偉，范宜標(biāo)，黃桂萍，吳春富

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 龍巖364012)

摘要：將原西門(mén)子S5系列PLC升級(jí)為S7-1500系列PLC。優(yōu)化了外圍硬件電路， 采用TCP/IP、PROFIBUS-DP以及MPI等通訊協(xié)議使得通訊功能更加強(qiáng)大，系統(tǒng)工作可靠性和運(yùn)行效率得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：S7-1500PLC； 卷煙機(jī)；TCP/IP；PROFIBUS-DP

0引言

PASSIM[1]7K型卷接機(jī)是20世紀(jì)90年代初引進(jìn)英國(guó)MOLINS公司的高速卷接設(shè)備，在國(guó)內(nèi)各卷煙廠廣泛應(yīng)用,具有運(yùn)行較為穩(wěn)定、有效作業(yè)率高等優(yōu)點(diǎn)。卷接機(jī)組控制系統(tǒng)的控制器為上個(gè)世紀(jì)90年代流行的西門(mén)子S5系列PLC。由于設(shè)備服役時(shí)間長(zhǎng)，控制線路老化，電氣故障率不斷提高[2]，難以適應(yīng)當(dāng)今的生產(chǎn)需求，因此對(duì)其控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，提高機(jī)組電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便捷性已勢(shì)在必行。為了充分利用原有的資源，在原系統(tǒng)上采用西門(mén)子新型SIMATICS7-1500控制器進(jìn)行卷煙機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，新的控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了PROFIBUS-DP、TCP/IP等通訊接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、HMI等的通訊，控制系統(tǒng)煥然一新。通過(guò)對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況靈活調(diào)整工藝參數(shù)，從而保證了煙支質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化與透明化，最大限度降低了成本，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率，故此次系統(tǒng)升級(jí)具有著重要意義。

1控制系統(tǒng)

1.1控制系統(tǒng)組成與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的PASSIM7K卷煙機(jī)的控制系統(tǒng)包含了上位機(jī)系統(tǒng)[3]和電控系統(tǒng)兩部分。其中，電控系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為供電系統(tǒng)、連鎖控制電路、主PLC控制系統(tǒng)、主電機(jī)控制系統(tǒng)及料斗控制系統(tǒng)5部分；按PLC的功能劃分為主機(jī)系統(tǒng)、LU從站系統(tǒng)、TF-3P從站系統(tǒng)、TU從站系統(tǒng)以及料斗PLC系統(tǒng)5部分。改造后整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖中不難看出，主機(jī)控制系統(tǒng)既要與各從站系統(tǒng)通信，對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)信息進(jìn)行采集、處理，并發(fā)出命令，控制和協(xié)調(diào)整個(gè)卷煙系統(tǒng)的工作，完成與接裝機(jī)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)卷接機(jī)組的連鎖控制，它還擔(dān)負(fù)與上位機(jī)系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與過(guò)程自動(dòng)化。主機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制器為西門(mén)子S7-1500系列CPU1516-3PN/DP，與各從站系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)料斗PLC通訊采用PROFINET通訊協(xié)議，與上位機(jī)系統(tǒng)、接裝機(jī)控制系統(tǒng)的通訊均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議。由于PROFIBUS-DP和TCP/IP這兩種應(yīng)用性廣、通訊可靠穩(wěn)定的通訊協(xié)議應(yīng)用在系統(tǒng)升級(jí)改造中，大大提高了系統(tǒng)的通訊能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2系統(tǒng)工作原理

卷煙機(jī)的工藝流程如圖2所示。

PASSIM7K[4]卷接機(jī)組電控系統(tǒng)的作用是用來(lái)控制和協(xié)調(diào)各功能部件，從而實(shí)現(xiàn)煙支生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化控制，并對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況靈活調(diào)整工藝參數(shù)，從而保證了煙支質(zhì)量。

圖2PASSIM7K工藝流程圖

卷煙機(jī)控制系統(tǒng)是嚴(yán)格按照一定的控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)煙支的生產(chǎn)與質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程[5]，當(dāng)一步控制失靈，將引發(fā)故障停機(jī)、煙絲和卷煙紙的浪費(fèi)以及生產(chǎn)的煙支不合格等故障。其控制邏輯嚴(yán)格按照?qǐng)D3進(jìn)行系統(tǒng)控制。

圖3控制邏輯圖

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PLC選型

SIMATICS7-1500[6]作為西門(mén)子公司的新成員，它順應(yīng)了PLC的發(fā)展趨勢(shì)。SIMATICS7-1500是新一代基于TIA博途軟件平臺(tái)的控制器，是自動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的全新里程碑。該控制器通過(guò)其多方面的革新，具有最高的性價(jià)比和最強(qiáng)大的功能：中央機(jī)架可配置多達(dá)32個(gè)模塊；背板總線通信速度提升40倍；集成運(yùn)動(dòng)控制，信號(hào)追蹤功能；集成PID自整定功能；強(qiáng)大的信息保護(hù)機(jī)制；基于TIA博途平臺(tái)進(jìn)行工程組態(tài)，大幅提高效率。此外，模塊種類更加優(yōu)化，集成更多功能并支持通道級(jí)診斷，采用統(tǒng)一的前連接器，具有預(yù)接線功能，這些模塊既可以直接在CPU進(jìn)行集中式處理，也可以通過(guò)ET200MP系統(tǒng)進(jìn)行分布式處理。S7-1500PLC針對(duì)中大型系統(tǒng)，無(wú)論在功能還是其模塊擴(kuò)展功能、運(yùn)行速度等性能均滿足該設(shè)備的控制需求，因此我們選用S7-1500系列PLC作為PASSIM7K型卷煙機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制器。

該控制系統(tǒng)配置兩個(gè)CPU，分別置于主機(jī)控制系統(tǒng)和料斗控制部分[7]，其它系統(tǒng)均作為遠(yuǎn)程I/O站，分布式I/O站通過(guò)通信接口模塊與主站CPU進(jìn)行PROFIBUS-DP通訊。這樣通訊的目的是為方便整個(gè)大型系統(tǒng)的連鎖控制，提高設(shè)備運(yùn)行效率[8]，降低其設(shè)備的故障率。

2.1.1主PLC控制系統(tǒng)的硬件選型與配置

根據(jù)系統(tǒng)需求統(tǒng)計(jì)，I/O點(diǎn)數(shù)較多，通過(guò)計(jì)算可知，主機(jī)需要的信號(hào)模塊數(shù)量為10個(gè)。故一個(gè)機(jī)架不夠用，必須通過(guò)接口模塊進(jìn)行機(jī)架擴(kuò)展。由于該系統(tǒng)中沒(méi)有功能模塊，則無(wú)需通信總線，使用IM155-5接口模塊即可滿足需求，這樣可以節(jié)約成本。

在本系統(tǒng)中使用S7-1500系列PLC具有較高的性價(jià)比和系統(tǒng)的靈活性?？刂葡到y(tǒng)對(duì)于運(yùn)行環(huán)境沒(méi)有特殊要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)型的CPU。從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖可知，該P(yáng)LC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(hào)。具體選型見(jiàn)表1。

表1　主PLC控制系統(tǒng)PLC選型表

2.1.2料斗控制系統(tǒng)PLC選型與硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)改造需求，料斗控制系統(tǒng)需要5個(gè)信號(hào)模塊數(shù)量即可。因此，這里無(wú)需配置拓展機(jī)架和接口模塊，只需要一個(gè)主機(jī)架即可。這里PLC選型與主PLC差不多，從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖上可知，該系統(tǒng)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(tǒng)PLC選型見(jiàn)表2。

表2　料斗控制系統(tǒng)PLC選型表

2.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理，畫(huà)出其主PLC控制系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。

圖4主PLC控制系統(tǒng)程序流程

首先，進(jìn)行程序初始化，初始化后進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢，如其它連鎖控制正常，各電機(jī)都已經(jīng)正常工作，方可進(jìn)入主電機(jī)的啟動(dòng)程序。主電機(jī)的工作方式分點(diǎn)動(dòng)、啟動(dòng)、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(jīng)確定，PLC發(fā)出變頻器使能信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)主電機(jī)。當(dāng)主電機(jī)工作于高速方式時(shí)，還對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試到的實(shí)際速度進(jìn)行對(duì)比分析，如果速度不足，或者變頻器出現(xiàn)故障，則PLC發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

2.3系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

使系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，生產(chǎn)出來(lái)的煙支合格的前提是PLC程序正確、可靠。所以在正式投入運(yùn)行前，務(wù)必反復(fù)調(diào)試，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，并且以7 000支/s的速度生產(chǎn)出合格的煙支。這里，S7-1500PLC編程軟件為SIMATICSTEP7ProfessionalV13。程序的下載可用網(wǎng)線通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行，這與過(guò)去相比，簡(jiǎn)單了很多。下載前應(yīng)注意各站點(diǎn)的地址、通訊方式以及波特率的選擇。

程序下載以后還應(yīng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試的目的是為了驗(yàn)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(guò)PLC和觸摸屏來(lái)調(diào)試。只有空載調(diào)試成功并無(wú)誤，才能進(jìn)行后序的負(fù)載調(diào)試運(yùn)行，即連接現(xiàn)場(chǎng)各電機(jī)等設(shè)備，讓其試運(yùn)行，觀察各部位是否協(xié)調(diào)動(dòng)作，并且操作無(wú)誤。調(diào)試的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到十幾種常見(jiàn)的電氣故障，都應(yīng)一一排查，完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作，方可投入生產(chǎn)。

3升級(jí)改造后效益分析

控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，各方面效益顯著提高。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，得出升級(jí)改造前后系統(tǒng)的故障率見(jiàn)表3。

表3　升級(jí)改造前后系統(tǒng)故障率

根據(jù)表3，從以下三方面分析討論了系統(tǒng)升級(jí)的意義。

1)人員效益。改造后的系統(tǒng)運(yùn)用的是西門(mén)子最新的控制器，性能各方面都優(yōu)于之前的任一系統(tǒng)，這樣有效地提高了電氣技術(shù)人員的技術(shù)水平，為公司培養(yǎng)了一批技術(shù)過(guò)硬、實(shí)踐能力強(qiáng)、扎實(shí)肯干的技術(shù)團(tuán)隊(duì)；通過(guò)改造前后故障率和維修時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)表，可以看出改造后系統(tǒng)故障率大大降低，而且維修時(shí)長(zhǎng)也大大縮短，減輕了車間維修人員工作強(qiáng)度。

2)項(xiàng)目效益。此次對(duì)某卷煙廠4個(gè)機(jī)組進(jìn)行升級(jí)，項(xiàng)目費(fèi)用支出總額為55萬(wàn)元，升級(jí)后設(shè)備服役時(shí)間可延長(zhǎng)3～7年，有效延長(zhǎng)4臺(tái)套共1億元人民幣的固定資產(chǎn)的使用年限；升級(jí)后設(shè)備程序故障率和維修時(shí)長(zhǎng)也明顯降低，大幅提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率；系統(tǒng)升級(jí)后核心處理器功能大大增強(qiáng)，而且通訊功能增強(qiáng)使得整個(gè)系統(tǒng)更加靈活、穩(wěn)定。

3)社會(huì)效益。此項(xiàng)目的實(shí)施大大提高了電氣技術(shù)人員的技術(shù)水平，使得卷煙設(shè)備使用、改造、維護(hù)水平上一個(gè)臺(tái)階，在一定程度上提高了公司形象。

4結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目自2015年3月開(kāi)始實(shí)施，2015年8月先在某公司卷包車間PASSIM7K型卷接機(jī)組進(jìn)行控制系統(tǒng)升級(jí)試驗(yàn)成功，并先后在其它三個(gè)機(jī)組推廣使用。設(shè)備升級(jí)后運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)套卷接機(jī)組PLC控制器的升級(jí)換代，將即將停產(chǎn)的西門(mén)子S5PLC升級(jí)成最新一代的S7-1500系列PLC。

在程序方面，項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)程序和電路平均故障率和維護(hù)時(shí)長(zhǎng)明顯降低，保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，有效提高設(shè)備有效作業(yè)率；系統(tǒng)的通訊功能更加強(qiáng)大，預(yù)留多種通訊接口使得整個(gè)控制系統(tǒng)更加靈活簡(jiǎn)便。此外，設(shè)備升級(jí)過(guò)程強(qiáng)調(diào)可視化操作，通過(guò)程序監(jiān)控或是觸摸屏可以查找設(shè)備故障點(diǎn)，讓故障一覽無(wú)遺。

升級(jí)后機(jī)組只需通過(guò)網(wǎng)線或光纖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊就可以與公司上層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)接，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使設(shè)備在生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控和智能化管理等方面達(dá)到了國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際先進(jìn)水平。

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UpgradingandreconstructionofS7-1500cigarettemachinecontrolsystem

CAIXiaowei，F(xiàn)ANYibiao，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(xiàng)目：2014年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目A類(JA14307); 龍巖學(xué)院校立服務(wù)海西項(xiàng)目(LYXY2011075); 龍巖學(xué)院產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(LC2015005)

作者簡(jiǎn)介：蔡小偉(1986-)，男，漢族，福建龍海人，龍巖學(xué)院助教,碩士，主要從事智能機(jī)器人、嵌入式技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)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(hào)：TP271;TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)03-0277-06