基于INTERBUS總線的GD包裝機控制系統(tǒng)設計

一、緒言
　　目前，我國煙廠的包裝機很多是GD公司生產(chǎn)的X1/X2型包裝機。由于該機型是早期90年代初引進的，其電控系統(tǒng)為FZ控制系統(tǒng),主要采用邏輯線路板作為其主控設備,隨著設備的長期運行,邏輯電路控制方式的缺點就逐漸顯露出來了。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）故障率高；
2）維護困難；
3）機臺操作工故障定位困難；
4）實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集功能困難；
5）原機采用的軟、硬件都是GD公司生產(chǎn)的，通用性差，而且GD公司已通知以后不再提供老式FZ電控系統(tǒng)備件，因此給今后的維修將帶來很大的困難。

由于以上這些種種問題，很有必要對該控制系統(tǒng)進行技術改造。改造后的控制系統(tǒng)除應保證原機正常生產(chǎn)功能外，系統(tǒng)還必須具有先進性，符合現(xiàn)代煙機控制系統(tǒng)發(fā)展的潮流，能夠提供直觀人機界面，具有計算機網(wǎng)絡接口，能進行單機數(shù)采等。

二、改造方案
針對上述的問題和要求，我們設計了以德國SIEMENS S7—400 PLC 為核心，采用INTERBUS現(xiàn)場總線的一套全新的PLC控制系統(tǒng)，以取代原GDX1包裝機所用的全部電路板。改造后的系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、INTERBUS總線和上位工控機組成。

隨著計算機和通訊技術的不斷發(fā)展，串聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸技術也漸漸地進入了工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。這種傳輸技術可以將現(xiàn)場信號通過幾根導線互相串接起來進行通訊。 因為這種串聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸被廣泛地應用于變送器/執(zhí)行器等現(xiàn)場設備上，所以這種方法又被稱為現(xiàn)場總線系統(tǒng)。這樣僅需一根電纜便取代成千上百的輸入 /輸出線，大大減少了現(xiàn)場布線的復雜性，減少網(wǎng)絡的硬件設備，降低了成本。INTERBUS總線是Phoenix Contact公司推出的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，是一種經(jīng)濟、簡單、開放的傳感器執(zhí)行器總線。主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場設備與PLC控制系統(tǒng)之間的互聯(lián)，構(gòu)建具有較高實時性要求的工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡 ，具有快速傳輸簡單輸入輸出數(shù)據(jù)的能力。它具有以下幾方面的優(yōu)點：

1）INTERBUS總線采用了集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通訊，這種通訊保證了數(shù)據(jù)傳輸嚴格的同步性和周期性；
2）全雙工的通訊方式和500K的一致速率保證了數(shù)據(jù)通訊的實時性；差分信號傳輸和專門的總線環(huán)路檢查保證了強大的抗干擾性和設備實時監(jiān)控；
3）INTERBUS網(wǎng)絡傳輸媒介可以混合使用，不論光纜、光導、紅外均可按要求而定；
4）INTERBUS總線系統(tǒng)調(diào)試方便，即插即用，安裝方便，不用終端電阻，調(diào)試時間短，不會地址重疊；
5）INTERBUS發(fā)生故障時能正確告訴操作人員錯誤位置、類型、解決方法、診斷功能極強。另外，INTERBUS特別適合數(shù)據(jù)塊小，但傳輸次數(shù)較頻繁的場合，因此很適合與GD包裝機的改造場合。

　　系統(tǒng)組成框圖

總線適配控制器是INTERBUS總線系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)通信的核心，也是INTERBUS總線系統(tǒng)與PLC之間的橋梁，它的性能的優(yōu)劣對于整個控制系統(tǒng)都有很大的影響。本系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)采用的是西門子公司的S7-400 PLC，所以選擇菲尼克斯電氣公司專門為西門子 S7-400 控制系統(tǒng)生產(chǎn)的第四代總線適配控制器IBS S7 400 DSC/I-T（Dir mode）。該控制器與PLC系統(tǒng)間采用直接I/O模式通信。所謂直接模式，是指INTERBUS系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)被直接拷貝到PLC的輸入和輸出地址區(qū)。使用上，IBS S7 400 DSC/I-T 被看作S7-400控制系統(tǒng)的一塊S5模塊。作為第四代標準診斷控制器（DSC），IBS S7 400 DSC/I-T不僅與西門子的 S7-400 PLC完全兼容。

改造后的系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、INTERBUS總線和上位工控機組成。PLC主要完成包裝機組中各個設備的邏輯控制及溫度控制，上位工控機完成故障顯示、速度顯示、溫度設定值的設定和實際值的顯示、參數(shù)修改、產(chǎn)量和材料消耗統(tǒng)計及歷史數(shù)據(jù)保存等功能。PLC通過MPI通訊協(xié)議與上位工控機進行數(shù)據(jù)交換，上位工控機再通過CAN總線或以太網(wǎng)將各種機臺數(shù)據(jù)送到廠級MIS系統(tǒng)?？刂破髋c現(xiàn)場設備之間通過INTERBUS總線連接。

由圖1可以看到，各種傳感器和操作按鈕等檢測、控制信號一部分經(jīng)INTERBUS I/O 模塊組輸入PLC，一部分送至PLC直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以減少中間環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性。繼電器、斷路器等低壓電器安裝在主動電柜中。而原機13個溫控器全部取消，由PLC模塊直接進行PID模糊控制，在工控機屏幕上可以進行各溫度點的溫度設定和溫度顯示。

控制系統(tǒng)的總線組態(tài)軟件選用菲尼克斯電氣公司的第四代INTERBUS系統(tǒng)組態(tài)軟件IBS CMD G4 4.51。IBS CMD G4是與 PLC控制系統(tǒng)相互獨立的組態(tài)軟件。該軟件可以使用戶以可視化方式交互配置、操作、診斷INTERBUS網(wǎng)絡中所有的連接設備，設定INTERBUS總線設備與PLC控制系統(tǒng)通信的內(nèi)存區(qū)域。通過對總線適配控制器進行配置，設置了標準寄存器和地址區(qū)，寄存器最終被映射到PLC的輸入和輸出區(qū)。標準寄存器包括兩個診斷寄存器和三個標準功能寄存器，診斷寄存器包括診斷狀態(tài)寄存器（輸入字）和診斷參數(shù)寄存器（輸入字）。
PLC控制軟件編程采用STEP 7。其編程思想及過程為：
1）消化原機圖紙，理解其控制邏輯；
2）現(xiàn)場了解工藝操作過程，熟悉工藝流程；
3）軟件控制邏輯基本和原控制板邏輯保持一致，如信號連動、互鎖、移位寄存器操作等；