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工控机和复卷机监控系统
jiang_0514 发表于 2009/3/31 12:39:08 1109 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 前言
在纸厂中，复卷机主要负责对母纸卷进行复卷纵切的功能，也就是将造纸机卷纸部卷取的带铁芯母卷通过复卷机分割成多套带纸芯的小纸卷，复卷后的小纸卷既可以直接通过热塑打包成成品卷筒纸，也可以再经过切纸机切成平板纸。本文论述的是国内最先进的双底辊VARI-STEP复卷机，它能生产定量为30～450GSM之间的各类纸和纸板，运行速度高达1 800m/min，幅宽4 300mm，最大复卷直径2 100mm。图1所示为该系列复卷机的外观示意图，图中，退纸架上母卷的纸通过中间多个导纸辊，经纵切刀分切后，进入双底辊，然后在压纸辊的压力控制下，逐渐复卷完成一定直径的纸卷。根据复卷工艺的要求，现场的监控系统必须满足以下条件：① 根据纸品的不同参数，在控制屏上选择合适的压纸辊液压控制曲线进行控制，以达到恒定的纸卷紧度，同时获取纸卷实际直径的编码器信号和液压系统的压力实际采样值，并在监控系统上实时显示。② 实现对10套纵切刀装置进行快速自动定位和自动纵切的功能。③ 能够将监控系统上设定的参数值传送到PLC，如控制复卷自动停止的纸卷长度或半径值、设定张力值、设定速度值等，同时能从PLC中读取复卷工艺所需的实际参数值，并在监控系统上进行显示和存档，如母卷的直径、纸幅的张力、运行速度、复卷后纸卷的直径和总长度等。
图1 VARI－STEP复卷机系统外观结构
那么如何实现以上的三个主要监控功能呢？
本文引入一种以工控机为核心、同时结合现场总线系统和串行通讯的综合控制系统。在工控机中引入现场总线，能够实现快速、准确的数据发送和接收；而采用高速串行通讯在减少系统复杂性方面具有相当的优越性。这里使用的是Phoenix Contact公司推出的INTERBUS，它是欧洲使用最多的一种标准现场总线（根据DIN 19258标准）。由于它易懂的技术和面向用户的系统特色，允许用户根据不同的使用功能而自由地选择最适当的设备，所以被广泛使用在包括纸厂在内的大量工业领域。
2 复卷机监控系统的硬件结构
基本硬件组成为：工控机IPC；针对I/O接口的开放的现场总线系统（采用RS-485的现场总线 图1 VARI－STEP复卷机系统外观结构
那么如何实现以上的三个主要监控功能呢？
本文引入一种以工控机为核心、同时结合现场总线系统和串行通讯的综合控制系统。在工控机中引入现场总线，能够实现快速、准确的数据发送和接收；而采用高速串行通讯在减少系统复杂性方面具有相当的优越性。这里使用的是Phoenix Contact公司推出的INTERBUS，它是欧洲使用最多的一种标准现场总线（根据DIN 19258标准）。由于它易懂的技术和面向用户的系统特色，允许用户根据不同的使用功能而自由地选择最适当的设备，所以被广泛使用在包括纸厂在内的大量工业领域。
2 复卷机监控系统的硬件结构
基本硬件组成为：工控机IPC；针对I/O接口的开放的现场总线系统（采用RS-485的现场总线INTERBUS）；高速且能进行远距离传送的串行通讯系统。
本系统采用研华工控机IPC 610，它的关键部件为CPU卡PCA-6155V和无源底板PCA-6114P4。其中CPU卡PCA-6155V具有：① 支持INTEL Pentium系列和AMD K5/K6系列的CPU，能实现快速升级；② 卡上带PCI SVGA；③ 支持M-Systems DOC 2000FLASH电子盘；④ 支持2个DIMM和2个SIMM内存条；⑤ 卡上带PC/104扩展接口。采用无源底板的方式可以降低死机的概率、简化差错过程、升级更简便并使整个系统更有效。底板PCA-6114P4包括插槽（9个ISA总线插槽、4个PCI插槽和1个PICME插槽）、PC板（4层PCB，包括地线和电源层）等。
在硬件配置上，将接口卡插入到工控机主板插槽上能够实现现场总线系统的建构和串行通讯（见图2），通过对接口卡的地址设置，就可以通过程序设置相应CPU端口数据，然后即可进行数据通讯，如读取和写入数据等。其中接口卡的组成如下：
图2 工控机在复卷机系统中的硬件组成
① 接口卡1
接口卡1是现场总线适配控制板（型号为：IBS PC CB/COP/I-T），端口地址为1A0H。通过它可以连接INTERBUS现场总线系统到外围设备和计算机系统传输数据，以实现复卷机监控系统的第一个要求。
现场总线的纵向主线是远程总线线路，横向支线是本地总线线路。远程总线线路把总线适配控制板连接到第一INTERBUS总线设备（24BK-T，即总线终端模块）的远程输入口。从总线终端模块的远程输出口，通过远程总线线路可以逐级向下形成树状网络，共计3层。其中第二总线终端模块的支线为耦合模块TK08，它连接了现场的传感器―纸卷实际直径编码器；第三总线终端模块的支线为模拟输出模块AO1和模拟输入模块AI，它连接了压纸辊的液压控制信号。
② 接口卡2
接口卡2也是现场总线适配控制板（型号为：IBS PC CB/COP/I-T），端口地址为1A2H。通过它可以连接INTERBUS现场总线系统到外围设备和计算机系统传输数据了，以实现复卷机监控系统的第二个要求。
其数状网络原理如接口卡1所述，总线终端模块共为4层。第一总线终端模块的作用为模块站点信号的辨识；第二总线终端模块的支线为耦合模块TK08，连接了10套复卷机纵切刀装置顶刀和底刀的实际位置编码器；第三总线终端模块的支线为数字输出模块DO32，负责定位时的纵切刀皮带啮合气缸的动作和纵切时的顶刀的轴向和径向气缸动作；第四总线终端模块为变频器模块FU01、FU02，连接控制快慢速皮带的变频器执行器。
③ 接口卡3
接口卡3采用与PC 16750 UART兼容的高速RS-422串行通讯接口，它具有数据传输快（最大至921Kbps）、通信线路长（最长至1 219米）、端口容量大（64字节的先进先出FIFO缓存）等特点。
它用于交换与PLC S5-135U的相关数据，如接收传动数据（如速度、张力、电流、转矩等）和操作状态值、发送接口1和2的关联数据。它可以通过跳线设定为COM1～COM8，在本系统中设定为COM1，端口地址为3F8H。
与接口卡3相匹配的PLC接口是CP544模块，由于采用80x86微处理器，非常适宜与工控机形成高速串行RS422-A接口，以达成抗干扰性强、传输速率高、符合EIA标准的通讯协议。
3 复卷机监控系统的软件流程
复卷机的监控系统的软件流程描述如图3所示。
图3 复卷机监控系统的软件流程
① 初始化接口卡1 2 3 接口卡1和2是现场总线INTERBUS总线适配器，在进入初始化时，处于识别周期，即读取所有该网路上总线设备的ID寄存器，以后这信息用来产生过程影像。当总线适配控制器已能分辨出它的返回字时，表明初始化成功，便进入数据周期进行串行数据传输。如在一定的时间内即按理论上可能的最大总线长度计时还没有识别到一个返回字，届时，总线系统的初始化结束并发出错误信息。接口卡3的初始化为串行口各项参数的设定，如波特率、传送字符包格式等。
② 初始化数据库 复卷机的工艺数据和控制参数采用统一的存档数据库，初始化的功能即打开数据库读入到数据缓存中，该数据缓存用于交换与PLC S5-135U、与现场总线适配器的通讯数据。
③ 启动人机界面 监控系统的特点是具有丰富的人机界面，本系统包括菜单、操作画面切换、设定数据和实际数据区域、历史曲线和设定曲线查询及显示。
④ 接收接口卡数据 对于接口卡1和2，接收数据时进入现场总线的数据周期，即每一个总线设备的数据按照指定的宽度进入数据环，它具有空间分布式移位寄存器结构。一旦数据传输后，就通过CRC周期性冗余检查，在每个总线设备以及总线适配控制板的输入和输出方向生成CRC测试字。对于接口卡3，按照串行通讯协议进行接收。将接口卡中接收的数据直接进入监控系统的数据缓存区内，供主程序进行处理。
⑤ 处理程序 处理程序是复卷机监控系统的主程序，负责人机界面的运行和数据缓存的处理。
⑥ 诊断程序 对数据缓存中的数据进行诊断分析，如联锁I/O显示、故障显示等。
⑦ 发送数据到接口卡 将数据缓存中的通讯数据按特定的通讯协议发送到接口卡1 2 3上。
⑧ 维护程序 为保证监控系统的实时性能和系统的可靠运行，必须对监控系统的各个阶段进行维护，包括现场总线设备初始化、EDB监视程序。
在软件处理过程中，从开始到启动人机界面为止属于初始化阶段，待接口卡、数据库等初始化结束后马上进入主程序循环：正常情况下，切换开关1和2接通，从接口卡接收数据后，进入处理程序和诊断程序，然后又输出数据给接口卡，如此往复；如果进入维护状态时（人机界面菜单中选择“维护”命令），切换开关1和3接通，监控系统不能正常工作，而是处于维护程序的阶段，这时可以进行在线维护的各种操作，待维护程序关闭后，切换开关1和3关闭、1和2接通，进入正常情况。
4 系统维护和诊断
一个良好的监控系统必须具备可维护性和诊断友好等特点，而复卷机监控系统可以很好地满足在线维护和诊断的功能，在运行中可以通过人机交互界面的菜单选择完成以下任务：
① 现场总线设备初始化 属于在线维护的一种，由于现场总线支持带电插拔总线模块的功能，在模块更换结束后可以通过选择维护中“总线设备初始化”功能进行INTERBUS总线的ID寄存器重新识别，以防止数据环的破裂和CRC故障。另外，在运行过程中有些总线设备的故障也同样会造成总线数据环的破坏，如变频器执行器的初始化、编码器传感器的初始化等等，因此此类执行器和传感器在初始化或校正之后均需进行维护操作，以保证正常的数据传输。
② EDB监视程序 属于在线维护的一种，EDB监视程序能够对总线设备的传输和高速串行通讯的数据进行实时跟踪，以找到数据流的实际值，这对于通讯的开放性和交换性非常重要。
③ 联锁I/O显示 属于在线诊断的一种，对INTERBUS总线的输入和输出信号进行监控，对如压纸辊动作、纵切刀动作等均有联锁的输出信号进行联锁监控，显示联锁情况。
④ 故障显示 属于在线诊断的一种，诊断程序对数据缓存进行分析之后，根据工艺要求和复卷控制的需要，设置必要的数值上下限以及逻辑故障等，均是为了维修和监控的方便，有了多达500条的故障FIFO历史记录，更能清楚地找到故障发生的前因后果，以便对症下药。
5 结语
基于工控机模块化的连接使复卷机监控系统架构简洁明了，可以大幅度降低施工费用和线缆成本。而IPC的软件可以直接分析和控制I/O点和通讯接口，充分体现了工控机系统的实时、高速、灵活的特点。通过工控机的以太网更能够实现电控一体化和管控一体化。
某纸业公司VARI－STEP系列的复卷机采用了工控机系统自投运以来，系统相当稳定，可靠性强，且易于维修，因此具备了日产1 500吨的卷筒纸板产品的能力，位居同行业首位。
参考文献：
[1] INTERBUS 现场总线用户手册[Z]. Phoenix Contact公司, 1999.
[2] 研华工业控制机使用手册[Z]. 北京研华公司, 1999.