FOCKE-350S包装机组新型电控系统的设计与实现

FOCKE-350S包装机组新型电控系统的设计与实
现
FOCKE-350S包装机组是德国FOCKE?}CO公司八十年代末期推出的硬盒高速包装机机组。

该机组电控系统主要由三套SIEMENS S5-135 PLC组成，实现对主机+存储器（350+802）、小包玻璃纸机（401）和条盒机（408）三部分的控制。

国内的FOCKE包装机组均为九十年代中期前后引进[1]，经过十年左右的使用，系统存在的主要问题有：①备件缺乏、采购周期长且昂贵；②元器件线路老化、故障率升高；③操作性差：OPC均由FOCKE公司提供，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；④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，但是直流电机的体积比较大，需要更换碳刷和定期保养与维护。

为此，利用计算机控制及机电一体化技术，设计出一套新型包装机组电气控制系统的解决方案，使FOCKE-350S包装机组具有更先进的自动控制技术，以适应高效率和安全生产的要求。

1总体设计方案
现场总线(Fieldbus)是用于过程自动化和制造自动化
最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络,是现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线的标准化历经十几年才最终告一段落，于1999年底通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。

现场总线标准的不统一制约了现场总线发展。

从信息集成的观点来看,现场总线的底层信息要和上层的通用局域网连接,将底层信息集成到车间、公司线的数据库中,甚至通过WEB方式浏览和交互控制。

因此,基于以太网技术的现场总线得到了蓬勃的发展。

随着烟机设备的高速发展，设备的电气控制系统需要处理一些高速I/O信号，典型的高速信号响应时间需要控制在5ms左右。

针对如上情况，在原有的FOCKE-350S包装机组上，设计了一套新型电气控制系统。

该系统采用比较先进的西门子S7-300系列plc，通过工业以太网完成数据的通信，为了实时进行高速信号检测和控制，设计中采用了西门子高速布尔处理器FM352-5，达到了期望的效果。

系统主要由PLC过程控制系统、伺服驱动系统和上位计算机监控系统组成。

2 电控系统的软硬件设计
2.1 PLC过程控制系统设计与实现 FOCKE-350S包装机组共采用三个西门子S7-300系列PLC进行过程控制。

三个控制站选用带有基于以太网TCP/IP的PROFINET接口的CPU，
通过基于工业以太网的S7通讯，实现上下游机之间的数据
通讯；采用Siemens高速布尔处理器FM352-5对机器的相位、烟包质量进行处理和控制。

系统主要由PLC过程控制系统、伺服驱动系统和上位计算机监控系统组成，见图1。

该系统
采用PLC进行过程控制，利用工业以太网来完成工控机与PLC、工厂管理信息系统与工控机以及PLC与PLC控制器之间的通讯，采用交流伺服驱动控制主电机，并通过高速布尔处理器来完成机器相位和烟包质量的检测和控制。

2.1.1 工业以太网的设计与实现 PROFINET 是一种用
于工业自动化领域的创新、开放式以太网标准（IEC 61158）。

使用PROFINET，设备可以从现场级连接到管理级。

在FOCKE-350S包装机组中，工控机和带有基于以太网TCP/IP
的PROFINET接口的CPU之间组成现场级工业以太网，完成
数据的采集、人机界面的显示和PLC参数的设置，工控机和工厂管理信息系统组成管理级工业以太网，将工控机作为OPC服务器，完成数据的统计、归档和上传。

通过Siemens
的STEP7软件对三个站进行组态，并在STEP7软件Configure Network窗口下，对站点的IP地址和子网掩码进行设置，见图2。

由于三个站点非主从设置，同级处于现场级工业以太网中，因此站点的MAC地址不需要设置，但是站点的IP地址
必须保证在同一网段。

在FOCKE-350S包装机组中，PLC站点
与PLC站点之间数据的传输是基于工业以太网的S7通讯，
完成上下游机状态数据的传送，形成高效率的自动控制系统，因此需要对硬件组态中做进一步的设置，见图3。

设置好每个CPU的S7通讯的属性，指定好本地的识别
地址和通讯伙伴的识别地址以及连接的激活状态。

完成硬件组态设置后，在STEP7软件中调用发送数据段功能块FB12
和接收数据段功能块FB13进行编程。

在发送和接收功能块
中标明本机的识别地址，发送和接收的识别地址应根据通讯连接相应设置。

2.1.2 利用高速布尔处理器实现机器相位检测和烟包
质量控制在FOCKE-350S包装机组中采用Siemens高速布尔处理器FM352-5对机器的相位、烟包质量进行处理和控制。

FM352-5是一个高速布尔处理器，允许在大型控制系统中提
供一个独立并且非常高速的数据处理控制。

FM352-5可以配
置成三种工作方式：①协处理器方式，和主处理器交换输入、输出、状态和控制信息；②作为一个PROFIBU
S-DP从站；③PLC系统的独立处理器。

FM352-5模块利用片上处理器和FPGA并行处理信号，相对于传统串行处理数据的可编程控制器，这种执行方式使信号得以高速处理和稳定的扫描周期[6]。

FM352-5模块自带输入和输出点，除了普通I/O点，模块还提供一个可接三种编码器（增量型差分编码器、24 V单端编码器和SSI绝对值编
码器和）的接口。

在本系统中，采用协处理器方式，和主PLC交换输入、输出数据，以及获取相关信号检测相位数据的设定值，利用FM352-5模块自带的编码器接口接SSI绝对值编码器来处理机械的相位并利用模块本身自带的功能块计算机器的速度。

在STEP7软件的硬件组态中可以对模块的基本参数、模块本身的诊断使能、诊断使能输出、信号中断使能和编码器的设置等参数进行设置，以满足控制系统的需要。

2.2 主驱动系统设计直流调速系统控制稳定，精度高，动态响应快；但碳刷需要经常检查和更换，而且直流电机的体积比较大，需要定期保养与维护。

交流调速系统可以工作在任何场所，维护量小，体积小。

随着矢量控制理论及自适应控制理论的提出与完善，以及功率器件、集成芯片的快速发展，交流调速得到飞跃的发展，完全达到甚至超过直流调速。

这样设计新的电控系统时，将主驱动系统由原直流调速改造为交流调速，可以节约空间，也方便以后的维护。

交流伺服驱动系统具有精确定位、转距控制、速度控制等要求，可以实现提高控制精度。

采用交流同步永磁伺服电机和英国CT公司的UNIDRIVE伺服驱动器，并拆除原来的齿轮箱，直接驱动FOCKE350、FOCKE401包装机，这种驱动方式的改造具有如下特点：①低转速大转矩；②彻底解决了变速齿轮箱漏油的问题；③降低了机械损耗，提高了效率；④电机前端
设计为双轴承结构，装有一只推力轴承和一只径向轴承，增强了电机的承载能力，提高了电机的可靠性。

2.3 人机界面设计新电控系统用西门子公司生产的PANEL PC-TOUCH 670系列工控机（15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，新电控系统的操作界面功能和布局与旧人机界面基本相同。

该人机界面使用WINDOWS XP操作系统，安装通用的组态软件INTOUCH，图形界面友好，操作方式也很人性化，操作者很容易接受。

3结论
新型的FOCKE-350S包装机组经过在烟厂投入使用，机组生产过程由西门子S7-300PLC控制；采用工业以太网通讯实现了工控机和PLC以及PLC之间的数据传输；采用FM352-5模块实现了机器相位信号的高速处理和烟包质量的控制。

新型的FOCKE-350S包装机组数据处理实时性强，系统的可靠性高，且维修方便、剔除烟包准确，降低了废品消耗，提高了包装机组的有效作业率。