基于現場(chǎng)總線(xiàn)的復卷機縱切刀控制系統

1 前言
在紙廠(chǎng)中，復卷機負責將半成品母卷重新復卷成成品卷筒紙或送平板切紙的半成品紙。由于用戶(hù)訂單的多樣性，紙品的規格隨時(shí)都會(huì )變化，尤其是高速印刷機的廣泛應用，對卷筒紙的需求越來(lái)越大，規格越來(lái)越細，因此在現代化紙廠(chǎng)中，復卷后的成品紙將占據一半的比重以上。為完成小批量、多規格的訂單，就提出了縱切刀裝置如何快速定位和自動(dòng)縱切的問(wèn)題。

縱切刀裝置就是實(shí)現把進(jìn)來(lái)的紙幅縱切分割成所要求的單獨的紙，在傳統的復卷機工藝中，一般都是通過(guò)手工定位的方法，或是半自動(dòng)的方法(即通過(guò)每把縱切刀的位置顯示值來(lái)定位移動(dòng)刀架裝置)。這樣的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，不僅誤差大，而且速度相當慢。在現代高速紙機大量出現，且對紙邊的精度要求日益高漲的時(shí)候，如何通過(guò)控制系統來(lái)正確、快速定位縱切刀裝置就成了紙廠(chǎng)所致力于追求的一個(gè)績(jì)效工程。本文論述的就是其中的一個(gè)卓有成效的辦法:即通過(guò)引入現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，可以實(shí)現縱切刀裝置的自動(dòng)定位，并自動(dòng)實(shí)現縱切功能。

縱切刀裝置分頂刀和底刀兩部分，多套縱切刀裝置沿紙幅橫向分布，根據不同的母卷長(cháng)度進(jìn)行不同數量的配置。如4300CM長(cháng)的紙幅一般可以配置8～16套，可以分切很細規格的紙品。其縱切的工作原理為:底刀不動(dòng)，不工作時(shí)，頂刀處于脫開(kāi)位置;工作時(shí)，頂刀先通過(guò)氣缸動(dòng)作，軸向嚙合1～2毫米后，再通過(guò)另一氣缸動(dòng)作，徑向嚙合，與底刀重疊1.5毫米后就可以利用底刀的運轉進(jìn)行縱切。
本系統需要兩臺電機來(lái)設置底刀和頂刀的位置，通過(guò)一根特制皮帶(頂刀和底刀可以?shī)A緊在皮帶上)，利用氣缸的動(dòng)作可使皮帶和刀架處于嚙合或脫開(kāi)狀態(tài)，然后根據設定位置的數據和相應的算法，就可以進(jìn)行快速而準確的定位。在這里，皮帶傳動(dòng)電機是由變頻器控制的，分快速和慢速，即相當于先粗定位后細定位。

2 縱切刀裝置現場(chǎng)總線(xiàn)的硬件組構

現場(chǎng)總線(xiàn)是90年代興起的一種先進(jìn)的建立在數字通信協(xié)議上的工業(yè)控制技術(shù)?？偩€(xiàn)現場(chǎng)具有開(kāi)放性的數字通訊，適用于不同類(lèi)型的控制系統間進(jìn)行數據傳輸(例如可編程控制器，計算機，機器人等)，并且能對于分布在不同工礦環(huán)境中的傳感器和執行器等進(jìn)行數據控制。因此，在復卷機縱切刀裝置中引入現場(chǎng)總線(xiàn)，既能夠實(shí)現快速、準確地對縱切刀進(jìn)行定位，同時(shí)可以實(shí)現正常的復卷縱切功能，并且在減少系統復雜性方面也有其他控制系統所不可比擬的優(yōu)越性。

本文推薦使用的是Phoenix Contact公司推出的InterBUS，該系統是歐洲使用最多的一種標準現場(chǎng)總線(xiàn)(根據DIN 19258標準)。由于它易懂的技術(shù)和面向用戶(hù)的系統特色，允許用戶(hù)根據不同的使用功能而自由地選擇最適當的設備，所以被廣泛使用在包括紙廠(chǎng)在內的大量工業(yè)領(lǐng)域。InterBUS總線(xiàn)可以簡(jiǎn)單地安裝與配置，它的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，并且符合IEEE802.5令牌環(huán)的規定，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上最多可有64個(gè)裝置，速度可達500Kb/s，最長(cháng)距離為25600m，移動(dòng)節點(diǎn)間距離為400m。

在復卷機縱切刀裝置的現場(chǎng)總線(xiàn)中，InterBUS的硬件系統按樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)，連接了傳感器和執行器的信號到上層控制系統(PC機或PLC等)，這樣就可以實(shí)現以下二個(gè)重要的任務(wù):

(1)迅速變化的過(guò)程狀態(tài)的周期傳輸;

(2)對于復雜的輸入/輸出模塊和在操作中將要參數化的專(zhuān)門(mén)的過(guò)程設備的參數數據進(jìn)行傳輸(在本文中是指變頻器)。如圖2所示，就是縱切刀裝置現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )布置。

復卷機縱切刀裝置的現場(chǎng)總線(xiàn)中，InterBUS系統通過(guò)不同部件的連接實(shí)現了數據環(huán)，其中的主要部件功能如下:
* 總線(xiàn)適配控制板的型號為:IBS PC CB/COP/I-T。它直接插入到工業(yè)計算機的主板上。這樣，通過(guò)總線(xiàn)適配控制板就可以連接InterBUS現場(chǎng)總線(xiàn)系統到外圍設備和計算機系統傳輸數據了。
* 遠程總線(xiàn)線(xiàn)路，把總線(xiàn)適配控制板連接到第一InterBUS總線(xiàn)設備(型號為:IBS 24ST BK－T)的遠程輸入RI口。該總線(xiàn)設備簡(jiǎn)稱(chēng)BK模塊，即總線(xiàn)終端模塊，它將遠程總線(xiàn)段互相連接起來(lái)。與此同時(shí)，它在遠程總線(xiàn)和賦值到下一級別并包括I/O模塊的本地總線(xiàn)之間形成節點(diǎn)。
* 從總線(xiàn)終端BK模塊的遠程輸出RO口，通過(guò)遠程總線(xiàn)線(xiàn)路可以逐級向下形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )的主線(xiàn)是遠程總線(xiàn)線(xiàn)路，支線(xiàn)是本地總線(xiàn)線(xiàn)路。通過(guò)BK模塊，相繼連接了第二總線(xiàn)段的總線(xiàn)設備―連接數字輸出模塊(型號為:IBS ST24 DO 32)、第三總線(xiàn)段的總線(xiàn)設備―耦合模塊(型號為:TK 08/4)、第四總線(xiàn)段的總線(xiàn)設備―變頻器模塊、第五總線(xiàn)段的總線(xiàn)設備―連接PLC子系統的從屬模塊(型號為:IBS S5/SL-LB)。
* 復卷機縱切刀裝置中，數字輸出模塊是負責定位時(shí)的皮帶嚙合氣缸的動(dòng)作和縱切時(shí)的頂刀的軸向和徑向氣缸動(dòng)作;耦合模塊連接了最大至16套縱切刀頂刀和底刀的位置傳感器(通常采用絕對值型編碼器);從屬模塊連接的是西門(mén)子SIMATIC 5可編程控制器，它負責對縱切時(shí)對底刀傳動(dòng)進(jìn)行速度控制，以配合紙幅的速度。

3 縱切刀裝置現場(chǎng)總線(xiàn)的軟件設計

1)縱切刀裝置現場(chǎng)總線(xiàn)的軟件處理流程描述如下:
InterBUS總線(xiàn)在進(jìn)入初始化時(shí)，處于識別周期，即讀取所有設備的ID寄存器，以后這信息用來(lái)產(chǎn)生過(guò)程影像。當總線(xiàn)適配控制器已能分辨出它的返回字時(shí)，表明初始化成功，便進(jìn)入數據周期進(jìn)行串行數據傳輸。如在一定的時(shí)間內即按理論上可能的最大總線(xiàn)長(cháng)度計時(shí)還沒(méi)有識別到一個(gè)返回字，屆時(shí)，總線(xiàn)系統的初始化結束并發(fā)出錯誤信息。

在數據周期時(shí)，每一個(gè)設備的數據按照指定的寬度進(jìn)入數據環(huán)，它具有空間分布式移位寄存器結構。一旦數據傳輸后，就通過(guò)CRC周期性冗余檢查，在每個(gè)設備以及總線(xiàn)適配控制板的輸入和輸出方向生成CRC測試字。
2)復卷機縱切刀裝置在定位時(shí)的軟件功能如下:
a) 獲取每套縱切刀裝置的激活情況和實(shí)際移動(dòng)位置
b) 對縱切刀裝置先進(jìn)行快速粗定位(輸出信號給變頻器)
c) 對縱切刀裝置先進(jìn)行慢速精確定位(輸出信號給變頻器)
3)復卷機縱切刀裝置在縱切時(shí)的軟件功能如下:
a) 獲取上層控制系統的啟動(dòng)命令
b) 獲取上層控制系統中每套縱切刀裝置的激活情況
c) 輸出給激活的各套縱切刀裝置，進(jìn)行橫向嚙合和徑向嚙合，觀(guān)察縱切效果
d) 輸出給縱切刀裝置的底刀運轉信息給從屬模塊，進(jìn)而控制PLC對該底刀的速度信號。
4 復卷機控制系統現場(chǎng)總線(xiàn)的維護和診斷
A) 根據總線(xiàn)設備的指示燈進(jìn)行維護和診斷
所有總線(xiàn)設備具有LED 指示的功能和狀態(tài)控制(包括BK模塊、I/O模塊、從屬模塊等):
* UL LED綠 模塊邏輯電壓 亮:正常 暗:無(wú)電壓
* BA LED綠 總線(xiàn)工作指示 亮:工作 暗:停止
* RC LED綠 遠程總線(xiàn)輸入線(xiàn)狀態(tài) 亮:工作 暗:關(guān)閉
* RD LED紅 遠程總線(xiàn)輸出線(xiàn)狀態(tài) 亮:關(guān)閉 暗:工作
* LD LED紅 本地總線(xiàn)狀態(tài) 亮:關(guān)閉 暗:工作
B) 根據總線(xiàn)適配控制板和應用程序之間的診斷寄存器的數據進(jìn)行診斷和維護，具體可以診斷以下錯誤信息:
* 外設出錯:可能I/O電壓故意斷開(kāi)、故障、短路或過(guò)載
* 遠程總線(xiàn)出錯:可能遠程總線(xiàn)設備故障、設備上的保險絲燒毀、設備的電源中斷;或是傳輸電纜故障或斷開(kāi)
* 本地總線(xiàn)出錯:本地總線(xiàn)設備或傳輸電纜故障
* 總線(xiàn)適配控制板出錯:硬件系統出錯
以上二種方式能在較短時(shí)間內找到總線(xiàn)故障的出處，并順利排障。

5 結束語(yǔ)

基于現場(chǎng)總線(xiàn)的連接使得復卷機縱切刀的系架構簡(jiǎn)潔明了，可以大幅度降低施工費用和線(xiàn)纜成本。通過(guò)工控機的以太網(wǎng)更能夠實(shí)現電控一體化和管控一體化。寧波中華紙業(yè)公司Vari-Step系列復卷機采用的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的縱切刀控制系統自投運以來(lái)，系統相當穩定，可靠性強，且易于維修，目前已經(jīng)具備了日產(chǎn)1500噸的卷筒紙板產(chǎn)品的能力，位居同行業(yè)首位。

參 考 文 獻
(1) 《INTERBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)用戶(hù)手冊》 Phoenix Contact公司 1999年
(2) 《復卷機培訓手冊》 Jagenberg公司 1996年