基于西门子总线的条烟输送系统的优化设计

1 条烟输送工艺

1.1卷包车间工艺

卷接包车间是将烟厂制丝车间成品烟丝卷成烟支并与嘴棒接装成成品烟支的生产车间。卷接包车间的设备分为：卷接机组、烟支输送与缓存设备、包装机组、烟丝回收设备、嘴棒输送设备等。

生产过程：制丝车间通过喂丝机将成本烟丝发送给卷接包机组，同时卷接包机组接收滤棒发射机提供的滤棒生产出成品烟支，之后通过烟支输送与缓存设备发送给包装机组，再经过条烟输送系统输送至条烟装箱机，最后形成成品箱烟。

现代卷接机组生产能力越来越大，1600支/分钟的设备已在烟厂大量使用，烟支缓存装置的大容量在线缓存技术，以及条烟输送系统保证了生产的连续性。目前，随着卷接机组生产能力的增大，对输送系统的要求越来越高，因此，输送系统的稳定性越来越受烟厂生产所重视。

1.2 条烟输送系统流程

 

图1  条烟输送系统流程图

典型的条烟输送系统流程（如图1所示）：包装机组将烟支包装成条烟，一般通过条烟升降机将条烟运达条烟输送机上，条烟输送机一般处于卷接包车间立体上方，而且在条烟输送机上一般安装有条烟换轨装置，将条烟按照要求换至需要运达的轨道，到达装箱分车间工位时再通过条烟升降机送往条烟装箱机系统，最终完成装箱[。

1.3条烟输送系统的作用

条烟输送系统的功能：连接包装机组与装箱机，并与之做接口；条烟分配；缓存；信息传递、比对。总之，条烟输送系统的枢纽作用直接关系到包装机组和条烟装箱机的运行连续性、稳定性及其工作效率。

1.4 目前条烟输送系统的现状

目前，对于一般卷包机组输送及装箱机前后输送控制系统来说，所有的数据联锁都是通过Profibus-DP总线集成在一个S7-400系统中，规模较大，且远端设备的控制程序都在这个S7-400中，程序控制依靠总线网络传递，系统对总线网络的网速和抗干扰性要求非常高，容易因为一点故障导致整个系统不能正常运行。目前输送系统的主要缺陷：

(1)系统变频器外挂安装于电机上，并通过Profibus-DP总线连接在控制系统上，极易对通信网络造成干扰，影响系统稳定；同时，挂接总线的变频器一旦出现故障，更换时需断开总线系统，影响整个系统运行。

 (2)系统的条烟提升机作为主系统的一个IO从站，不具备智能控制功能，当主系统网络发生故障时，不能实现必要的本地智能控制。

(3)系统网络采用的总线插头在站与站之间无电气隔离装置，使从站之间存在一定的电位差，影响网络的运行。

(4)系统的总线末端采用总线插头自带的无源终端电阻来平衡网络系统，当末端从站断电，可能导致网络系统不稳定。

2条烟输送系统的优化设计

针对目前条烟输送系统中存在的缺陷，提出了一种基于西门子总线技术的条烟输送系统的优化方案，主要特点为充分结合西门子Profinet及Profibus-DP技术特点；以独立的、分散的测量与控制设备为网络节点，并把它们连接成为可以互相沟通信息、共同完成自动化控制任务的控制与网络系统； 采用分散控制、集中管理、综合监控的模式；具有高度的实时性、安全性、可靠性以及容错性能好等特点。

 

图2 条烟输送优化系统核心硬件构成

2.1 硬件设计

系统硬件构成如图2所示，主要包括CPU（S7-400 PLC）、现场IO控制器（ET200S,151-3PN）、变频器（Danfoss FC51）等。

优化方案在一些非关键位置的驱动控制上采用Danfoss的FC51系列变频器，一方面在保障使用的情况下最大限度地降低硬件成本，另一方面该系列变频器不使用网络进行控制，可大大降低网路负载及干扰；系统采用Profibus-DP中继器对Profibus网络进行隔离，规避了以前系统中DP网络耦合性高以及一旦出现故障导致全线瘫痪的缺点；采用西门子X-208交换机对现场ET200S（151-3PN）进行拓扑组网，避免级联网络的存在；另外，为了解决电位差的问题，采用线缆等电位技术。

2.2 网络实现

优化系统的整体网络布局采取的主要措施，如图3所示，

（1）对网络架构进行分拆，分为5个独立的Profibus-DP网络，分别由3个西门子CP443-5网卡进行控制，并将卷包机组输送及装箱机前后输送控制系统按照区域进行拆分。

（2）采用分布式I/O控制层网络，子站控制箱采用IM151-3PN以太网网关，配以相应输入输出模块进行控制，与S7-400之间的数据通信采用Profinet通信方式。

（3）每一个条烟升降机采用独立S7-200PLC进行单主机控制，并使用EM277通过PROFIBUS-DP网络与S7-400主控制器通信。

这些网络措施大大降低了系统网络负载，提高了网络的稳定性，且由于各系统相对独立运行，因此单个系统的故障不会导致整个系统运转终止。

 

图3 条烟输送优化系统网络

2.3 软件实现

该技术方案软件实现的主要内容：条烟信息的查询与发送；条烟输送系统与包装机组以及条烟装箱机之间的网络通信；换轨装置的信息转化；监控画面的开发。

其中，条烟信息的查询与发送是通过.net管理软件对数据库等进行管理与操作来实现的；条烟输送系统与包装机组以及条烟装箱机之间的网络通信和换轨装置的信息转化是通过底层PLC控制程序来开发实现的，采用了西门子PLC专用组态编程软件SIMTIC Manager STEP 7；监控画面的开发与完善是通过Intouch 9.0来实现的。

3 结语

与以前的条烟输送系统相比该方案的优势在于：

（1）将西门子Profinet及Profibus-DP两种总线技术结合使用，利用各自优势。

（2）采用了分布式IO（151-3PN）、TCP/IP协议，不仅支持多种网络拓扑结构，而且调试方便。

（3）采用分散控制、集中管理、综合监控的模式。

（4）系统具有高度的实时性、安全性和可靠性，以及容错性能好等特点；

（5）系统具有较好的移植性能，方便模块化的结构扩展及改造。

 

 

参 考 文 献 (References)

 

[1] 《卷烟工艺与设备》编写组，卷烟工艺与设备[M]北京：轻工业出版社，1993
[2] 陈良元卷烟加工工艺，郑州：河南科学技术出版社[M]1996
[3] 廖常初S7-300/400 PLC技术，北京：机械工业出版社[M]2005
[4] 张革平生产线输送机电气控制系统设计，合肥：合肥工业大学出版社[M]2007