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李方園

1 前言
在紙廠中，復(fù)卷機(jī)主要負(fù)責(zé)對母紙卷進(jìn)行復(fù)卷縱切的功能，也就是將造紙機(jī)卷紙部卷取的帶鐵芯母卷通過復(fù)卷機(jī)分割成多套帶紙芯的小紙卷，復(fù)卷后的小紙卷既可以直接通過熱塑打包成成品卷筒紙，也可以再經(jīng)過切紙機(jī)切成平板紙。本文論述的是國內(nèi)最先進(jìn)的雙底輥VARI-STEP復(fù)卷機(jī)，它能生產(chǎn)定量為30～450GSM之間的各類紙和紙板，運行速度高達(dá)1 800m/min，幅寬4 300mm，最大復(fù)卷直徑2 100mm。圖1所示為該系列復(fù)卷機(jī)的外觀示意圖，圖中，退紙架上母卷的紙通過中間多個導(dǎo)紙輥，經(jīng)縱切刀分切后，進(jìn)入雙底輥，然后在壓紙輥的壓力控制下，逐漸復(fù)卷完成一定直徑的紙卷。根據(jù)復(fù)卷工藝的要求，現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足以下條件：① 根據(jù)紙品的不同參數(shù)，在控制屏上選擇合適的壓紙輥液壓控制曲線進(jìn)行控制，以達(dá)到恒定的紙卷緊度，同時獲取紙卷實際直徑的編碼器信號和液壓系統(tǒng)的壓力實際采樣值，并在監(jiān)控系統(tǒng)上實時顯示。② 實現(xiàn)對10套縱切刀裝置進(jìn)行快速自動定位和自動縱切的功能。③ 能夠?qū)⒈O(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)定的參數(shù)值傳送到PLC，如控制復(fù)卷自動停止的紙卷長度或半徑值、設(shè)定張力值、設(shè)定速度值等，同時能從PLC中讀取復(fù)卷工藝所需的實際參數(shù)值，并在監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行顯示和存檔，如母卷的直徑、紙幅的張力、運行速度、復(fù)卷后紙卷的直徑和總長度等。

 圖1  VARI－STEP復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)

那么如何實現(xiàn)以上的三個主要監(jiān)控功能呢？
本文引入一種以工控機(jī)為核心、同時結(jié)合現(xiàn)場總線系統(tǒng)和串行通訊的綜合控制系統(tǒng)。在工控機(jī)中引入現(xiàn)場總線，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統(tǒng)復(fù)雜性方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。這里使用的是Phoenix Contact公司推出的INTERBUS，它是歐洲使用最多的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線（根據(jù)DIN 19258標(biāo)準(zhǔn)）。由于它易懂的技術(shù)和面向用戶的系統(tǒng)特色，允許用戶根據(jù)不同的使用功能而自由地選擇最適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，所以被廣泛使用在包括紙廠在內(nèi)的大量工業(yè)領(lǐng)域。
2  復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
基本硬件組成為：工控機(jī)IPC；針對I/O接口的開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（采用RS-485的現(xiàn)場總線 圖1  VARI－STEP復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)
那么如何實現(xiàn)以上的三個主要監(jiān)控功能呢？
本文引入一種以工控機(jī)為核心、同時結(jié)合現(xiàn)場總線系統(tǒng)和串行通訊的綜合控制系統(tǒng)。在工控機(jī)中引入現(xiàn)場總線，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統(tǒng)復(fù)雜性方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。這里使用的是Phoenix Contact公司推出的INTERBUS，它是歐洲使用最多的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線（根據(jù)DIN 19258標(biāo)準(zhǔn)）。由于它易懂的技術(shù)和面向用戶的系統(tǒng)特色，允許用戶根據(jù)不同的使用功能而自由地選擇最適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，所以被廣泛使用在包括紙廠在內(nèi)的大量工業(yè)領(lǐng)域。
2  復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
基本硬件組成為：工控機(jī)IPC；針對I/O接口的開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（采用RS-485的現(xiàn)場總線INTERBUS）；高速且能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送的串行通訊系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)IPC 610，它的關(guān)鍵部件為CPU卡PCA-6155V和無源底板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，能實現(xiàn)快速升級；② 卡上帶PCI SVGA；③ 支持M-Systems DOC 2000FLASH電子盤；④ 支持2個DIMM和2個SIMM內(nèi)存條；⑤ 卡上帶PC/104擴(kuò)展接口。采用無源底板的方式可以降低死機(jī)的概率、簡化差錯過程、升級更簡便并使整個系統(tǒng)更有效。底板PCA-6114P4包括插槽（9個ISA總線插槽、4個PCI插槽和1個PICME插槽）、PC板（4層PCB，包括地線和電源層）等。
在硬件配置上，將接口卡插入到工控機(jī)主板插槽上能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的建構(gòu)和串行通訊（見圖2），通過對接口卡的地址設(shè)置，就可以通過程序設(shè)置相應(yīng)CPU端口數(shù)據(jù)，然后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，如讀取和寫入數(shù)據(jù)等。其中接口卡的組成如下： 

圖2  工控機(jī)在復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)中的硬件組成

①  接口卡1
接口卡1是現(xiàn)場總線適配控制板（型號為：IBS PC CB/COP/I-T），端口地址為1A0H。通過它可以連接INTERBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)到外圍設(shè)備和計算機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的第一個要求。
現(xiàn)場總線的縱向主線是遠(yuǎn)程總線線路，橫向支線是本地總線線路。遠(yuǎn)程總線線路把總線適配控制板連接到第一INTERBUS總線設(shè)備（24BK-T，即總線終端模塊）的遠(yuǎn)程輸入口。從總線終端模塊的遠(yuǎn)程輸出口，通過遠(yuǎn)程總線線路可以逐級向下形成樹狀網(wǎng)絡(luò)，共計3層。其中第二總線終端模塊的支線為耦合模塊TK08，它連接了現(xiàn)場的傳感器―紙卷實際直徑編碼器；第三總線終端模塊的支線為模擬輸出模塊AO1和模擬輸入模塊AI，它連接了壓紙輥的液壓控制信號。
②  接口卡2
接口卡2也是現(xiàn)場總線適配控制板（型號為：IBS PC CB/COP/I-T），端口地址為1A2H。通過它可以連接INTERBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)到外圍設(shè)備和計算機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)了，以實現(xiàn)復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的第二個要求。
其數(shù)狀網(wǎng)絡(luò)原理如接口卡1所述，總線終端模塊共為4層。第一總線終端模塊的作用為模塊站點信號的辨識；第二總線終端模塊的支線為耦合模塊TK08，連接了10套復(fù)卷機(jī)縱切刀裝置頂?shù)逗偷椎兜膶嶋H位置編碼器；第三總線終端模塊的支線為數(shù)字輸出模塊DO32，負(fù)責(zé)定位時的縱切刀皮帶嚙合氣缸的動作和縱切時的頂?shù)兜妮S向和徑向氣缸動作；第四總線終端模塊為變頻器模塊FU01、FU02，連接控制快慢速皮帶的變頻器執(zhí)行器。
③  接口卡3
接口卡3采用與PC 16750 UART兼容的高速RS-422串行通訊接口，它具有數(shù)據(jù)傳輸快（最大至921Kbps）、通信線路長（最長至1 219米）、端口容量大（64字節(jié)的先進(jìn)先出FIFO緩存）等特點。
它用于交換與PLC S5-135U的相關(guān)數(shù)據(jù)，如接收傳動數(shù)據(jù)（如速度、張力、電流、轉(zhuǎn)矩等）和操作狀態(tài)值、發(fā)送接口1和2的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。它可以通過跳線設(shè)定為COM1～COM8，在本系統(tǒng)中設(shè)定為COM1，端口地址為3F8H。
與接口卡3相匹配的PLC接口是CP544模塊，由于采用80x86微處理器，非常適宜與工控機(jī)形成高速串行RS422-A接口，以達(dá)成抗干擾性強、傳輸速率高、符合EIA標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議。
3  復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程
復(fù)卷機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程描述如圖3所示。 

圖3  復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程

①  初始化接口卡1 2 3 接口卡1和2是現(xiàn)場總線INTERBUS總線適配器，在進(jìn)入初始化時，處于識別周期，即讀取所有該網(wǎng)路上總線設(shè)備的ID寄存器，以后這信息用來產(chǎn)生過程影像。當(dāng)總線適配控制器已能分辨出它的返回字時，表明初始化成功，便進(jìn)入數(shù)據(jù)周期進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。如在一定的時間內(nèi)即按理論上可能的最大總線長度計時還沒有識別到一個返回字，屆時，總線系統(tǒng)的初始化結(jié)束并發(fā)出錯誤信息。接口卡3的初始化為串行口各項參數(shù)的設(shè)定，如波特率、傳送字符包格式等。
②  初始化數(shù)據(jù)庫 復(fù)卷機(jī)的工藝數(shù)據(jù)和控制參數(shù)采用統(tǒng)一的存檔數(shù)據(jù)庫，初始化的功能即打開數(shù)據(jù)庫讀入到數(shù)據(jù)緩存中，該數(shù)據(jù)緩存用于交換與PLC S5-135U、與現(xiàn)場總線適配器的通訊數(shù)據(jù)。
③  啟動人機(jī)界面 監(jiān)控系統(tǒng)的特點是具有豐富的人機(jī)界面，本系統(tǒng)包括菜單、操作畫面切換、設(shè)定數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)區(qū)域、歷史曲線和設(shè)定曲線查詢及顯示。
④  接收接口卡數(shù)據(jù) 對于接口卡1和2，接收數(shù)據(jù)時進(jìn)入現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)周期，即每一個總線設(shè)備的數(shù)據(jù)按照指定的寬度進(jìn)入數(shù)據(jù)環(huán)，它具有空間分布式移位寄存器結(jié)構(gòu)。一旦數(shù)據(jù)傳輸后，就通過CRC周期性冗余檢查，在每個總線設(shè)備以及總線適配控制板的輸入和輸出方向生成CRC測試字。對于接口卡3，按照串行通訊協(xié)議進(jìn)行接收。將接口卡中接收的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)，供主程序進(jìn)行處理。
⑤  處理程序 處理程序是復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主程序，負(fù)責(zé)人機(jī)界面的運行和數(shù)據(jù)緩存的處理。
⑥  診斷程序 對數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，如聯(lián)鎖I/O顯示、故障顯示等。
⑦  發(fā)送數(shù)據(jù)到接口卡 將數(shù)據(jù)緩存中的通訊數(shù)據(jù)按特定的通訊協(xié)議發(fā)送到接口卡1 2 3上。
⑧  維護(hù)程序 為保證監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能和系統(tǒng)的可靠運行，必須對監(jiān)控系統(tǒng)的各個階段進(jìn)行維護(hù)，包括現(xiàn)場總線設(shè)備初始化、EDB監(jiān)視程序。
在軟件處理過程中，從開始到啟動人機(jī)界面為止屬于初始化階段，待接口卡、數(shù)據(jù)庫等初始化結(jié)束后馬上進(jìn)入主程序循環(huán)：正常情況下，切換開關(guān)1和2接通，從接口卡接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)入處理程序和診斷程序，然后又輸出數(shù)據(jù)給接口卡，如此往復(fù)；如果進(jìn)入維護(hù)狀態(tài)時（人機(jī)界面菜單中選擇“維護(hù)”命令），切換開關(guān)1和3接通，監(jiān)控系統(tǒng)不能正常工作，而是處于維護(hù)程序的階段，這時可以進(jìn)行在線維護(hù)的各種操作，待維護(hù)程序關(guān)閉后，切換開關(guān)1和3關(guān)閉、1和2接通，進(jìn)入正常情況。
4  系統(tǒng)維護(hù)和診斷
一個良好的監(jiān)控系統(tǒng)必須具備可維護(hù)性和診斷友好等特點，而復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地滿足在線維護(hù)和診斷的功能，在運行中可以通過人機(jī)交互界面的菜單選擇完成以下任務(wù)：
①  現(xiàn)場總線設(shè)備初始化 屬于在線維護(hù)的一種，由于現(xiàn)場總線支持帶電插拔總線模塊的功能，在模塊更換結(jié)束后可以通過選擇維護(hù)中“總線設(shè)備初始化”功能進(jìn)行INTERBUS總線的ID寄存器重新識別，以防止數(shù)據(jù)環(huán)的破裂和CRC故障。另外，在運行過程中有些總線設(shè)備的故障也同樣會造成總線數(shù)據(jù)環(huán)的破壞，如變頻器執(zhí)行器的初始化、編碼器傳感器的初始化等等，因此此類執(zhí)行器和傳感器在初始化或校正之后均需進(jìn)行維護(hù)操作，以保證正常的數(shù)據(jù)傳輸。
②  EDB監(jiān)視程序 屬于在線維護(hù)的一種，EDB監(jiān)視程序能夠?qū)偩€設(shè)備的傳輸和高速串行通訊的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時跟蹤，以找到數(shù)據(jù)流的實際值，這對于通訊的開放性和交換性非常重要。
③  聯(lián)鎖I/O顯示 屬于在線診斷的一種，對INTERBUS總線的輸入和輸出信號進(jìn)行監(jiān)控，對如壓紙輥動作、縱切刀動作等均有聯(lián)鎖的輸出信號進(jìn)行聯(lián)鎖監(jiān)控，顯示聯(lián)鎖情況。
④  故障顯示 屬于在線診斷的一種，診斷程序?qū)?shù)據(jù)緩存進(jìn)行分析之后，根據(jù)工藝要求和復(fù)卷控制的需要，設(shè)置必要的數(shù)值上下限以及邏輯故障等，均是為了維修和監(jiān)控的方便，有了多達(dá)500條的故障FIFO歷史記錄，更能清楚地找到故障發(fā)生的前因后果，以便對癥下藥。
5  結(jié)語
基于工控機(jī)模塊化的連接使復(fù)卷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)簡潔明了，可以大幅度降低施工費用和線纜成本。而IPC的軟件可以直接分析和控制I/O點和通訊接口，充分體現(xiàn)了工控機(jī)系統(tǒng)的實時、高速、靈活的特點。通過工控機(jī)的以太網(wǎng)更能夠?qū)崿F(xiàn)電控一體化和管控一體化。
某紙業(yè)公司VARI－STEP系列的復(fù)卷機(jī)采用了工控機(jī)系統(tǒng)自投運以來，系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定，可靠性強，且易于維修，因此具備了日產(chǎn)1 500噸的卷筒紙板產(chǎn)品的能力，位居同行業(yè)首位。

參考文獻(xiàn)：
[1]  INTERBUS 現(xiàn)場總線用戶手冊[Z]. Phoenix Contact公司, 1999.
[2]  研華工業(yè)控制機(jī)使用手冊[Z]. 北京研華公司, 1999.