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李方園

1 前言
在紙廠中，復卷機主要負責對母紙卷進行復卷縱切的功能，也就是將造紙機卷紙部卷取的帶鐵芯母卷通過復卷機分割成多套帶紙芯的小紙卷，復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)過切紙機切成平板紙。本文論述的是國內(nèi)最先進的雙底輥VARI-STEP復卷機，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1 800m/min，幅寬4 300mm，最大復卷直徑2 100mm。圖1所示為該系列復卷機的外觀示意圖，圖中，退紙架上母卷的紙通過中間多個導紙輥，經(jīng)縱切刀分切后，進入雙底輥，然后在壓紙輥的壓力控制下，逐漸復卷完成一定直徑的紙卷。根據(jù)復卷工藝的要求，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行控制，以達到恒定的紙卷緊度，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)上設定的參數(shù)值傳送到PLC，如控制復卷自動停止的紙卷長度或半徑值、設定張力值、設定速度值等，同時能從PLC中讀取復卷工藝所需的實際參數(shù)值，并在監(jiān)控系統(tǒng)上進行顯示和存檔，如母卷的直徑、紙幅的張力、運行速度、復卷后紙卷的直徑和總長度等。

 圖1  VARI－STEP復卷機系統(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)。在工控機中引入現(xiàn)場總線，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統(tǒng)復雜性方面具有相當?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準現(xiàn)場總線（根據(jù)DIN 19258標準）。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?shù)脑O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  復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
基本硬件組成為：工控機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復卷機系統(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)。在工控機中引入現(xiàn)場總線，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統(tǒng)復雜性方面具有相當?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準現(xiàn)場總線（根據(jù)DIN 19258標準）。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?shù)脑O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  復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
基本硬件組成為：工控機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）；高速且能進行遠距離傳送的串行通訊系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用研華工控機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擴展接口。采用無源底板的方式可以降低死機的概率、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置，就可以通過程序設置相應CPU端口數(shù)據(jù)，然后即可進行數(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  工控機在復卷機系統(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)到外圍設備和計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的第一個要求。
現(xiàn)場總線的縱向主線是遠程總線線路，橫向支線是本地總線線路。遠程總線線路把總線適配控制板連接到第一INTERBUS總線設備（24BK-T，即總線終端模塊）的遠程輸入口。從總線終端模塊的遠程輸出口，通過遠程總線線路可以逐級向下形成樹狀網(wǎng)絡，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)到外圍設備和計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)了，以實現(xiàn)復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的第二個要求。
其數(shù)狀網(wǎng)絡原理如接口卡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套復卷機縱切刀裝置頂?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，負責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)。它可以通過跳線設定為COM1～COM8，在本系統(tǒng)中設定為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，非常適宜與工控機形成高速串行RS422-A接口，以達成抗干擾性強、傳輸速率高、符合EIA標準的通訊協(xié)議。
3  復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程
復卷機的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程描述如圖3所示。 

圖3  復卷機監(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，在進入初始化時，處于識別周期，即讀取所有該網(wǎng)路上總線設備的ID寄存器，以后這信息用來產(chǎn)生過程影像。當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，便進入數(shù)據(jù)周期進行串行數(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)的設定，如波特率、傳送字符包格式等。
②  初始化數(shù)據(jù)庫 復卷機的工藝數(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  啟動人機界面 監(jiān)控系統(tǒng)的特點是具有豐富的人機界面，本系統(tǒng)包括菜單、操作畫面切換、設定數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)區(qū)域、歷史曲線和設定曲線查詢及顯示。
④  接收接口卡數(shù)據(jù) 對于接口卡1和2，接收數(shù)據(jù)時進入現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)周期，即每一個總線設備的數(shù)據(jù)按照指定的寬度進入數(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)議進行接收。將接口卡中接收的數(shù)據(jù)直接進入監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)，供主程序進行處理。
⑤  處理程序 處理程序是復卷機監(jiān)控系統(tǒng)的主程序，負責人機界面的運行和數(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)的各個階段進行維護，包括現(xiàn)場總線設備初始化、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；如果進入維護狀態(tài)時（人機界面菜單中選擇“維護”命令），切換開關(guān)1和3接通，監(jiān)控系統(tǒng)不能正常工作，而是處于維護程序的階段，這時可以進行在線維護的各種操作，待維護程序關(guān)閉后，切換開關(guān)1和3關(guān)閉、1和2接通，進入正常情況。
4  系統(tǒng)維護和診斷
一個良好的監(jiān)控系統(tǒng)必須具備可維護性和診斷友好等特點，而復卷機監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地滿足在線維護和診斷的功能，在運行中可以通過人機交互界面的菜單選擇完成以下任務：
①  現(xiàn)場總線設備初始化 屬于在線維護的一種，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中“總線設備初始化”功能進行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行維護操作，以保證正常的數(shù)據(jù)傳輸。
②  EDB監(jiān)視程序 屬于在線維護的一種，EDB監(jiān)視程序能夠?qū)偩€設備的傳輸和高速串行通訊的數(shù)據(jù)進行實時跟蹤，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)緩存進行分析之后，根據(jù)工藝要求和復卷控制的需要，設置必要的數(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
基于工控機模塊化的連接使復卷機監(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)了工控機系統(tǒng)的實時、高速、靈活的特點。通過工控機的以太網(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系列的復卷機采用了工控機系統(tǒng)自投運以來，系統(tǒng)相當穩(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：
[1]  INTERBUS 現(xiàn)場總線用戶手冊[Z]. Phoenix Contact公司, 1999.
[2]  研華工業(yè)控制機使用手冊[Z]. 北京研華公司, 1999.