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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，也可以再經過切紙機切成平板紙。本文論述的是國內最先進的雙底輥VARI-STEP復卷機，它能生產定量為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。根據復卷工藝的要求，現場的監控系統必須滿足以下條件：① 根據紙品的不同參數，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的壓力實際采樣值，并在監控系統上實時顯示。② 實現對10套縱切刀裝置進行快速自動定位和自動縱切的功能。③ 能夠將監控系統上設定的參數值傳送到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值，并在監控系統上進行顯示和存檔，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復卷機系統外觀結構

那么如何實現以上的三個主要監控功能呢？
本文引入一種以工控機為核心、同時結合現場總線系統和串行通訊的綜合控制系統。在工控機中引入現場總線，能夠實現快速、準確的數據發送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統復雜性方面具有相當的優越性。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場總線（根據DIN 19258標準）。由于它易懂的技術和面向用戶的系統特色，允許用戶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在內的大量工業領域。
2  復卷機監控系統的硬件結構
基本硬件組成為：工控機IPC；針對I/O接口的開放的現場總線系統（采用RS-485的現場總線 圖1  VARI－STEP復卷機系統外觀結構
那么如何實現以上的三個主要監控功能呢？
本文引入一種以工控機為核心、同時結合現場總線系統和串行通訊的綜合控制系統。在工控機中引入現場總線，能夠實現快速、準確的數據發送和接收；而采用高速串行通訊在減少系統復雜性方面具有相當的優越性。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場總線（根據DIN 19258標準）。由于它易懂的技術和面向用戶的系統特色，允許用戶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在內的大量工業領域。
2  復卷機監控系統的硬件結構
基本硬件組成為：工控機IPC；針對I/O接口的開放的現場總線系統（采用RS-485的現場總線INTERBUS）；高速且能進行遠距離傳送的串行通訊系統。
本系統采用研華工控機IPC 610，它的關鍵部件為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實現現場總線系統的建構和串行通訊（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端口數據，然后即可進行數據通訊，如讀取和寫入數據等。其中接口卡的組成如下： 

圖2  工控機在復卷機系統中的硬件組成

①  接口卡1
接口卡1是現場總線適配控制板（型號為：IBS PC CB/COP/I-T），端口地址為1A0H。通過它可以連接INTERBUS現場總線系統到外圍設備和計算機系統傳輸數據，以實現復卷機監控系統的第一個要求。
現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現場總線系統到外圍設備和計算機系統傳輸數據了，以實現復卷機監控系統的第二個要求。
其數狀網絡原理如接口卡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刀和底刀的實際位置編碼器；第三總線終端模塊的支線為數字輸出模塊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刀的軸向和徑向氣缸動作；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，它具有數據傳輸快（最大至921Kbps）、通信線路長（最長至1 219米）、端口容量大（64字節的先進先出FIFO緩存）等特點。
它用于交換與PLC S5-135U的相關數據，如接收傳動數據（如速度、張力、電流、轉矩等）和操作狀態值、發送接口1和2的關聯數據。它可以通過跳線設定為COM1～COM8，在本系統中設定為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標準的通訊協議。
3  復卷機監控系統的軟件流程
復卷機的監控系統的軟件流程描述如圖3所示。 

圖3  復卷機監控系統的軟件流程

①  初始化接口卡1 2 3 接口卡1和2是現場總線INTERBUS總線適配器，在進入初始化時，處于識別周期，即讀取所有該網路上總線設備的ID寄存器，以后這信息用來產生過程影像。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，便進入數據周期進行串行數據傳輸。如在一定的時間內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，總線系統的初始化結束并發出錯誤信息。接口卡3的初始化為串行口各項參數的設定，如波特率、傳送字符包格式等。
②  初始化數據庫 復卷機的工藝數據和控制參數采用統一的存檔數據庫，初始化的功能即打開數據庫讀入到數據緩存中，該數據緩存用于交換與PLC S5-135U、與現場總線適配器的通訊數據。
③  啟動人機界面 監控系統的特點是具有豐富的人機界面，本系統包括菜單、操作畫面切換、設定數據和實際數據區域、歷史曲線和設定曲線查詢及顯示。
④  接收接口卡數據 對于接口卡1和2，接收數據時進入現場總線的數據周期，即每一個總線設備的數據按照指定的寬度進入數據環，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，按照串行通訊協議進行接收。將接口卡中接收的數據直接進入監控系統的數據緩存區內，供主程序進行處理。
⑤  處理程序 處理程序是復卷機監控系統的主程序，負責人機界面的運行和數據緩存的處理。
⑥  診斷程序 對數據緩存中的數據進行診斷分析，如聯鎖I/O顯示、故障顯示等。
⑦  發送數據到接口卡 將數據緩存中的通訊數據按特定的通訊協議發送到接口卡1 2 3上。
⑧  維護程序 為保證監控系統的實時性能和系統的可靠運行，必須對監控系統的各個階段進行維護，包括現場總線設備初始化、EDB監視程序。
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、數據庫等初始化結束后馬上進入主程序循環：正常情況下，切換開關1和2接通，從接口卡接收數據后，進入處理程序和診斷程序，然后又輸出數據給接口卡，如此往復；如果進入維護狀態時（人機界面菜單中選擇“維護”命令），切換開關1和3接通，監控系統不能正常工作，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，待維護程序關閉后，切換開關1和3關閉、1和2接通，進入正常情況。
4  系統維護和診斷
一個良好的監控系統必須具備可維護性和診斷友好等特點，而復卷機監控系統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  現場總線設備初始化 屬于在線維護的一種，由于現場總線支持帶電插拔總線模塊的功能，在模塊更換結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，以防止數據環的破裂和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據環的破壞，如變頻器執行器的初始化、編碼器傳感器的初始化等等，因此此類執行器和傳感器在初始化或校正之后均需進行維護操作，以保證正常的數據傳輸。
②  EDB監視程序 屬于在線維護的一種，EDB監視程序能夠對總線設備的傳輸和高速串行通訊的數據進行實時跟蹤，以找到數據流的實際值，這對于通訊的開放性和交換性非常重要。
③  聯鎖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控，對如壓紙輥動作、縱切刀動作等均有聯鎖的輸出信號進行聯鎖監控，顯示聯鎖情況。
④  故障顯示 屬于在線診斷的一種，診斷程序對數據緩存進行分析之后，根據工藝要求和復卷控制的需要，設置必要的數值上下限以及邏輯故障等，均是為了維修和監控的方便，有了多達500條的故障FIFO歷史記錄，更能清楚地找到故障發生的前因后果，以便對癥下藥。
5  結語
基于工控機模塊化的連接使復卷機監控系統架構簡潔明了，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，充分體現了工控機系統的實時、高速、靈活的特點。通過工控機的以太網更能夠實現電控一體化和管控一體化。
某紙業公司VARI－STEP系列的復卷機采用了工控機系統自投運以來，系統相當穩定，可靠性強，且易于維修，因此具備了日產1 500噸的卷筒紙板產品的能力，位居同行業首位。

參考文獻：
[1]  INTERBUS 現場總線用戶手冊[Z]. Phoenix Contact公司, 1999.
[2]  研華工業控制機使用手冊[Z]. 北京研華公司, 1999.