西门子PLC和工业现场总线在KDF2滤棒成型机上的应用

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【摘 要】 介绍了KDF2滤棒成型机组的方案设计，工艺流程，控制方案，西门子S7-300 plc系统、触摸屏、现场传感器与PROFIBUS现场总线之间的组态。实践表明，使用S7-300 PLC控制系统后，提高了滤棒出棒率，降低了原辅材料的消耗量，自动化程度高，操作维护方便。

【关键词】 西门子S7-300可编程控制器；PROFIBUSDP现场总线；kdf2滤嘴成型机

1 系统介绍

KDF2滤棒成型机组通过二次开松、增塑剂添加、卷制成形、刀盘切断和排列装盘的过程生产滤棒。机组结构由开松机AF2、成型机KDF2和装盘机HCF-80三个单元组成。 其控制和传动系统采用了西门子公司的S7-300 PLC和TP270触摸式控制屏，分别用MPI和DP通过PROFIBUS-DP现场总线通讯控制。

2 控制系统策略

2.1 主电机的调速系统

原机主驱动电机为直流电机并用专用的控制板驱动，现改为交流异步电动机通过PLC和变频器控制，其调速由PLC与变频器调速器共同完成。用一块模拟量输入输出模块，监视变频器状态，并根据程序控制变频器输出。其控制系统性能更具有稳定性好、响应速度快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好、免维护等优势，这就有效的保证了滤棒生产的质量，使其不受驱动系统的影响。

2.2 开/停机及拼纸接头的剔除

KDF2滤棒成型机在开/停机及有拼纸接头时需要剔除剔除滤棒，由此本文根据采用的S7-300 PLC的CPU 315-2DP 和高速模块FM352的特点，充分利用其高速、精确的计算特点，来计算滤棒剔除支数。根据生产质量要求，在开机时通过剔除阀将开始一部分滤棒剔除，跑条停机时要将后面的滤棒剔除。另外，在盘纸拼接后将有接纸头的滤棒剔除。通过此方法来剔除，很大程度上减少了对原材料的浪费，也使生产质量和效率得到了明显的提高。

2.3 盘纸更换

KDF2滤棒成型机原机在盘纸拼接时采用降速拼接。每次降速都会造成车速的大幅度变化，从而使滤棒吸阻、圆周和硬度达不到合格要求，影响了滤棒的质量。为消除这种影响，采用不降速拼接的方法。不降速拼接采用伺服控制系统，用一台伺服电机控制换纸辊。需要换纸时，驱动辊仍然保持高速，由换纸辊电机驱动器驱动换纸辊加速到与主机同步速度，通过控制电路发出拼接信号进行拼接。控制系统在机械结构上做了适当调整使控制变得更为简洁，做到了真正意义上的完全同步拼接。

2.4 温度控制系统

温度控制是生产过程中的关键环节。本机采用FM355-2西门子专门的温度模块和固态继电器对需要温度控制的各点进行回路控制，主要对上胶系统、纸、烙铁等部分的辅料或设备进行温度调节，温度模块采用PID调节，保证温度控制在设定范围内。

3程序设计

程序设计分成硬件设计和软件设计两方面。在硬件方面针对系统要求进行设计，在软件方面则按需要编制了速度计算模块、报警和故障模块、增塑剂计算模块、生产时间计时模块、控制盘纸模块等FC块及生产数据的数据块DB块。

3.1 硬件设计与组态

本系统硬件设计采用西门子S7-300系列PLC作为上位控制中心，两组PLC及触摸屏通过PROFIBUS-DP总线进行通讯连接，系统中各设备状态、参数显示与设置通过MPI由上位机TP270来完成。用两组西门子S7-300 PLC来控制整机，一组替代原机的KDF2成型机和AF2开松机的继电逻辑控制，另一组取代原HCF装盘机使用的金钟PLC。

对上述硬件按要求进行组态，用S7-300组建一个PROFIBUS网络。两台PLC之间采用PROFIBUS-DP联网，实现装盘机与成型机之间的连锁关系、数据传输和故障显示。触摸屏TP270与主机PLC的DP口通讯，通过人机界面对话，进行各种工艺参数的设定与显示。主机PL C是PROFIBUS -DP的主站，装盘机PLC和触摸屏TP270分别占据其他两个站。

3.2软件设计：软件设计由触摸屏程序和S7-300 PLC软件程序组成。

3.2.1触摸屏程序：触摸屏程序由 Protool组态软件完成。人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强。

触摸屏采用西门子-TP270可实现生产状态实时显示、故障监控及温度和速度设定，并增加了单班生产滤棒支数、生产的滤棒盒数、生产时间和待机时间的显示。

3.2.2 S7-300 PLC软件程序：S7-300 PLC软件程序采用了模块化结构设计，将所需实现的各主要功能编制成为S7-300中的用户功能块（FC块），在主程序循环模块（组织块OB1）中调用这些已经编制好的子程序。由于编制的用户功能模块很多，限于篇幅，在这里不能一一做出介绍。以下介绍几个比较重要的用户功能模块。

①数据块组（Group of Data-Blocks）：数据块组由一系列数据块组成。这些数据块除了一部分是S7-300程序中FB（功能块的一种）所要求的之外，其他的数据块都是用户自定义的，这是因为生产中机组的一些系统和生产数据必须被预设或保存。程序运行中所大量使用中间参数也需要不可重复的地址空间，所以将大部分的数据（特别是在触摸屏上显示的参数）编制成保持型DB块。

②主程序循环模块（组织块OB1）：OB1组织块是系统与用户程序之间的界面。PLC系统调用OB1组织块，OB1组织块调用其他用户程序（FB、FC等）。OB1组织块是系统自动地循环扫描的唯一的一个块，所有需要连续执行的用户程序都要从OB1出发开始调用。OB1组织块中不安排具体的逻辑运算、不执行具体的控制任务，这些工作安排在FB、FC中完成，而OB1负责安排调用。

③速度计算模块(FB for Speed)：在采集速度信号、计算车速、进行盘纸剔除控制时，我们采用了计算更为快速、精准的西门子FM352高速布尔模块，该处理器是西门子最新开发专门用于高速信号的功能模块，循环周期1us，输入最大频率200KHZ。其速度采集、计算程序编制在FB3块中，当放置在主机皮带轮上的传感器检测到速度脉冲后，高速模块将得到的车速脉冲反馈经过计算，然后输出到主CPU，CPU再将车速输出给上位机。

4 结语

该项控制系统用西门子S7-300 PLC取代了原机大量的元器件和硬件电路，使得电器的可靠性、稳定性有很大的提高；PROFIBUS现场总线技术把现场设备与控制器连接成网络系统，从而实现了现场设备与控制器之间的数据传输和信息交换，使得整机的结构更加简洁，现场配线大为减少，布局更为美观，检修维护更为简单、方便。因此，该控制系统全面提高了原机组的总体性能，运行效率高、滤棒质量温定、节约了原辅材料，使KDF2型纤维滤棒成型机具有新的竞争力。

（作者单位：长春卷烟厂）