基于 IPC 的 KDF2 滤棒成型机电控系统柔性控制

基于 IPC 的 KDF2 滤棒成型机电控系统柔性控制
发表时间：2020-05-11T10:12:56.190Z 来源：《科学与技术》2020年第2期作者：彭勃[导读] 随着烟草工业和市场需求的发展，摘要：随着烟草工业和市场需求的发展，原KDF2滤棒成型设备集中控制的方式已经无法满足新工艺和生产的需求。

通过对KDF2滤棒成型设备各机组单元的独立供电、独立控制以及模块化处理，使各机组单元具备独立运行能力，最终满足用户对设备频繁拆分、重组的 “柔性”需求。

KDF2滤棒成型机电控系统柔性控制方式可以作为普遍通用方法，复制到其他烟草设备或工业设备的“柔性”改造中。

关键词：集中控制；独立控制；模块化；柔性
KDF2滤棒成型机组是我国在上世界80年代从德国HAUNI公司引进的，在同时期引进的滤棒成型机组中占有相当大的比例，KDF2机型因其成本低、稳定性高、易维护、操作方便等特点，被国内的自动化厂家升级改造为各种类型的滤棒成型机组以满足新工艺的需求[6]。

目前在用的KDF2滤棒成型机组的电控系统多采用集中控制，配置一台主控制器，并分别在AF、KDF和HCF侧设置一个现场IO子站，通过标准的工业现场总线实现各子站与主控制器之间的数据交互。

随着新型烟草的发展，新的工艺需求和卷烟厂实际情况造成设备需要以不同的方式组合，这就需要对某些机组单元进行频繁拆分或重组，这在原有电控系统架构下也是无法实现的。

因此，这就要求烟草设备具备柔性。

1.系统架构具有柔性控制能力的电控系统主要有以下几方面特点：
(1)各机组单元具备独立运行能力；
(2)各机组单元之间电气联系尽可能少；
(3)各机组单元重组、拆分操作尽可能简单。

1.1设计思路
首先，基于各机组单元需具备独立运行能力的要求，各机组单元需配置独立的控制器、运动控制器、伺服驱动器以及上位机。

其次，基于各机组单元之间电气联系需尽可能少的要求，每个机组单元必须配备独立的供电装置和供电回路，原有通过电缆实现的信号传递必须采用通信。

再次，基于各机组单元重组、拆分操作尽可能简单的要求，须通过简单的按钮开关完成操作。

1.2主要硬件配置
主控制器选用倍福CX2020高性能IPC，现场I/O模块选择倍福E-Bus型端子模块。

运动控制器选择伦茨3200C PLC，伺服驱动器选择伦茨i700系列伺服驱动器，电机选择伦茨MCS系列伺服电机，对包括主驱动、三个开松辊、加速轮以及HCF链条共6根轴进行独立伺服驱动改造，彻底取消原机的机械齿轮箱、变速箱、传递皮带以及直流驱动系统。

1.3网络拓扑
柔性控制系统的网络拓扑结构如图 1所示，主现场总线选择倍福的EtherCAT，保证网络拓扑的高度灵活性及超高速的数据传输。

倍福CX2020主控制器与各自的伦茨3200C运动控制器通过Profibus DP总线进行通信；伦茨3200C运动控制器通过EtherCAT与伦茨i700伺服驱动器进行通信；各主控制器之间通过以太网线连接到CU2008交换机，并通过ADS通讯协议进行通讯；AF设置面板子站，通过EtherCAT与AF主控通讯；各工控机通过以太网线与主控制器进行OPC通信。

从图 1所示网络拓扑结构中可以看出，各机组单元之间仅有网线的连接，最大限度地简化了电气连锁方式。

图 1 网络拓扑结构另外，三个开松电机需要跟随主电机做速度同步运行，并且需要在此基础上再通过电子齿轮比对各自的转速进行调整。

AF侧是通过编码器获得主电机的实时转速的。

电机转速通过编码器线反馈到伺服驱动器，运动控制器调用功能块对电机参数进行读取，再把读取到的主电机转速通过DP总线传给KDF主控制器，KDF主控通过ADS通讯把转速传给AF主控，该转速作为AF侧虚拟轴的转速，并且由算法计算出三个开松辊的电子齿轮比，统一通过DP总线下发给AF的运动控制器，最终实现三个开松辊对主电机转速的速度同步。

EtherCAT超高的通信效率使得速度同步的实时性得以保证。

2.软件编程2主控程序在TwinCAT 2环境下开发，伺服程序在PLC Designer
3.18环境下开发，采用以ST语言为主，梯形图LAD和功能块图FBD为辅的混合语言编程。

2.1系统拆分方案
软件编程采用“模块化”的思想，将需要单独运行机组单元视为一个功能模块，各功能模块通过输入、输出引脚实现外部数据的接收和发送，功能模块之间的数据交互通过通信完成。

因此，控制程序共包含AF、KDF和HCF三个功能模块，以及AF-KDF、KDF-HCF两个模块接口。

各机组单元的运行状态分为两种：联机运行和独立运行。

联机运行模式下，上下游机之间存在完整的连锁，功能模块通过接口数据完成模块内部的逻辑控制。

独立运行模式下，外部的网络连接处于断开状态，为了保证内部逻辑的正确执行，必须模拟出一个外部设备存在并且正常运行时的接口状态，并用该“虚拟接口”对功能模块的输入引脚进行赋值，让程序“认为”外部设备存在并且运行正常。

上述涉及到的运行状态、接口来源的切换，均通过上位界面中的按钮实现。

控制程序将对各功能模块的运行状态进行实时监控和判别，并在上位界面上进行实时的显示。

2.2拆分、重组操作
AF和HCF的上位操作界面上都设置了“脱开按钮”和“外部无故障确认按钮”用于实现本机组单元运行状态和接口来源的切换。

这些按钮通过长按2秒的操作方式才能生效，是为了防止误操作引起的机组脱开连锁。

2.3设备操作方式
考虑到原有的操作方式的继承性，联合运行时，操作人员可以并且只能通过KDF操作面板上的操作元件和工控机完成对AF、KDF和HCF三个机组单元的操控。

独立运行时，只有在本机组单元上的操作才有效。

3.结语
通过对原有KDF2电控系统进行升级改造，使原机的各机组单元均具备独立运行的能力，最大限度地简化了各机组单元之间的电气连接，满足用户对设备频繁拆分、重组的 “柔性”需求。

具备“柔性”的开松机AF单元能够兼容其他未改造或其他厂家改造的KDF机组单元，具备“柔性”的装盘机HCF单元能够兼容几乎所有其他的成型设备。

除此之外，KDF2电控系统的柔性升级改造是一种思想和通用方式，符合现代最流行的“设备模块化”趋势，可供其他设备柔性改造或新设备研发进行参考和借鉴。

参考文献:
[1]姚国明;赵雷;詹镇仕（深圳市联君科技股份有限公司）. 一种KDF2滤棒成型机控制系统[P]. CN206674992U. 2017-11-28
[2]曾丽东（贵州中烟遵义卷烟厂）.基于IPC的KDF2机组电控系统[P].《科技传播》2014年14期.
[3]KDF2电气系统改造[EB/OL]. /detail.do?id=15710&cgid=1404.2015-07-09
[4]史广德（牡丹江卷烟材料厂有限责任公司）.S7-300在KDF2纤维滤棒成型机的应用.黑龙江省2009年度烟草学术交流研讨会论文集.2010-04-26
[5]ZL22(原YL12／YL22)及AF2／KDF2滤棒成型机组. 中国轻工业出版社《烟草工业手册》第1113页. 1999-04
[6]伦茨（上海）传动系统有限公司. 【案例分享】Lenze伦茨自动化产品在KDF2滤棒成型机改造中的应用. /article/201709/76750.html. 2017-9-29。