基于IPC的KDF2机组电控系统

摘 要 本文介绍了一种基于工控一体机（IPC）的KDF2机组的电控系统，给出了该系统的硬件配置及系统框图。该系统具有较高的通用性与一致性，结构简单、安装操作方便，成本较低，便于系统的扩展，可以应用于各烟厂及滤棒厂的KDF2机型。

关键词 IPC； PLC； PC控制

中图分类号TP23 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0181-02

0 引言

随着科技的发展，先进的科学技术应用已深入到国民经济的各个领域，使得社会生产力大幅提高。就烟草行业而言，KDF2滤嘴成型机作为主力滤嘴成型设备，工作稳定，质量可靠。随着新型滤嘴成型机的出现，KDF2的生产速度成为一个劣势，而目前烟厂存在大量的KDF2设备，为了最大限度的使其发挥作用，提速成为一个亟待解决的问题。为了使KDF2能工作在高速，持久，稳定的500米/分（线速度）与5000支/分（烟支）之工作范围内，并充分地发挥其本身的工作性能与超速的优越性，并真正意义上达到维护简单，综合维护周期时间短，停机时间短，则必须新技术加以改造。随着技术的发展，特别是基于PC的控制技术性能的不断提升和EtherCAT总线超高速通讯手段的实现，使得这种改造得以实现。

1 EtherCAT总线介绍

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技术是德国BECKHOFF（倍福）公司提出的实时工业以太网技术，它基于标准的以太网技术，具有灵活的网络拓扑结构，支持星形、线性、树形等几乎所有的网络拓扑结构。系统配置简单，具有高速、高有效数据率等特点，其有效数据利用率达到90%以上，全双工特性得以完全利用。EtherCAT比传统的现场总线系统（如PROFIBUS，CANopen，DeviceNet及SERCOS）快好几个数量级。

2 系统总体方案

系统主要由IPC控制系统、驱动系统及人机交互系统等组成，同时工控机预留上位接口以备用户数据采集的需要。新型控制系统采用EtherCAT总线网络结构，对器件就近检测就近控制的目的，采用一台CX1020 IPC作为控制核心，实现原开松机部分、成型机等各部分的逻辑控制。原机组的各种输入、输出接口采取分布式I/O的形式，同时扩展PROFIBUS DP总线实现伺服驱动的通信，极大地减少配线，简化布局。系统的硬件为标准的架上产品，软件部分为符合标准的 IEC 61131-3 编程规范的软件。工控机通过软件控制相应的I/O模块实现信号的采集及处理。所有的程序全部在IPC中执行，简化了的硬件结构，有很高的可靠性。系统的结构框图如图一所示。

3 传动部分的改动

1）主传动部分

主传动选用倍福AM系列交流异步风冷伺服电机为主驱动电机，主电机与刀盘传动采用同步齿形带将动力传递。克服原机平皮带有可能出现的打滑现象；采用倍福AX5000系列伺服驱动器作为电机驱动器，结合闭环方式控制。

2）布带伦传动部分

布带轮的独立驱动，目的是进一步简化传动机构，减轻运动噪声和机器震动与发热现象，改善机器提速的运行条件，也有利于产品规格的变动。布带轮的传动采用独立的AM伺服电机，由倍福AX5000系列伺服驱动系统驱动，速度信号来自主电机系统发出的脉冲速度信号（或者主电机编码器的速度信号）采集，与主电机形成位置跟踪系统。布带轮速度的调整采取调整其驱动器的电子齿轮箱速比的方法来实现。

3）分烟轮传动部分的独立驱动改造

将此处的涡轮蜗杆传动脱开，采用AM交流同步伺服电机，直接接入滤棒接收轮传动链，采用倍福AX5000系列伺服驱动系统控制，在刀头轴的节拍盘上加装刀头初始相位传感器，伺服电机本身具有绝对零位信号，倍福AX5000系列伺服驱动系统具有初始相位对位和自动调整功能，通电同步自动检测和调整初始相位来适应刀头的设定关系，并在伺服系统运行过程中不断地进行测控，确保输出鼓轮与刀头盘之间速度和相位始终一致。改造后的优点是取消以前因为齿轮长时间磨损而造成滤棒褶皱等若干问题。

4）加速辊的独立驱动改造

KDF2的换盘纸机构，是本机的薄弱环节。采用AM交流同步伺服电机，直接跟踪主机速度实现不降速动态搭接。

5）盘纸拖纸辊独立驱动改造

现有的盘纸驱动方式是机械式的，改造方式是采用伺服电机驱动，取消原机辅助传动箱部件，以降低机械传动故障，大大减少维修量。伺服电机由倍福AX5000系列伺服驱动系统控制，采用频率脉冲为速度给定，通过调整驱动器内的电子齿轮箱分子来适配速度，确保拖纸辊与主机之间线速度相等的速度关系。

6）热融胶泵独立驱动改造

原机热融胶泵的驱动受设计年代的技术制约，采用机械传动，流量不能调整。根据工艺要求，采用带减速器的异步电机，用倍福AX5000系列伺服驱动系统，速度信号取自主机的速度输出脉冲，实现供胶量与线速度的比例同步，同时可方便地调整胶量。

7）开松辊部分的改造

以三个伺服电机配三个伺服控制器取代原机的机械动力传递系统，形成三个电子齿轮箱，各伺服控制器通过EtherCAT总线与主机IPC进行通信，速度跟随可以用EtherCAT总线进行控制。并另设触摸屏对各驱动器的电子齿轮箱参数进行设置和修改，通过数字转速表对各辊子即时速度进行显示。

4 逻辑控制部分的改造

4.1硬件组成

逻辑控制系统的硬件采用德国倍福公司的远程I/O模块及IPC来实现。具体硬件模块为：1）IPC模块； 2）EtherCAT耦合器 EK1100；3）各个输入输出模块。控制系统的部分组成框图如下。

4.2 软件设计

软件方面采用德国倍福公司的TWinCAT软件来设计控制系统软件，其编程标准为IEC61131-3标准工业控制编程语言。程序以循环方式执行，循环周期固定为100us。

5人机交互软件设计

人机界面程序运行于IPC当中，通过使用TWinCAT的ADS通讯功能，人机界面同逻辑控制软件建立通讯连接，接收并显示各种相关的数据，同时能对各种参数进行设置。使用DELPHI来设计开发人机界面软件。

人机界面主要完成以下功能：

1）生产数据显示及参数设定等；

2）控制系统状态监控、参数设置、功能测试及数据显示等；

3）设备故障等信息的显示；

4）完成数据采集功能；

5）网络接口功能，实现方便的实现数据传送和管理。

6 结论

基于IPC的KDF2滤嘴成型机电控系统，有机结合了IPC的控制技术及EtherCAT总线的高速通讯技术，使得KDF2的电控系统有了质的提升。总线式现场I/O模块直接取代老的系统，使得整个系统集成化、模块化，成本大大降低，而性能得到极大的提升，具有较好的市场前景。

参考文献

[1]TwinCAT PLC编程书册. 德国倍福电气有限公司.