一、緒言
目前，我國煙廠的包裝機很多是GD公司生產的X1/X2型包裝機。由于該機型是早期90年代初引進的，其電控系統為FZ控制系統,主要采用邏輯線路板作為其主控設備,隨著設備的長期運行,邏輯電路控制方式的缺點就逐漸顯露出來了。主要體現在以下幾個方面：
1）故障率高；
2）維護困難；
3）機臺操作工故障定位困難；
4）實現網絡數據采集功能困難；
5）原機采用的軟、硬件都是GD公司生產的，通用性差，而且GD公司已通知以后不再提供老式FZ電控系統備件，因此給今后的維修將帶來很大的困難。
由于以上這些種種問題，很有必要對該控制系統進行技術改造。改造后的控制系統除應保證原機正常生產功能外，系統還必須具有先進性，符合現代煙機控制系統發展的潮流，能夠提供直觀人機界面，具有計算機網絡接口，能進行單機數采等。
二、改造方案
針對上述的問題和要求，我們設計了以德國SIEMENS S7—400 PLC 為核心，采用INTERBUS現場總線的一套全新的PLC控制系統，以取代原GDX1包裝機所用的全部電路板。改造后的系統主要由PLC控制系統、INTERBUS總線和上位工控機組成。
隨著計算機和通訊技術的不斷發展，串聯數據傳輸技術也漸漸地進入了工業自動化控制系統。這種傳輸技術可以將現場信號通過幾根導線互相串接起來進行通訊。 因為這種串聯數據傳輸被廣泛地應用于變送器/執行器等現場設備上，所以這種方法又被稱為現場總線系統。這樣僅需一根電纜便取代成千上百的輸入 /輸出線，大大減少了現場布線的復雜性，減少網絡的硬件設備，降低了成本。INTERBUS總線是Phoenix Contact公司推出的現場總線產品，是一種經濟、簡單、開放的傳感器執行器總線。主要用于生產現場設備與PLC控制系統之間的互聯，構建具有較高實時性要求的工業現場控制網絡 ，具有快速傳輸簡單輸入輸出數據的能力。它具有以下幾方面的優點：
1）INTERBUS總線采用了集總幀型的數據環通訊，這種通訊保證了數據傳輸嚴格的同步性和周期性；
2）全雙工的通訊方式和500K的一致速率保證了數據通訊的實時性；差分信號傳輸和專門的總線環路檢查保證了強大的抗干擾性和設備實時監控；
3）INTERBUS網絡傳輸媒介可以混合使用，不論光纜、光導、紅外均可按要求而定；
4）INTERBUS總線系統調試方便，即插即用，安裝方便，不用終端電阻，調試時間短，不會地址重疊；
5）INTERBUS發生故障時能正確告訴操作人員錯誤位置、類型、解決方法、診斷功能極強。另外，INTERBUS特別適合數據塊小，但傳輸次數較頻繁的場合，因此很適合與GD包裝機的改造場合。
系統組成框圖
總線適配控制器是INTERBUS總線系統與PLC控制系統通信的核心，也是INTERBUS總線系統與PLC之間的橋梁，它的性能的優劣對于整個控制系統都有很大的影響。本系統的PLC控制系統采用的是西門子公司的S7-400 PLC，所以選擇菲尼克斯電氣公司專門為西門子 S7-400 控制系統生產的第四代總線適配控制器IBS S7 400 DSC/I-T（Dir mode）。該控制器與PLC系統間采用直接I/O模式通信。所謂直接模式，是指INTERBUS系統的輸入和輸出數據被直接拷貝到PLC的輸入和輸出地址區。使用上，IBS S7 400 DSC/I-T 被看作S7-400控制系統的一塊S5模塊。作為第四代標準診斷控制器（DSC），IBS S7 400 DSC/I-T不僅與西門子的 S7-400 PLC完全兼容。
改造后的系統主要由PLC控制系統、INTERBUS總線和上位工控機組成。PLC主要完成包裝機組中各個設備的邏輯控制及溫度控制，上位工控機完成故障顯示、速度顯示、溫度設定值的設定和實際值的顯示、參數修改、產量和材料消耗統計及歷史數據保存等功能。PLC通過MPI通訊協議與上位工控機進行數據交換，上位工控機再通過CAN總線或以太網將各種機臺數據送到廠級MIS系統。控制器與現場設備之間通過INTERBUS總線連接。
由圖1可以看到，各種傳感器和操作按鈕等檢測、控制信號一部分經INTERBUS I/O 模塊組輸入PLC，一部分送至PLC直接驅動執行機構，以減少中間環節，提高系統的可靠性。繼電器、斷路器等低壓電器安裝在主動電柜中。而原機13個溫控器全部取消，由PLC模塊直接進行PID模糊控制，在工控機屏幕上可以進行各溫度點的溫度設定和溫度顯示。
控制系統的總線組態軟件選用菲尼克斯電氣公司的第四代INTERBUS系統組態軟件IBS CMD G4 4.51。IBS CMD G4是與 PLC控制系統相互獨立的組態軟件。該軟件可以使用戶以可視化方式交互配置、操作、診斷INTERBUS網絡中所有的連接設備，設定INTERBUS總線設備與PLC控制系統通信的內存區域。通過對總線適配控制器進行配置，設置了標準寄存器和地址區，寄存器最終被映射到PLC的輸入和輸出區。標準寄存器包括兩個診斷寄存器和三個標準功能寄存器，診斷寄存器包括診斷狀態寄存器（輸入字）和診斷參數寄存器（輸入字）。
PLC控制軟件編程采用STEP 7。其編程思想及過程為：
1）消化原機圖紙，理解其控制邏輯；
2）現場了解工藝操作過程，熟悉工藝流程；
3）軟件控制邏輯基本和原控制板邏輯保持一致，如信號連動、互鎖、移位寄存器操作等；
4）結合現場工藝對部分邏輯作簡化、修改，使控制方式更簡潔、合理；
5）將其它檢測信號無縫加入到現在的控制軟件中。
三、改造結果
目前，該系統在全國10多家煙廠里已正常生產運行，最長的運行時間已經超過3年，運行一直良好，不但比原機故障率大大減少了，而且維護成本也大大降低，操作也直觀方便了。同時該系統檢測功能也全面，使得煙包質量也得到了很好的控制。具有以下優點：
1）操作方式上保持原機的所有功能和操作方式，并且根據需要可在原有基礎上增加相應的控制功能。
2）接口方式上保持了原有的整體布局和接口方式，現場安裝便捷，同時增加一臺工控機用于故障、溫度、統計數據等的顯示和參數設定。故障顯示直觀、準確。觸摸屏具有良好的中文人機界面，為操作和維修提供了極大的方便。
3）由于INTERBUS具有強大的總線組態、監控、故障診斷功能，通過總線控制板，可以很方便的對每一個總線設備的狀況進行監控和故障診斷，從而極大地提高了控制系統的易維護性和可靠性。
4）PLC電柜設計結構合理，上位工控機進行溫度設定，PLC硬件模塊完成加熱器溫度的PID控制，操作方便，穩定性好。
5）本系統具有數據統計功能。本系統對產量、有效作業率、材料消耗等數據進行統計。自動生成報表。根據需要可以保存歷史數據，可調用其間任意時間段的歷史數據。故障查詢直觀方便，具有智能化報警功能。上位機的網絡接口可以將各種所需的生產數據和設備運行狀態直接發送到廠級MIS系統，所以說具有很好的網絡數采功能。
6）除保證原機的所有檢測功能外，新控制系統增加封簽歪斜檢測、缺包檢測功能，并無縫的拼接到原系統中，而不是采用原來那種打補丁的控制方式。
另外，控制系統電控柜、現場子站配電箱采用德國威圖電柜，主電控柜采用德國威圖致冷裝置。低壓電器采用SIEMENS 產品，一體化工控機、開關電源、繼電器、光電耦合器、接線端子采用菲尼克斯產品。可靠性、通用性都很強，性能上不差于國外現在的控制系統。
四、結論
幾年來的運行結果表明：本文提出的基于INTERBUS總線的GD包裝機控制系統設計方案是非常成功的，同時按照該方案進行的GD PLC的工程改造也很成功的，技術上、性能上完成達到國外新一代控制系統水平，這也進一步加強了我們進行國產化改造的信心，使我們相信我們自己有能力做好設備的改造工作，而不一定非要依靠外國人！