BOPP薄膜生產線的CC-Link現場匯流排控制系統

摘要本文介紹了一種BOPP薄膜生產線的CC-Link現場匯流排集散控制系統，系統採用三菱Q02CPU PLC，直流傳動採用590系列直流調速器，多種檢測信號通過分散式I\O組件AJ65SBTB1-16D、FX2N-32CCL等，經由 CC-Link傳送至PLC。文中簡要介紹了BOPP薄膜生產過程及CC-Link結構特點，由於該生產線連續作業，設備分佈較分散約80米，控制過程較為複雜，因此整個集散控制系統在功能上由4個相對獨立的子系統組成，即速度鏈傳動控制系統、溫控系統、測厚系統及輔助控制系統。實際應用表明該系統簡潔、可靠，實時性強，為今後進一步的應用提供了有力實證。關鍵詞現場匯流排；CC-Link；集散控制；BOPP；PLC；工控機；單片機中圖分類號 TP273，TP391文獻標識碼：A1 引言BOPP是Biaxial Oriented PolyPropylene （雙向拉伸聚丙烯）的縮寫，BOPP薄膜具有拉伸強度大，透明度高，保鮮性好、光澤明亮、彩印鮮艷、外觀裝飾華貴等優點，而且還具有很高的機械強度和附著力以及極好的化學性和良好的化學穩定性（與名種酸、鹼、鹽不發生化學反應），耐水耐熱，是一種高級塑料包裝材料，廣泛應用於香煙、服裝、食品、印刷品等、也可做粘膠帶基及電容器的電介質。 BOPP薄膜生產線工作原理是：根據薄膜生產工藝要求，將擠出機及機頭的各節筒體分別加熱到不同的工作點，按配方通過料斗不斷地注入料粒；熔融狀的物料由機頭擠出后，經過冷卻輥冷卻，形成窄而厚的薄膜厚片；薄膜厚片經過儲片架整理后，被送入縱向拉伸區，根據工藝要求由慢速輥和快速輥進行2.5～5.0倍的縱向拉伸處理；橫向拉伸區用於實現薄膜的第二次拉伸，即橫向拉伸，該區域涉及薄膜的橫拉分區加熱控制、同步傳動控制、破膜檢測及其處理等問題，是實現有效成膜的關鍵之一；薄膜經過雙向拉伸（即縱拉和橫拉）后，被送入后處理區域進行後續工藝的處理，再經過上卷輥整理，由兩台收卷輥輪換進行恆張力收卷，最終形成成品膜。
BOPP薄膜生產線全長約80米，如圖1所示，其中主要包括1：擠出機及機頭系統；2：冷輥裝置；3：前掃描測厚裝置；4：儲片架；5：縱向拉伸區域；6：橫向拉伸區域；7：橫拉輥裝置；8：后處理區域；9：后掃描測厚裝置；10：上卷輥裝置；11：收卷區域。為了進一步提高控制系統的可靠性和自動化程度，便於系統功能的擴充，提出在原有生產設備的基礎上採用CC-Link現場匯流排等技術對控制系統進行改造。建立起由PLC、分散式控制模塊、工控機、單片機及智能儀錶組成的集散控制系統，以實現對生產線的集散控制、工藝曲線的實時顯示、關鍵參數的存儲等，便於生產管理和提高產品質量。2 集散控制系統結構設計2.1 CC-Link開放式現場匯流排CC-Link是Control & Communication Link（控制與通信鏈路系統）的簡稱，是三菱電機於1996年推出的開放式現場匯流排，其數據容量大，通信速度可多級選擇，最高達10Mbps。它是一個複合的、開放的、適應性強的網路系統，能夠適應於較高的管理層網路到較低的感測器層網路的不同範圍[1]。CC-Link是一個以設備層為主的網路，整個一層網路可由一個主站和六十四個從站組成。網路中的主站由PLC擔當，從站可以是遠程I\O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀錶、閥門等現場儀錶設備。採用第三方廠商生產的網關還可以實現從CC-Link到Asi匯流排的連接。
CC-Link的底層通信協議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要採用廣播輪詢的方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信[2]。具體方式為：主站將刷新數據RY\RWw發送到所有從站，與此同時輪詢從站1；從站1對來自主站的輪詢作出響應RX\RWr，並將該響應同時告知其它從站；然後主站輪詢從站2（此時並不發送刷新數據），從站2給出響應，並將該響應告知其它從站；依次類推，不斷循環，圖2所示為廣播輪詢時的數據傳輸幀格式。除了廣播輪詢式的循環通訊方式外，CC-Link還提供主站、本地站及智能設備站之間的信息瞬時傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150位元組為單位分割，並以150位元組傳遞。若從從站傳遞到主站，每批信息數據最大為34位元組。瞬時傳送需由專門指令來完成，但不會影響循環通訊的時間。2.2 集散控制系統結構考慮到BOPP薄膜的生產工藝特點及其複雜性等因素，本文設計並構造的集散控制系統結構如圖3所示。在該CC-Link現場匯流排網上，Q02CPU是主站，QJ61BT11作為介面
模塊。從站有兩大類：一類是遠程I\O站，由AJ65BTB2-16R和AJ65SBTB1-16D遠程I\O模塊組成，共8個模塊，每個模塊佔用1個邏輯從站資源，主要用於實現對各直流調速電機的起停、切換、聯鎖、故障等控制和檢測；另一類由FX2N-32CCL和A80BDE-J61BT13遠程設備模塊構成，共5個模塊，考慮到所要傳輸的信息量較大，在這裡每個模塊被設計成佔用4個邏輯從站資源，主要用於實現與FX2N-80MR PLC和工控機的連接[3]。因此，整個CC-Link網路由一個主站和28個邏輯從站構成。該集散控制系統除了應用CC-Link網路外，還採用了其它通訊網路方式對系統各局部區域進行控制，如RS-422、RS-485等。前部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站9#~12#）通過FX2N-485BD板卡，採用RS-422網路對擠出機、冷輥電機、慢速輥電機、快速輥電機和橫拉輥電機共5台直流電機進行控制與檢測；後部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站17#~20#）採用相同的RS-422方式對后處理電機、上卷輥電機、收卷1電機和收卷2電機共4台直流電機進行控制與檢測，它們共同實現對速度鏈傳動控制子系統的控制。此外，位於前操控台的FX2N-80MR PLC（從站13#~16#）和位於后操控台的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）分別通過其RS-422編程口與各自的單片機系統相連，用於實現調速電機的速度設定、速度顯示、調速器內部狀態監測等。工控機IPC1（從站25#~28#）採用RS-485通訊網路，通過CD901智能儀錶對整個溫控子系統進行實時監測與控制，該溫控子系統包括對擠出機、機頭、縱向拉伸和橫向拉伸共34個獨立的加熱區的溫度控制。另外，位於后操控台的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）還通過FX2N-485BD板卡，採用RS-485通訊方式與張力控制器LE-40MTB相連，用於實現對薄膜左、右張力的檢測與恆張力收卷控制。工控機IPC1還有一個重要的任務就是控制並驅動前掃描測厚裝置，檢測並顯示薄膜厚片的厚度，以及顯示傳動子系統、溫控子系統的關鍵工藝參數情況，便於工藝技術人員及時調整相關參數，保證產品質量。工控機IPC2主要用於控制、驅動后掃描測厚裝置，檢測並顯示成品膜的厚度，產品的最終公差分佈情況在這裡得到充分的體現。IPC1與IPC2被置於同一個電控櫃中，由於距離相隔很近，因此採用RS-232C通訊方式將它們連接起來，進行數據共享。這兩台工控機共同構成了薄膜測厚子系統。2.3 一個集散控制流程簡例圖4所示是該集散控制系統對其中的后處理電機進行控制的過程，圖中2、3、6、7、9表示CC-Link網路，1和8表示從站（21#~24#）通過其RS-422編程口與單片機進行數據交換，4和5表示從站（17#~20#）通過其485BD板卡與直流調速器進行RS-422數據通

訊。來自碼盤的數值經1、2、3、4傳輸后，進入DC調速器6，作為後處理電機的速度設定值，該調速器與光碼共同組成一個獨立的轉速閉環控制系統。另外，后處理電機的實際轉速值經5、6、7、8傳輸后，轉換為當前的薄膜生產線的線速度，由LED顯示出來，供操作人員使用，同時該線速度還經由9被傳輸至IPC1，供工藝技術人員集中使用。3 集散控制子系統設計由於BOPP薄膜生產線的生產工藝複雜、生產設備及種類繁多、安裝地點較為分散，因此該集散控制系統涉及多CPU類型（PLC、IPC、單片機）、多種通訊網路結構（CC-Link、RS-422、RS-485、RS-232C），它們共同組成一個有機的整體。本文設計的集散控制系統在控制功能上可以分為四類控制子系統：速度鏈傳動控制系統、溫控系統、測厚系統和輔助控制系統。3.1 速度鏈傳動控制系統3.1.1 速度鏈傳動   生產線的主傳動系統由擠出機電機、冷輥電機、慢速輥電機、快速輥電機、橫拉輥電機、后處理電機、上卷電機、收卷1電機和收卷2電機組成，它們分別由DC調速器1～調速器9來驅動，電機轉速設定值由操控台上的碼盤值間接給出。根據生產工藝的要求，除擠出機電機單獨控制外，其餘7台電機（註：收卷1和收卷2不同時使用）必須保持嚴格的同步速度，即要求按照特定的速度鏈進行增\減速，且本級電機的速度變化只能影響本級和後續各級，不允許改變前面各級電機的速度。   設碼盤值M0~M6分別表示調速器2～調速器8的轉速設定係數，N0～N6分別表示調速器2～調速器8的轉速設定值的百分比。則速度鏈由下式表示：
其中Ki表示對應碼盤值的基值常數。由式（1）易知，N0僅受自身碼盤M0的控制，與其它碼盤值無關。另外，當任一碼盤值Mi改變時，它隻影響自身和其後的設定值Ni~N6，而不影響其前面的設定值N0～Ni-1。3.1.2 傳動控制   主傳動控制分為前部傳動控制和後部傳動控制兩部分，它們獨立構成自己的二級RS－422網路。前部傳動控制由從站9#~12# PLC與調速器1～5組成，後部傳動控制由從站17#~20# PLC與調速器6～9組成，其中，從站9#~12# PLC和從站17#~20# PLC既作為CC-Link網路的從站，又作為二級RS－422網路的主站。圖5所示表示該二級網路的主站與單台調速器進行參數的讀寫通訊過程，與多台調速器進行讀寫控制時，是採用逐台通訊、輪換進行的，通訊波特率最高為19200波特，實踐表明完全滿足系統的實時性要求。
圖6所示表示快速輥在速度鏈傳動控制過程中的轉速控制方式。根據單機\聯動選擇開關可以實現快速輥的單個控制方式和速度鏈控制方式，圖中的「碼盤值」表示快速輥的速度可以由操控台上的碼盤進行在線修改；「固定值1」表示穿片速度，此時快速輥與慢速輥的線速度相同；「固定值2」表示在薄膜生產過程中，若出現破膜信號，則快速輥及其後續主傳動輥立即降至某一固定值，便於操作人員進行處理。
3.2 溫控系統溫控系統主要由工控機、34套CD901溫控儀、RS－232C\RS－485轉換器、功率模塊等組成。工控機對溫控系統的溫度設定及實時溫度監測是採用RS－485通訊方式實現的，圖7所示為溫控系統的通訊控制過程。系統採用ASCII碼傳輸模式，可以對設備地址、波特率、數據位和校驗位等進行設定。本系統採用9600bps、1位起始位、8位數據位、無奇偶校驗、1位停止位，ID地址範圍為1～34。首先工控機發送EOT（04H）進行數據初始化，然後發送數據，表1表示工控機查詢參數的數據格式。溫控儀接收到數據后，便發出相應的響應數據，表2表示溫控儀響應工控機查詢過程的數據格式。表3表示工控機參數寫入過程的數據格式，當溫控儀接收到正確的參數寫入命令后，則發出ACK（06H）響應信號；當接收到不正確的指令數據時，則發出NAK（15H）信號。其中Device address為溫控儀的ID地址，STX（02H）表示開始控制字元，Identifier為操作符，DATA表示操作數據，ETX（03H）為數據結束字元，BCC為校驗碼（異或和）。
溫度的設定與監測都要首先由工控機向溫控儀發送數據，每批數據的發送均要佔用一定的系統時間（約3ms）。由於CD901的通訊為應答式方式，因此不能只是不斷地向溫控儀發送數據，而應採取分時方式進行處理。為確保通訊過程的正常進行，用10ms的時間發送一幀數據，若通訊失敗就重複發送，重複次數超過3次則認為通訊故障並報警。若發送成功，此時還不能立即發送第二幀數據，要等溫控儀返回正確的通訊數據才可以繼續發送新數據。工控機發送的數據指令含有ID地址，當數據發送成功后，只有符合指定ID地址的溫控儀才會返回正確的應答數據，這樣就可以根據工控機發送的ID號來鑒別是哪個溫控儀返回的數據了。由於該RS－485通訊的波特率設置為9600bps，而溫控系統慣性大，溫度變化較慢，實際應用證明完全滿足工程要求。此外，考慮到溫度設定過程的隨機性特點，在本系統中建立了一個監控線程來專門監測設定溫度值的變化情況，一旦設定值發生變化就將溫度監測線程掛起，發送新的溫度設定值，設定成功後繼續恢復對實時溫度值的監測。這樣利用MFC自帶的多線程功能，充分利用了Windows的多任務處理功能。多串口數據的接收也採用線程的方法，建立一個線程來監視串口是否有新的數據，一旦有新數據則將其保存，並繼續監測串口。3.3 測厚系統   BOPP薄膜測厚系統由兩個獨立部分組成，一個是前掃描測厚系統，用於測量薄膜厚片的厚度；另一個是后掃描測厚系統，用於測量成品膜的厚度。它們分別由IPC1和IPC2工控機進行測控，雖然它們地處生產線不同位置，且相對獨立，但測量原理、基本功能及結構大致相似。均由V型掃描架、掃描驅動裝置、控制器及掃描感測器等組成，在掃描架上裝有自動\手動、掃描、退出、樣品、參考等觸點開關和方式、狀態指示燈等，同時還配有電機用來驅動掃描感測器的往複運動等。   測厚系統軟體採用VC編寫，以充分利用其圖形和對硬體介面的直接操作功能，軟體系統分為系統管理模塊和掃描工作模塊兩部分。系統管理模塊主要用於系統參數的修改、顯示測量曲線、複製圖表、在線列印工作參數及控制掃描架工作狀態等。掃描工作模塊受系統管理模塊控制，主要具有4種工作方式：掃描工作方式、退出掃描方式、參考工作方式和樣品工作方式。圖8所示為後掃描工作模塊程序流程圖。
掃描工作方式是4種工作方式的核心部分，用於完成對測量系統的控制、數據採集及後續處理等功能。退出掃描方式用於當出現破膜現象時，系統自動退出當前對薄膜的掃描測量過程，為進入其它工作方式作準備。參考工作方式用於檢查感測器的穩定性，此時系統自動進行背景計數、空氣計數和旗計數，並自動計算出旗空比，若旗空比為0.75，則表明感測器的工作是穩定的。樣品工作方式用於進行樣品試驗，由於生產原料的差異性，會造成薄膜測厚的基準的變化，因此當改變原料時，通過對新樣品的試驗，獲得對新基準的修正參數，校正測量值以提高測量的準確性。3.4 輔助控制系統   輔助控制系統主要包括對儲片架升降、換卷系統、羅茨風機、排風風機、跟緊輥、自動注油系統、恆張力收卷等的控制。圖9所示是雙收卷輥在自動換卷方式下的狀態轉移圖[4]。