IPC在ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。文章針對ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)存在的可靠性差、控制精度低等問題，提出基于IPC的重量控制系統(tǒng)改進(jìn)方案并成功實(shí)施。

關(guān)鍵詞：IPC技術(shù)；卷煙機(jī)；重量控制；控制精度

中圖分類號：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)主要是由人機(jī)界面、重量控制電控單元、微波檢測頭、軸編碼器、劈刀及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，軸編碼器提供時(shí)鐘脈沖，微波檢測頭檢測運(yùn)行煙條的實(shí)時(shí)密度，重量控制電控單元依據(jù)煙條密度信號計(jì)算煙支重量，與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及改造的必要性

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)的重量控制電控單元采用DSP數(shù)字信號處理芯片，存在運(yùn)算速度低、抗干擾能力差、可靠性低等問題。三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的劈刀調(diào)整機(jī)構(gòu)存在響應(yīng)滯后、控制精度低、穩(wěn)定性差等問題，容易出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，影響煙支重量的穩(wěn)定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)，是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于Twincat的軟PLC系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間已在1ms以下，已能夠滿足中、高速卷煙機(jī)對信號處理速度的要求。隨著IPC小型化、模塊化的發(fā)展，目前已有安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的IPC產(chǎn)品出現(xiàn)。

隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣，動(dòng)態(tài)特性和效率較高，采用交流伺服控制電機(jī)對劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)能夠提高劈刀運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性。

基于IPC的重量控制系統(tǒng)采用了目前市場通用的模塊來完成硬件設(shè)計(jì)，統(tǒng)一了系統(tǒng)硬件設(shè)備，軟件系統(tǒng)采用通用的IEC61131-C的標(biāo)準(zhǔn)編程語言來編寫，實(shí)現(xiàn)了軟件編程的統(tǒng)一。系統(tǒng)控制軟件在一臺IPC里執(zhí)行，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來完成系統(tǒng)控制，進(jìn)一步提高煙支重量控制精度、提高設(shè)備有效作業(yè)率。目前，IPC控制技術(shù)已經(jīng)在德國HAUNI公司的超高速機(jī)組M5、M8等卷接機(jī)組上得到了成功

應(yīng)用。

2 技術(shù)方案及實(shí)施措施

本改造方案保留原重量控制系統(tǒng)的微波檢測頭、位移傳感器、軸編碼器、劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件，保留原重量控制系統(tǒng)電控單元的布線方式及電纜，更換重量控制系統(tǒng)電控單元為IPC系統(tǒng)，更換劈刀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相交流異步電機(jī)為伺服電機(jī)，重新設(shè)計(jì)重量控制系統(tǒng)的人機(jī)界面并優(yōu)化控制算法。電控單元的控制模塊、I/O模塊、接口模塊、通訊模塊都采用IPC標(biāo)準(zhǔn)模塊，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、維護(hù)方便。整個(gè)系統(tǒng)中使用一組IPC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煙支的重量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及廢品剔除等功能，IPC模塊與卷煙機(jī)工控機(jī)、分布I/O之間的通訊均通過EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)完成。重新設(shè)計(jì)人機(jī)界面軟件，優(yōu)化重量控制算法，對重量控制數(shù)據(jù)圖形顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示診斷以及維修測等功能進(jìn)行優(yōu)化、簡化，并與卷煙機(jī)原程序和界面達(dá)到有機(jī)的統(tǒng)一。改造后的電控單元如圖1所示：

圖1 改造后電控單元實(shí)物圖

2.1 重量控制電控單元的改進(jìn)

根據(jù)軸編碼器的指示脈沖和增量脈沖信號，結(jié)合密度脈沖信號和位移傳感器位置，計(jì)算出煙支的重量，根據(jù)用戶的需求控制煙支的重量，控制劈刀的位置，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出煙支的重量偏差、煙絲曲線等數(shù)據(jù)；同時(shí)在人機(jī)界面中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并顯示重量相關(guān)的數(shù)據(jù)。IPC模塊安裝于原重量控制柜中，通過DIN導(dǎo)軌安裝在固定板上。重量控制系統(tǒng)硬件接口部分都是采用進(jìn)口的模塊來控制的，軟件運(yùn)行在IPC模塊中，SRM部分的接口模塊和IPC裝在一起，IPC和人機(jī)界面之間也是通過網(wǎng)線來進(jìn)行通訊的。系統(tǒng)硬件組成如表1所示：

通過IPC技術(shù)改造后重量控制系統(tǒng)具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系統(tǒng)能夠通過掃描器送來的密度脈沖信號等，計(jì)算出煙支的重量，并將它和人機(jī)界面中設(shè)定的重量進(jìn)行比較，達(dá)到控制煙支重量的目的，從而使煙支重量盡可能接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)重量，確保重量在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，使得標(biāo)準(zhǔn)重量偏差減至最小，減小煙絲的損耗。（2）識別不合格的煙支。重量控制系統(tǒng)將計(jì)算出來的煙支實(shí)際重量和人機(jī)界面中設(shè)定的煙支重量極限值進(jìn)行比較，超限的煙支即為不合格煙支，打開廢品剔除功能，就可以剔除掉不合格煙支。系統(tǒng)能識別重?zé)?、輕煙、軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、輕端等不合格煙支。（3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算。能夠計(jì)算煙支的重量偏差、長期偏差和短期標(biāo)準(zhǔn)偏差，能夠計(jì)算出端頭的壓實(shí)量和壓實(shí)端位置，能夠計(jì)算生產(chǎn)過程中每小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。（4）取樣功能。在生產(chǎn)過程中，能夠在人機(jī)界面中方便地對煙支進(jìn)行取樣，取樣方式也可以根據(jù)不同的需要有各種不同的選擇。（5）自診斷功能。系統(tǒng)可以識別掃描器、軸編碼器、位移傳感器等的當(dāng)前工作狀態(tài)，并能對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制運(yùn)行操作，以方便系統(tǒng)調(diào)試。

2.2 劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)

采用伺服控制器和驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)替代原機(jī)的三機(jī)異步電機(jī)控制劈刀盤的上下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示：

圖2 劈刀控制系統(tǒng)框圖

機(jī)器運(yùn)行時(shí)，伺服控制器由重量控制系統(tǒng)來控制，劈刀運(yùn)行使能信號決定伺服控制器是否運(yùn)行，劈刀上下行信號控制劈刀伺服電機(jī)的運(yùn)行方向。劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位移傳感器檢測劈刀的實(shí)時(shí)位置，參與控制算法并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。

2.3 人機(jī)界面改進(jìn)

仍使用ZJ17卷接機(jī)組的人機(jī)界面，將重量控制部分的程序重新設(shè)計(jì)。新的人機(jī)界面系統(tǒng)主要完成以下功能：（1）重量控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及參數(shù)設(shè)置。（2）重量控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、功能測試及數(shù)據(jù)顯示。（3）煙支重量曲線、緊頭位置曲線的繪制、顯示。（4）重量控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示。

3 結(jié)語

本重量控制系統(tǒng)是在煙機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化的要求下，在消化原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國卷煙機(jī)的特點(diǎn)，采用IPC技術(shù)進(jìn)行信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、控制精確，控制速度也得到了很大的提高。本系統(tǒng)所使用的模塊都是目前市場上通用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，檢測速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的自診斷和保護(hù)功能，既保證了硬件上的通用性，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性、易移植性和易擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)

[1] 德國HAUNI公司.PROTOS70卷煙機(jī)電氣操作手冊

[S].1995.

[2] 德國倍福電氣有限公司.德國倍福產(chǎn)品選型手冊[S].

2006.

[3] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC編程手冊

[S].2005.

[4] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC Control PID

軟件庫使用手冊[S].2003.

作者簡介：周雪軍（1972—），河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司新鄭卷煙廠工程師，研究方向：煙機(jī)設(shè)備維護(hù)與改進(jìn)。

摘要：ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。文章針對ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)存在的可靠性差、控制精度低等問題，提出基于IPC的重量控制系統(tǒng)改進(jìn)方案并成功實(shí)施。

關(guān)鍵詞：IPC技術(shù)；卷煙機(jī)；重量控制；控制精度

中圖分類號：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)主要是由人機(jī)界面、重量控制電控單元、微波檢測頭、軸編碼器、劈刀及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，軸編碼器提供時(shí)鐘脈沖，微波檢測頭檢測運(yùn)行煙條的實(shí)時(shí)密度，重量控制電控單元依據(jù)煙條密度信號計(jì)算煙支重量，與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及改造的必要性

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)的重量控制電控單元采用DSP數(shù)字信號處理芯片，存在運(yùn)算速度低、抗干擾能力差、可靠性低等問題。三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的劈刀調(diào)整機(jī)構(gòu)存在響應(yīng)滯后、控制精度低、穩(wěn)定性差等問題，容易出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，影響煙支重量的穩(wěn)定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)，是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于Twincat的軟PLC系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間已在1ms以下，已能夠滿足中、高速卷煙機(jī)對信號處理速度的要求。隨著IPC小型化、模塊化的發(fā)展，目前已有安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的IPC產(chǎn)品出現(xiàn)。

隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣，動(dòng)態(tài)特性和效率較高，采用交流伺服控制電機(jī)對劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)能夠提高劈刀運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性。

基于IPC的重量控制系統(tǒng)采用了目前市場通用的模塊來完成硬件設(shè)計(jì)，統(tǒng)一了系統(tǒng)硬件設(shè)備，軟件系統(tǒng)采用通用的IEC61131-C的標(biāo)準(zhǔn)編程語言來編寫，實(shí)現(xiàn)了軟件編程的統(tǒng)一。系統(tǒng)控制軟件在一臺IPC里執(zhí)行，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來完成系統(tǒng)控制，進(jìn)一步提高煙支重量控制精度、提高設(shè)備有效作業(yè)率。目前，IPC控制技術(shù)已經(jīng)在德國HAUNI公司的超高速機(jī)組M5、M8等卷接機(jī)組上得到了成功

應(yīng)用。

2 技術(shù)方案及實(shí)施措施

本改造方案保留原重量控制系統(tǒng)的微波檢測頭、位移傳感器、軸編碼器、劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件，保留原重量控制系統(tǒng)電控單元的布線方式及電纜，更換重量控制系統(tǒng)電控單元為IPC系統(tǒng)，更換劈刀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相交流異步電機(jī)為伺服電機(jī)，重新設(shè)計(jì)重量控制系統(tǒng)的人機(jī)界面并優(yōu)化控制算法。電控單元的控制模塊、I/O模塊、接口模塊、通訊模塊都采用IPC標(biāo)準(zhǔn)模塊，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、維護(hù)方便。整個(gè)系統(tǒng)中使用一組IPC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煙支的重量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及廢品剔除等功能，IPC模塊與卷煙機(jī)工控機(jī)、分布I/O之間的通訊均通過EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)完成。重新設(shè)計(jì)人機(jī)界面軟件，優(yōu)化重量控制算法，對重量控制數(shù)據(jù)圖形顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示診斷以及維修測等功能進(jìn)行優(yōu)化、簡化，并與卷煙機(jī)原程序和界面達(dá)到有機(jī)的統(tǒng)一。改造后的電控單元如圖1所示：

圖1 改造后電控單元實(shí)物圖

2.1 重量控制電控單元的改進(jìn)

根據(jù)軸編碼器的指示脈沖和增量脈沖信號，結(jié)合密度脈沖信號和位移傳感器位置，計(jì)算出煙支的重量，根據(jù)用戶的需求控制煙支的重量，控制劈刀的位置，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出煙支的重量偏差、煙絲曲線等數(shù)據(jù)；同時(shí)在人機(jī)界面中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并顯示重量相關(guān)的數(shù)據(jù)。IPC模塊安裝于原重量控制柜中，通過DIN導(dǎo)軌安裝在固定板上。重量控制系統(tǒng)硬件接口部分都是采用進(jìn)口的模塊來控制的，軟件運(yùn)行在IPC模塊中，SRM部分的接口模塊和IPC裝在一起，IPC和人機(jī)界面之間也是通過網(wǎng)線來進(jìn)行通訊的。系統(tǒng)硬件組成如表1所示：

通過IPC技術(shù)改造后重量控制系統(tǒng)具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系統(tǒng)能夠通過掃描器送來的密度脈沖信號等，計(jì)算出煙支的重量，并將它和人機(jī)界面中設(shè)定的重量進(jìn)行比較，達(dá)到控制煙支重量的目的，從而使煙支重量盡可能接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)重量，確保重量在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，使得標(biāo)準(zhǔn)重量偏差減至最小，減小煙絲的損耗。（2）識別不合格的煙支。重量控制系統(tǒng)將計(jì)算出來的煙支實(shí)際重量和人機(jī)界面中設(shè)定的煙支重量極限值進(jìn)行比較，超限的煙支即為不合格煙支，打開廢品剔除功能，就可以剔除掉不合格煙支。系統(tǒng)能識別重?zé)煛⑤p煙、軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、輕端等不合格煙支。（3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算。能夠計(jì)算煙支的重量偏差、長期偏差和短期標(biāo)準(zhǔn)偏差，能夠計(jì)算出端頭的壓實(shí)量和壓實(shí)端位置，能夠計(jì)算生產(chǎn)過程中每小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。（4）取樣功能。在生產(chǎn)過程中，能夠在人機(jī)界面中方便地對煙支進(jìn)行取樣，取樣方式也可以根據(jù)不同的需要有各種不同的選擇。（5）自診斷功能。系統(tǒng)可以識別掃描器、軸編碼器、位移傳感器等的當(dāng)前工作狀態(tài)，并能對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制運(yùn)行操作，以方便系統(tǒng)調(diào)試。

2.2 劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)

采用伺服控制器和驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)替代原機(jī)的三機(jī)異步電機(jī)控制劈刀盤的上下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示：

圖2 劈刀控制系統(tǒng)框圖

機(jī)器運(yùn)行時(shí)，伺服控制器由重量控制系統(tǒng)來控制，劈刀運(yùn)行使能信號決定伺服控制器是否運(yùn)行，劈刀上下行信號控制劈刀伺服電機(jī)的運(yùn)行方向。劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位移傳感器檢測劈刀的實(shí)時(shí)位置，參與控制算法并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。

2.3 人機(jī)界面改進(jìn)

仍使用ZJ17卷接機(jī)組的人機(jī)界面，將重量控制部分的程序重新設(shè)計(jì)。新的人機(jī)界面系統(tǒng)主要完成以下功能：（1）重量控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及參數(shù)設(shè)置。（2）重量控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、功能測試及數(shù)據(jù)顯示。（3）煙支重量曲線、緊頭位置曲線的繪制、顯示。（4）重量控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示。

3 結(jié)語

本重量控制系統(tǒng)是在煙機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化的要求下，在消化原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國卷煙機(jī)的特點(diǎn)，采用IPC技術(shù)進(jìn)行信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、控制精確，控制速度也得到了很大的提高。本系統(tǒng)所使用的模塊都是目前市場上通用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，檢測速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的自診斷和保護(hù)功能，既保證了硬件上的通用性，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性、易移植性和易擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)

[1] 德國HAUNI公司.PROTOS70卷煙機(jī)電氣操作手冊

[S].1995.

[2] 德國倍福電氣有限公司.德國倍福產(chǎn)品選型手冊[S].

2006.

[3] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC編程手冊

[S].2005.

[4] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC Control PID

軟件庫使用手冊[S].2003.

作者簡介：周雪軍（1972—），河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司新鄭卷煙廠工程師，研究方向：煙機(jī)設(shè)備維護(hù)與改進(jìn)。

摘要：ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。文章針對ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)存在的可靠性差、控制精度低等問題，提出基于IPC的重量控制系統(tǒng)改進(jìn)方案并成功實(shí)施。

關(guān)鍵詞：IPC技術(shù)；卷煙機(jī)；重量控制；控制精度

中圖分類號：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)主要是由人機(jī)界面、重量控制電控單元、微波檢測頭、軸編碼器、劈刀及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，軸編碼器提供時(shí)鐘脈沖，微波檢測頭檢測運(yùn)行煙條的實(shí)時(shí)密度，重量控制電控單元依據(jù)煙條密度信號計(jì)算煙支重量，與人機(jī)界面的煙支重量設(shè)定值比較后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整劈刀位置，調(diào)整煙槍煙絲供給量，實(shí)現(xiàn)煙支重量控制的目的。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及改造的必要性

ZJ17卷煙機(jī)重量控制系統(tǒng)的重量控制電控單元采用DSP數(shù)字信號處理芯片，存在運(yùn)算速度低、抗干擾能力差、可靠性低等問題。三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的劈刀調(diào)整機(jī)構(gòu)存在響應(yīng)滯后、控制精度低、穩(wěn)定性差等問題，容易出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，影響煙支重量的穩(wěn)定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)，是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于Twincat的軟PLC系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間已在1ms以下，已能夠滿足中、高速卷煙機(jī)對信號處理速度的要求。隨著IPC小型化、模塊化的發(fā)展，目前已有安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的IPC產(chǎn)品出現(xiàn)。

隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣，動(dòng)態(tài)特性和效率較高，采用交流伺服控制電機(jī)對劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)能夠提高劈刀運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性。

基于IPC的重量控制系統(tǒng)采用了目前市場通用的模塊來完成硬件設(shè)計(jì)，統(tǒng)一了系統(tǒng)硬件設(shè)備，軟件系統(tǒng)采用通用的IEC61131-C的標(biāo)準(zhǔn)編程語言來編寫，實(shí)現(xiàn)了軟件編程的統(tǒng)一。系統(tǒng)控制軟件在一臺IPC里執(zhí)行，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來完成系統(tǒng)控制，進(jìn)一步提高煙支重量控制精度、提高設(shè)備有效作業(yè)率。目前，IPC控制技術(shù)已經(jīng)在德國HAUNI公司的超高速機(jī)組M5、M8等卷接機(jī)組上得到了成功

應(yīng)用。

2 技術(shù)方案及實(shí)施措施

本改造方案保留原重量控制系統(tǒng)的微波檢測頭、位移傳感器、軸編碼器、劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件，保留原重量控制系統(tǒng)電控單元的布線方式及電纜，更換重量控制系統(tǒng)電控單元為IPC系統(tǒng)，更換劈刀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相交流異步電機(jī)為伺服電機(jī)，重新設(shè)計(jì)重量控制系統(tǒng)的人機(jī)界面并優(yōu)化控制算法。電控單元的控制模塊、I/O模塊、接口模塊、通訊模塊都采用IPC標(biāo)準(zhǔn)模塊，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、維護(hù)方便。整個(gè)系統(tǒng)中使用一組IPC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煙支的重量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及廢品剔除等功能，IPC模塊與卷煙機(jī)工控機(jī)、分布I/O之間的通訊均通過EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)完成。重新設(shè)計(jì)人機(jī)界面軟件，優(yōu)化重量控制算法，對重量控制數(shù)據(jù)圖形顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示診斷以及維修測等功能進(jìn)行優(yōu)化、簡化，并與卷煙機(jī)原程序和界面達(dá)到有機(jī)的統(tǒng)一。改造后的電控單元如圖1所示：

圖1 改造后電控單元實(shí)物圖

2.1 重量控制電控單元的改進(jìn)

根據(jù)軸編碼器的指示脈沖和增量脈沖信號，結(jié)合密度脈沖信號和位移傳感器位置，計(jì)算出煙支的重量，根據(jù)用戶的需求控制煙支的重量，控制劈刀的位置，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出煙支的重量偏差、煙絲曲線等數(shù)據(jù)；同時(shí)在人機(jī)界面中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并顯示重量相關(guān)的數(shù)據(jù)。IPC模塊安裝于原重量控制柜中，通過DIN導(dǎo)軌安裝在固定板上。重量控制系統(tǒng)硬件接口部分都是采用進(jìn)口的模塊來控制的，軟件運(yùn)行在IPC模塊中，SRM部分的接口模塊和IPC裝在一起，IPC和人機(jī)界面之間也是通過網(wǎng)線來進(jìn)行通訊的。系統(tǒng)硬件組成如表1所示：

通過IPC技術(shù)改造后重量控制系統(tǒng)具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系統(tǒng)能夠通過掃描器送來的密度脈沖信號等，計(jì)算出煙支的重量，并將它和人機(jī)界面中設(shè)定的重量進(jìn)行比較，達(dá)到控制煙支重量的目的，從而使煙支重量盡可能接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)重量，確保重量在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，使得標(biāo)準(zhǔn)重量偏差減至最小，減小煙絲的損耗。（2）識別不合格的煙支。重量控制系統(tǒng)將計(jì)算出來的煙支實(shí)際重量和人機(jī)界面中設(shè)定的煙支重量極限值進(jìn)行比較，超限的煙支即為不合格煙支，打開廢品剔除功能，就可以剔除掉不合格煙支。系統(tǒng)能識別重?zé)?、輕煙、軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、輕端等不合格煙支。（3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算。能夠計(jì)算煙支的重量偏差、長期偏差和短期標(biāo)準(zhǔn)偏差，能夠計(jì)算出端頭的壓實(shí)量和壓實(shí)端位置，能夠計(jì)算生產(chǎn)過程中每小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。（4）取樣功能。在生產(chǎn)過程中，能夠在人機(jī)界面中方便地對煙支進(jìn)行取樣，取樣方式也可以根據(jù)不同的需要有各種不同的選擇。（5）自診斷功能。系統(tǒng)可以識別掃描器、軸編碼器、位移傳感器等的當(dāng)前工作狀態(tài)，并能對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制運(yùn)行操作，以方便系統(tǒng)調(diào)試。

2.2 劈刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)

采用伺服控制器和驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)替代原機(jī)的三機(jī)異步電機(jī)控制劈刀盤的上下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示：

圖2 劈刀控制系統(tǒng)框圖

機(jī)器運(yùn)行時(shí)，伺服控制器由重量控制系統(tǒng)來控制，劈刀運(yùn)行使能信號決定伺服控制器是否運(yùn)行，劈刀上下行信號控制劈刀伺服電機(jī)的運(yùn)行方向。劈刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位移傳感器檢測劈刀的實(shí)時(shí)位置，參與控制算法并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。

2.3 人機(jī)界面改進(jìn)

仍使用ZJ17卷接機(jī)組的人機(jī)界面，將重量控制部分的程序重新設(shè)計(jì)。新的人機(jī)界面系統(tǒng)主要完成以下功能：（1）重量控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及參數(shù)設(shè)置。（2）重量控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、功能測試及數(shù)據(jù)顯示。（3）煙支重量曲線、緊頭位置曲線的繪制、顯示。（4）重量控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示。

3 結(jié)語

本重量控制系統(tǒng)是在煙機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化的要求下，在消化原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國卷煙機(jī)的特點(diǎn)，采用IPC技術(shù)進(jìn)行信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、控制精確，控制速度也得到了很大的提高。本系統(tǒng)所使用的模塊都是目前市場上通用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，檢測速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的自診斷和保護(hù)功能，既保證了硬件上的通用性，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性、易移植性和易擴(kuò)展性。

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2006.

[3] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC編程手冊

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[4] 德國倍福電氣有限公司.Twin CAT PLC Control PID

軟件庫使用手冊[S].2003.

作者簡介：周雪軍（1972—），河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司新鄭卷煙廠工程師，研究方向：煙機(jī)設(shè)備維護(hù)與改進(jìn)。