基于倍福IPC開(kāi)發(fā)的均衡供料控制系統(tǒng)

王雙麗，楊俊峰

（紅河卷煙廠物流部，云南彌勒 652399）

0 引言

濾棒的生產(chǎn)、發(fā)射采用在線生產(chǎn)、短暫緩存、集中在線發(fā)射供給的單元式生產(chǎn)組織模式，是紅河卷煙廠濾棒成型車間的主要生產(chǎn)供給模式。在這種模式下，由3臺(tái)濾棒成型機(jī)，將生產(chǎn)出來(lái)的濾棒送入各自配置的濾棒存儲(chǔ)器內(nèi)，經(jīng)過(guò)（20～30）min的緩存固化之后集中輸送至1臺(tái)濾棒分料器進(jìn)行匯合，再由分料器分別供給2臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行濾棒的在線發(fā)射供給。也就是說(shuō)，在單元式生產(chǎn)模式下，濾棒從生產(chǎn)至發(fā)射的設(shè)備配置為：3臺(tái)成型機(jī)+3臺(tái)存儲(chǔ)器+1臺(tái)分料器+2臺(tái)發(fā)射機(jī)。設(shè)備布局如圖1所示。如何協(xié)調(diào)好單元內(nèi)各設(shè)備間的供求關(guān)系，保障發(fā)射機(jī)所需濾棒的持續(xù)供給，是這種生產(chǎn)模式下必須面對(duì)的問(wèn)題。

圖1 生產(chǎn)單元設(shè)備布局

1 濾棒生產(chǎn)單元組織模式下存在的弊端

1個(gè)濾棒生產(chǎn)單元的設(shè)備布局如圖1所示，從圖中不難看出該存儲(chǔ)器為高位進(jìn)料，低位出料。進(jìn)料控制由于與成型機(jī)有一對(duì)一的聯(lián)機(jī)信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此其進(jìn)料控制不存在任何問(wèn)題。而其出料控制主要來(lái)自于各儲(chǔ)存器布置在分料器處的三組料位檢測(cè)光電管信號(hào)，由于受設(shè)備物理連接的限制，各臺(tái)存儲(chǔ)器的來(lái)料在分料器入口處存在天然的高差，且3組料位檢測(cè)的安裝空間過(guò)于緊湊等因素，不可避免地存在各存儲(chǔ)器的出料檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)確的情況，從而造成單元內(nèi)存儲(chǔ)器的供料控制出現(xiàn)2種情況。

（1）存儲(chǔ)器雖然儲(chǔ)料充足，但由于該存儲(chǔ)器的高料位檢測(cè)信號(hào)一直被遮擋，因此該存儲(chǔ)器始終不能供料。此情況表現(xiàn)最為突出的機(jī)組為圖1中料位入口較高的存儲(chǔ)器2。

（2）當(dāng)發(fā)射機(jī)濾棒需求量大時(shí)，圖1中的存儲(chǔ)器1，3由于料位入口較低，其低、中料位檢測(cè)經(jīng)常處于釋放狀態(tài)，因此這2臺(tái)存儲(chǔ)器雖然存料較少，但仍持續(xù)供料，直至出至存儲(chǔ)器的低限料位后，方能停止供料。

上述2種情況的長(zhǎng)期存在，嚴(yán)重制約了單元內(nèi)成型機(jī)設(shè)備產(chǎn)能的發(fā)揮和發(fā)射機(jī)的濾棒供給能力，單元內(nèi)的操作人員為緩解這一問(wèn)題，經(jīng)常通過(guò)人工操作存儲(chǔ)器的運(yùn)行來(lái)解決3臺(tái)存儲(chǔ)器出料不均衡的問(wèn)題，既增加了操作人員的工作量，又存在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性差的問(wèn)題。受人工控制的啟發(fā)，提出了開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)取代人工控制的技術(shù)方案。

2 行業(yè)內(nèi)的主流濾棒生產(chǎn)供給方式調(diào)研

隨著物流系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，為更好的滿足濾棒工藝要求，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)調(diào)度管理，濾棒庫(kù)物流自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)已逐步取代人工作業(yè)模式或傳統(tǒng)固化儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)模式，技術(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)諸多卷煙廠技術(shù)改造后均選用濾棒庫(kù)物流系統(tǒng)，以高架庫(kù)模式實(shí)現(xiàn)濾棒8 h以上的固化及庫(kù)存量，取消了存儲(chǔ)器、分料器等瓶頸設(shè)備，引入了存量更大的立體貨架及靈活性高的堆垛機(jī)，通過(guò)堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)濾棒成型機(jī)與發(fā)射機(jī)的柔性化對(duì)接。濾棒庫(kù)物流系統(tǒng)的應(yīng)用，更好地匹配了濾棒生產(chǎn)與卷接包生產(chǎn)之間的供需關(guān)系，是當(dāng)前濾棒車間最常見(jiàn)、最先進(jìn)的濾棒生產(chǎn)供給模式，雖其具有其他方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但由于設(shè)備布局占地大、投資大，僅適用于新建項(xiàng)目，不適用于紅河卷煙廠因地制宜的就地改造項(xiàng)目，因此要解決現(xiàn)有問(wèn)題，還需另辟蹊徑。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

再次對(duì)存在問(wèn)題和設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析后認(rèn)為，之所以會(huì)出現(xiàn)供料不均衡的問(wèn)題，主要是由于3臺(tái)存儲(chǔ)器與分料器之間僅有物理通道的連接，而無(wú)信息交互是問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因。只有建立起了設(shè)備間的信息溝通、調(diào)度機(jī)制，才能徹底解決問(wèn)題。秉承這一原則，并綜合系統(tǒng)實(shí)施對(duì)原設(shè)備改動(dòng)量最小，且無(wú)任何不良影響等考慮后，提出了“基于倍福IPC控制器開(kāi)發(fā)的濾棒生產(chǎn)單元均衡供料控制系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用最新的倍福IPC控制技術(shù)、Ether Cat（Ether Control Automation Technology，以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線技術(shù)及便捷的上位監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)施所需的料位監(jiān)測(cè)、信號(hào)互聯(lián)和控制信號(hào)輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 方案實(shí)施

4.1 系統(tǒng)硬件配置

基于前期的系統(tǒng)需求分析，在滿足現(xiàn)有需求并留有部分?jǐn)U展空間的前提下，確定控制系統(tǒng)硬件配置清單（表1）。

表1 控制系統(tǒng)配置清單

（1）主控器。IPC選用倍福嵌入式控制器CX9020-0111，該產(chǎn)品配置1 GHz ARM A8處理器、1 G DDR3內(nèi)存、512M閃存，右側(cè)集成了I/O模塊接口，可連接K總線或E總線模塊。

（2）EtherCAT總線I/O模塊。DI信號(hào)模塊選擇EtherCAT總線模塊EL1008，其具備8個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn)，輸入濾波時(shí)間3 ms；DO信號(hào)模塊選擇EtherCAT總線模塊EL2008，其具備8個(gè)輸出信號(hào)點(diǎn)，最大電流0.5 A，開(kāi)關(guān)時(shí)間＜0.3 ms。

（3）人機(jī)界面。人機(jī)界面選擇倍福的15”多點(diǎn)觸控顯示屏CP2915，它通過(guò)DVI（Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口）視頻電纜和USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）電纜與CX9020相連接。

（4）信號(hào)連接。與存儲(chǔ)器、分料器通信的DI/DO信號(hào)全部使用中間繼電器進(jìn)行隔離。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)在于可不改變存儲(chǔ)器和分料器S7-300系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)配置，簡(jiǎn)單且安全可靠。

4.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝

根據(jù)既定的系統(tǒng)方案，對(duì)系統(tǒng)控制電路展開(kāi)設(shè)計(jì)，由于項(xiàng)目需求已較為清晰，這對(duì)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性提供了較好的支撐，該設(shè)計(jì)完全能免滿足項(xiàng)目實(shí)施所需的三個(gè)存儲(chǔ)器及分料器檢測(cè)信號(hào)的接入，及存儲(chǔ)器使能控制信號(hào)的輸出。設(shè)計(jì)好后，完成安裝接線（圖3）。

4.3 程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)涉及3部分內(nèi)容：①3臺(tái)L220存儲(chǔ)器SIEMENS CPU315-2DP中料位編碼程序的開(kāi)發(fā)；②倍福CX9020控制器中均衡供料控制程序的開(kāi)發(fā)；③監(jiān)控界面的開(kāi)發(fā)。

圖3 電柜完工效果

（1）料位編碼程序。采用STEP7編程，主要功能為將存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)料位轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼輸出的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)均衡供料控制系統(tǒng)電柜內(nèi)的繼電器線圈，使倍福CX9020控制器能夠正常接收到來(lái)自存儲(chǔ)器的料位信號(hào)。

（2）均衡供料控制程序。該程序采用倍福的TwinCAT PLC Control軟件進(jìn)行編程，作為該項(xiàng)目的核心控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)接收并處理來(lái)自3臺(tái)存儲(chǔ)器和分料器的料位信號(hào)，并通過(guò)程序內(nèi)部的計(jì)算、比對(duì)后，決定該由哪一臺(tái)或哪幾臺(tái)存儲(chǔ)器共同進(jìn)行供料，同時(shí)輸出存儲(chǔ)器供料的使能信號(hào)。

（3）監(jiān)控界面。監(jiān)控界面的開(kāi)發(fā)采用集成在TwinCAT PLC Control中的Visulization可視化工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、指令輸入，報(bào)警提示等功能，為操作人員提供直觀有效的顯示信息及操作界面。

5 結(jié)論

項(xiàng)目實(shí)施完成投入運(yùn)行后，成功地解決了該單元內(nèi)長(zhǎng)期存在的各存儲(chǔ)器儲(chǔ)料、供料不均衡的問(wèn)題，各存儲(chǔ)器之間的儲(chǔ)料誤差始終控制在±1%的范圍內(nèi)，操作人員不用再花費(fèi)額外的精力去關(guān)注存儲(chǔ)器的儲(chǔ)料、供料情況，可以心無(wú)旁騖地投入到對(duì)成型機(jī)的操作和對(duì)濾棒質(zhì)量的管控上，為濾棒成型車間設(shè)備自動(dòng)化控制水平及現(xiàn)場(chǎng)管理水平的提升提供了較好的技術(shù)支撐。