基于倍福PLC的FOCKE 700_778稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘" 要：FOCKE 700_778的條包稱重系統(tǒng)采用傳統(tǒng)西門子PLC控制，由于設(shè)備老化，該系統(tǒng)存在控制精度低，響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，經(jīng)常造成正常條包被誤剔，容易造成條煙堵塞停機(jī)，大大降低了設(shè)備效率，并且增加質(zhì)量隱患。該文針對(duì)這一問題開展技術(shù)研究，提出一種基于倍福PLC的稱重系統(tǒng)。新系統(tǒng)將稱重傳感器采集的信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過高速通信模塊傳送給控制PLC， 經(jīng)過PLC程序處理后，對(duì)不合格品進(jìn)行剔除處理，同時(shí)可以在顯示屏上對(duì)稱重系統(tǒng)的部分參數(shù)和功能進(jìn)行修改和設(shè)定。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中進(jìn)行效果測(cè)試，并長期運(yùn)行，結(jié)果表明，新稱重系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、設(shè)備運(yùn)行可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在煙草行業(yè)設(shè)備中推廣使用。

關(guān)鍵詞：誤剔；倍福PLC；稱重系統(tǒng)；高速通信模塊；響應(yīng)快

中圖分類號(hào)：TP27" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0126-04

Abstract： The traditional Siemens PLC control is adopted in the strip and package weighing system of FOCKE 700_778. Due to the aging of the equipment， the system has some shortcomings such as low control precision and slow response speed， which often causes the normal package to be picked up by mistake， which is easy to cause cigarette blockage and shutdown， which greatly reduces the equipment efficiency and increases the hidden trouble of quality. In order to solve this problem， this paper carries out technical research and puts forward a weighing system based on Beckhoff PLC. In the new system， the signal collected by the weighing sensor is transmitted to the control PLC through the analog-to-digital conversion and the high-speed communication module. After being processed by the PLC program， the unqualified products are eliminated. At the same time， some parameters and functions of the weighing system can be modified and set on the display screen. The effect is tested in the actual production process and has been running for a long time. The results show that the new weighing system has the advantages of fast response， high control precision and high reliability of equipment operation， and can be widely used in tobacco industry equipment.

Keywords： error ticking; Beckhoff PLC; weighing system; high-speed communication module; fast response

昆明卷煙廠在20世紀(jì)90年代引進(jìn)并投入使用的FOCKE 700硬盒包裝機(jī)，采用雙通道設(shè)計(jì)，生產(chǎn)速度可達(dá)700包/min。其中，778部分完成條煙的包裝，并輸送給下游機(jī)裝箱。778部分入口輸送帶將二五平包煙包組輸送到推子前，由推子將煙包組推入套口中進(jìn)行下一步的包裝紙包裝。由于推子推入煙包組時(shí)，偶爾會(huì)造成煙包組卡阻，導(dǎo)致煙包組缺少煙包。為防止缺少煙包的條煙流入到下一道工序，原機(jī)在輸出部分加裝了一個(gè)條煙稱重系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)西門子PLC控制，稱重傳感器對(duì)每一條煙進(jìn)行稱重，并與標(biāo)準(zhǔn)重量進(jìn)行比較，差值超過一定范圍，就認(rèn)定為有質(zhì)量缺陷的條煙，并進(jìn)行剔除。經(jīng)過20多年的生產(chǎn)運(yùn)行，由于設(shè)備老化，該系統(tǒng)存在控制精度低、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，經(jīng)常造成正常條煙被誤剔，容易造成條煙堵塞停機(jī)，大大降低了設(shè)備效率。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于倍福PLC的稱重系統(tǒng)，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，界面友好，采用當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)的高速通信模塊和數(shù)據(jù)輸入模塊，且PLC運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。經(jīng)過長期實(shí)踐檢驗(yàn)，結(jié)果表明新稱重系統(tǒng)很好地解決了大量正常條煙被誤剔除的情況，進(jìn)一步提高了設(shè)備效率，降低維護(hù)成本。

1" FOCKE 700_778稱重系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

稱重控制系統(tǒng)由皮帶傳送部分、稱重測(cè)量部分及剔除部分組成，其中皮帶傳送部分作為煙條供料的一部分，還包括煙條提升裝置，提升裝置內(nèi)的煙條由底部逐步向上提升，到達(dá)頂部出口后，由橫向輸出皮帶輸送給后面的工序，整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)工序流程如圖1所示。

當(dāng)煙條被橫向輸出輸送帶的凸耳帶帶入橫向傳輸?shù)墓ば蚝?，并跟隨主電機(jī)的速度進(jìn)入到稱重傳感器的工位上，在設(shè)定的凸輪角度內(nèi)，稱重傳感器完成數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳送給倍福PLC，PLC將該條煙重量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，超過一定誤差范圍的條煙被標(biāo)記為缺陷條煙，通過后序的剔除工位完成剔除動(dòng)作，而合格的煙條被輸送到下一工序。稱重系統(tǒng)框圖如圖2所示。

虛線框內(nèi)為新稱重系統(tǒng)控制框圖，為方便理解，將倍福PLC與工控機(jī)IPC以及觸摸屏的關(guān)系一并畫出。該方案基于倍福（Beckhoff）TwinCAT PLC作為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸，以及控制信號(hào)發(fā)出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過Ethernet總線與工控機(jī)進(jìn)行通信，方便后續(xù)查看和操作。稱重傳感器采用HBM的PW4M-OP規(guī)格型號(hào)的微型單點(diǎn)稱重傳感器，其特點(diǎn)是基于應(yīng)變測(cè)量原理，具有極高的測(cè)量精度和性價(jià)比，適用于小包裝的控制任務(wù)，過載能力高達(dá)額定量程單位10倍；A/D轉(zhuǎn)換器采用HBM AD112D將傳感器所采集到的煙條重量由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給PLC，HBM AD112高速動(dòng)態(tài)測(cè)量鏈能為多列選別秤提供毫克級(jí)數(shù)字化解決方案，其可連接多種型號(hào)稱重傳感器，響應(yīng)速度快，安裝調(diào)試簡單方便，能以極高精度（毫克級(jí)）對(duì)小型袋裝食品、藥品進(jìn)行快速分選。高速通信模塊采用Beckhoff EL6021作為串口通信模塊與TwinCAT PLC建立通信，EL6021模塊串行接口支持通過RS-232或RS422/RS485接口連接設(shè)備。在使用時(shí)可以選擇獨(dú)立于總線系統(tǒng)的全雙工或半雙工模式進(jìn)行通信，通信信道速度可達(dá)115.2 K波特；同時(shí)RS232接口通過電隔離信號(hào)確保高抗干擾性。

HMI顯示器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)程進(jìn)行過程監(jiān)控顯示以及參數(shù)設(shè)定等功能，可以通過以太網(wǎng)或擴(kuò)展通信口直接通信。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用原機(jī)模式，通過電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作，將不合格條煙剔除。

2" 方案實(shí)施

方案實(shí)施主要完成電氣硬件連接，硬件配置，以及編寫程序以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，具體如下所述。

2.1" 硬件電氣連接

稱重傳感器與AD112D轉(zhuǎn)換器是連在一起使用的，同時(shí)將AD112D的輸出信號(hào)輸送到高速通信模塊EL6021中，進(jìn)而輸送到倍福PLC，完成硬件的基本連接。具體部分電氣連接如圖3所示。

圖3只是整個(gè)稱重系統(tǒng)部分電氣連接示意圖，其余部分并未畫出。EL6021模塊與倍福子站其他模塊采用K-BUS通信，通過PROFIBUS-DP總線，將數(shù)據(jù)從倍福控制子站傳送到倍福PLC，而倍福PLC與工控機(jī)采用EtherCat通信，工控機(jī)與HMI采用基于USB接口的連接。

2.2" 硬件配置

在完成電氣元器件物理連接后，需在倍福TwinCat中完成硬件配置，完成硬件與軟件I/O點(diǎn)的映射等相關(guān)工作，具體主要由以下4步組成：①成功連接硬件后，設(shè)置IP地址與CX為相同的網(wǎng)段（169.254.70.X），使用TwinCAT System Manage成功連接CX，完成硬件掃描，找到模塊EL6021。②對(duì)EL6021進(jìn)行參數(shù)配置，在COEONLINE選項(xiàng)里面8 000設(shè)置波特率和數(shù)據(jù)格式。③打開PLC Control，新建任務(wù)，在Resource窗口，雙擊“LibraryManage”鍵添加串口通信Lib。④在GlobalVariable中聲明變量，添加串口通信程序，在新程序中輸入代碼。

2.3" 軟件實(shí)現(xiàn)

2.3.1" 稱重信號(hào)處理

煙條是由橫向輸出皮帶傳送的，皮帶傳送伴隨著抖動(dòng)、精度不高等問題，所以在煙條稱重時(shí)存在著干擾信號(hào)，需要在程序上對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并判斷信號(hào)是否穩(wěn)定，讀數(shù)是否準(zhǔn)確，通過數(shù)字濾波對(duì)干擾信號(hào)處理后，得到更多對(duì)程序有用的稱重?cái)?shù)據(jù)。在處理方法上由常見的限幅濾波、限速濾波、中值濾波和滑動(dòng)平均濾波等。

本文采用中值濾波方法，系統(tǒng)采集的信號(hào)是與重量成線性比例變化的模擬量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸送到系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)生產(chǎn)后采集50條煙的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，煙條在標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定的±3%范圍內(nèi)作上下波動(dòng)即可得到較好的效果。所求目標(biāo)值的平均值為

目標(biāo)值的實(shí)時(shí)值為

根據(jù)中值濾波得到的平均值既可以反映這個(gè)過程段目標(biāo)值的數(shù)據(jù)變化，也能克服隨機(jī)誤差帶來的不良影響。

2.3.2" PLC主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)包裝機(jī)的工藝流程，煙條傳送過程中的移位標(biāo)記，機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度等要求，確定各動(dòng)作的順序和相互之間的邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)控制程序。數(shù)據(jù)處理主要有以下4部分組成，數(shù)據(jù)采集部分，標(biāo)準(zhǔn)值中值計(jì)算部分，數(shù)據(jù)處理過程，數(shù)據(jù)交互處理，分別如圖4—圖7所示。

除數(shù)據(jù)處理相關(guān)程序外，整個(gè)控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)提升器堵塞、條煙是否超重、剔除不合格的條煙等程序段，分別如圖8—圖10所示。

其中，在稱重之前很有必要監(jiān)控提升器是否堵塞。否則，一旦提升器發(fā)生堵塞，條煙不會(huì)進(jìn)入稱重工位，程序計(jì)算出來的條煙重量為零，就會(huì)誤判為壞煙，進(jìn)而啟動(dòng)剔除條煙程序。剔除條煙程序剔除系統(tǒng)判定為壞煙的條煙，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用原機(jī)自帶的電磁閥和氣缸。

3" 運(yùn)行檢驗(yàn)

對(duì)本次改造活動(dòng)進(jìn)行長期目標(biāo)跟蹤，并對(duì)改造前后設(shè)備誤剔條煙頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，改造后，誤剔條煙頻次已經(jīng)由400次/月/臺(tái)降至22次/月/臺(tái)，相當(dāng)于每天發(fā)生誤剔煙1次，對(duì)生產(chǎn)造成的影響可以說是微乎其微，如圖11所示，圖中可以明顯地看到，說明改造取得成功。

4" 結(jié)束語

論文針對(duì)FOCKE 700_778條包稱重系統(tǒng)控制精度低，響應(yīng)速度慢，經(jīng)常造成正常條包被誤剔，容易造成條煙堵塞停機(jī)等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于倍福PLC的新稱重系統(tǒng)，采用相關(guān)高速通信模塊，并集成人機(jī)交互界面，重新編寫軟件程序。在實(shí)際的運(yùn)行過程中進(jìn)行效果檢驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的新稱重系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、條包誤剔除率低、設(shè)備運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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