一種濾棒輸送裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

陳培園

（許昌煙草機械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

根據(jù)卷煙工業(yè)市場需求，隨著復(fù)合濾棒成型機的出現(xiàn)，需要一種濾棒專用輸送裝置，能夠供應(yīng)不同規(guī)格的濾棒，以滿足多元復(fù)合濾棒設(shè)備的用料需求。許昌煙機公司研發(fā)的多元復(fù)合濾棒成型機組ZL45，可以實現(xiàn)兩元或者三元濾棒的復(fù)合，生產(chǎn)速度可達500 m/min，需要大流量供應(yīng)三種相應(yīng)規(guī)格的濾棒[1]。為滿足多元復(fù)合濾棒生產(chǎn)線的自動化需求，提出“濾棒卸盤（盒）機+濾棒輸送裝置”的組合方案，實現(xiàn)濾棒由盤（盒）到多元復(fù)合濾棒成型機ZL45的自動化輸送功能，提高整條生產(chǎn)線的工作效率。

改型設(shè)計一種濾棒輸送裝置，其承擔(dān)著將卸盤（盒）機卸下的濾棒輸送給多元復(fù)合濾棒設(shè)備的任務(wù)。該裝置的電氣控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用倍福IPC、EtherCAT現(xiàn)場總線、施耐德伺服驅(qū)動系統(tǒng)等。在實際運行過程中，伺服電機帶動輸送鏈板，形成持續(xù)穩(wěn)定的濾棒流，滿足下游多元復(fù)合濾棒設(shè)備的用料需求，保證其持續(xù)穩(wěn)定運行。

1 濾棒輸送裝置功能

1.1 濾棒輸送裝置結(jié)構(gòu)

濾棒輸送裝置由提升、高位輸送、落料等三部分組成，機組流程示意圖如圖1所示。提升部分包含水平輸送段、垂直提升段和上彎道輸送段，分別由三套施耐德伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動，速度控制更加靈活和精確；高位輸送部分由一套施耐德伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動；落料部分包含料倉和料倉擋板，料倉擋板后面裝有電位器，可根據(jù)料倉中濾棒的緩沖容量對輸送裝置進行速度調(diào)節(jié)。傳動部分均采用鏈條和齒輪傳動，傳動效率更高，傳動更精確。

圖1 機組流程示意圖

1.2 濾棒輸送裝置工藝流程

濾棒裝置啟動后，處于待機狀態(tài)，當濾棒輸送裝置檢測到卸盤（盒）機啟動且存在濾棒時，水平輸送段開始運轉(zhuǎn)，將濾棒輸送到提升部分入口料位檢測處，當濾棒層高達到設(shè)定值時，提升部分及高位輸送部分開始運轉(zhuǎn)，將濾棒垂直提升到高位輸送部分，并連續(xù)平穩(wěn)地輸送到落料部分，濾棒自由下落，經(jīng)下落通道直接進入多元復(fù)合濾棒設(shè)備料庫，從而滿足多元復(fù)合濾棒設(shè)備的用料需求。工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

根據(jù)煙廠實際需求，特設(shè)計濾棒首次充料和停產(chǎn)時排空的功能。卷煙企業(yè)首次生產(chǎn)，在上游卸盤機啟動后，下游多元復(fù)合濾棒設(shè)備首次啟動前，需將濾棒輸送裝置的料倉充滿待用，也就是首次充料。此時多元復(fù)合濾棒設(shè)備的速度為零，設(shè)備運行速度自動切換到手動速度，并以手動設(shè)定的速度進行濾棒的填充，直至料倉達到滿位時停止待機。多元復(fù)合濾棒設(shè)備啟動后，濾棒輸送裝置運行速度自動跟蹤多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度。

卷煙企業(yè)濾棒產(chǎn)量滿足，后續(xù)不再進行生產(chǎn)時，需將供料裝置通道及料倉內(nèi)的濾棒完全排空。此時，可使用供料裝置全部排空功能，因為不再提供新的濾棒，濾棒裝置將屏蔽入口無濾棒的信號，不論提升部分入口料位狀態(tài)如何，提升部分、高位輸送部分均正向運轉(zhuǎn)，提升部分的料位檢測值僅對提升部分加速，料位過低時不減速，將濾棒輸送裝置內(nèi)剩余濾棒全部送入多元復(fù)合濾棒設(shè)備料庫，以免濾棒在供料裝置內(nèi)長期存放受潮或香味散失而浪費。

2 濾棒輸送裝置控制原理

2.1 提升入口及料倉料位控制

在提升部分入口處，要保證濾棒高度與提升通道的寬度盡量保持一致。如果濾棒高度大于提升通道，將出現(xiàn)提升過程中濾棒的擠壓；如果濾棒高度小于提升通道，將出現(xiàn)提升過程中濾棒的下墜。這些情況的出現(xiàn)，將導(dǎo)致濾棒出現(xiàn)皺紋或破損而質(zhì)量不合格。在落料部分，要保證料倉擋板盡量保持在理想料位處，減少料倉擋板的位置大幅度擺動造成的濾棒傾斜現(xiàn)象。

PID控制是一種典型、成熟、應(yīng)用廣泛的負反饋控制系統(tǒng)，它將目標值與實際位置值偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合形成控制量，對被控對象進行控制[2]。提升入口及料倉料位控制均采用PID控制。

針對落料部分，既要保證有一定緩沖的濾棒量，又要保證料庫擋板的波動穩(wěn)定性，減少濾棒傾斜的概率。

料倉料位補償過程如圖3所示，RP3為電位器檢測，設(shè)置料倉擋板的零位，在零位附近設(shè)置最佳料位范圍，即死區(qū)；通過計算得出料庫擋板實際位置與其零位的誤差，此誤差在最佳料位范圍之外時，通過PID控制對供料裝置進行相應(yīng)的加減速處理[3]。人機界面設(shè)置PID對應(yīng)參數(shù)，調(diào)試時，可根據(jù)實際運行情況和參數(shù)控制規(guī)律及經(jīng)驗，隨時進行調(diào)整。依照先比例再積分后微分的順序，逐步調(diào)整，多次嘗試。根據(jù)料位檢測值的實時曲線波動，確定初步的PID參數(shù)。在實際應(yīng)用中根據(jù)實際運行效果可隨時進行參數(shù)的優(yōu)化，達到良好的控制效果。

圖3 料倉料位補償過程

2.2 濾棒輸送速度計算

濾棒輸送裝置對ZL45多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度進行采集與跟蹤。在實際運行中，實時采集ZL45小棒模塊消耗濾棒對應(yīng)輸出的電壓值（0～10 V），傳遞給供料裝置電控系統(tǒng)，通過模擬量輸入模塊，轉(zhuǎn)換為以“支/min”為單位的速度參考值，并以此速度參考值為基準。從水平輸送段取料開始，供料裝置各段的電機采用逐級傳遞的方式。根據(jù)實際的運行效果，可逐個調(diào)節(jié)電機的速度系數(shù)，使濾棒的輸送更加平穩(wěn)可靠。

速度跟蹤及調(diào)節(jié)流程如圖4所示，提升部分入口料位檢測、落料部分料倉料位檢測傳感器與采集并轉(zhuǎn)換的下游機多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度共同作用調(diào)節(jié)整個裝置的速度。提升部分入口處料位檢測傳感器調(diào)節(jié)控制提升及高位輸送部分速度，料倉擋板的實時誤差位置微調(diào)整個裝置的輸送速度，達到供料與耗料的相對平衡。工控機通過總線系統(tǒng)對各個電機進行控制，實現(xiàn)濾棒的平穩(wěn)輸送、連續(xù)跟蹤和補償。

圖4 速度跟蹤及調(diào)節(jié)流程

濾棒輸送速度（單位：支/min）轉(zhuǎn)換為電機轉(zhuǎn)速的計算方式如公式（1）和（2）所示。首先計算出輸送鏈板線速度（單位：mm/s），再根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的傳動關(guān)系計算出電機的運行速度（單位：r/min）。公式（2）中，輪徑為主動輪直徑，傳動比=從動輪/主動輪。

3 硬件選型及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

電氣控制系統(tǒng)配置選用倍福CX2030系列嵌入式控制器、施耐德Lexium 32的BMH產(chǎn)品系列，人機界面采用倍福的CP39XX系列15寸觸摸顯示屏。本系統(tǒng)插件選用現(xiàn)場總線模塊VW3A3616EtherNet/IP通信卡，控制器CX2030通過EtherCAT與Lexium 32伺服驅(qū)動器通信實現(xiàn)伺服電機的控制，確保伺服電機快速、準確地完成裝置各段的工藝動作。觸摸顯示屏通過倍福C9900-K623的DVI視頻連接電纜+USB電纜與主控制器CX2030進行數(shù)據(jù)交換，可以顯示和收集裝置的各種狀態(tài)信息，同時可以控制設(shè)備的調(diào)試和生產(chǎn)活動[4-6]。配置交換機可用于與上層信息系統(tǒng)互聯(lián)。各個電氣元器件通用性強，系統(tǒng)具有較好的兼容性和可擴展性，維護成本低，且便于車間系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。

控制系統(tǒng)采用先進的EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)進行設(shè)計，工控機、驅(qū)動系統(tǒng)以總線方式互聯(lián)，構(gòu)成EtherCAT總線控制系統(tǒng)。電控系統(tǒng)連接如圖5所示，施耐德伺服驅(qū)動器在倍福TwinCAT中配置，電機及其控制采用伺服控制系統(tǒng)，各個電機的速度均由各自的軸模塊控制，并由倍福工控機通過總線系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)進行控制[7]。

圖5 電控系統(tǒng)連接圖

4 上位機界面設(shè)計

上位機界面采用Visual Studio開發(fā)平臺的C#語言，調(diào)用.NET版本對應(yīng)的ADS庫版本，通過ADS通信與工控機程序進行通信。應(yīng)用時，將HMI程序文件拷貝至倍福工控機系統(tǒng)根目錄下，創(chuàng)建HMI程序可執(zhí)行文件YF45.exe的快捷方式，再放入以下路徑：C:TwinCATStartUp，即可開機自啟動。系統(tǒng)上電后，上位機界面可直觀地表達出濾棒輸送裝置的各種運行和故障狀態(tài)，顯示并自動記錄運行過程中出現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)信息，調(diào)試人員通過修改參數(shù)可進行輸送優(yōu)化等[7-8]。

5 結(jié)論

目前，此濾棒輸送裝置已在煙廠投入運行，可滿足多元復(fù)合濾棒成型設(shè)備ZL45對不同規(guī)格濾棒的需求，實現(xiàn)了濾棒輸送裝置的速度與ZL45多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度的匹配，形成了持續(xù)穩(wěn)定的濾棒流，并降低了濾棒在輸送過程中及進入ZL45多元復(fù)合濾棒設(shè)備料庫出現(xiàn)傾斜的概率，提高了濾棒輸送的穩(wěn)定性。此控制系統(tǒng)實現(xiàn)了復(fù)合濾棒生產(chǎn)線高速自動化，提高了整條生產(chǎn)線的有效作業(yè)率。