極速控制技術(shù)在煙支重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of the Extreme Fast Control Technology in Weight Control and Quality Inspection System for Cigarettes

郭　銳1　吳小娥2　楊　旭1

(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所第五研究室1，遼寧 沈陽　110179；寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系2，陜西 寶雞　721007)

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極速控制技術(shù)在煙支重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of the Extreme Fast Control Technology in Weight Control and Quality Inspection System for Cigarettes

郭銳1吳小娥2楊旭1

(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所第五研究室1，遼寧 沈陽110179；寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系2，陜西 寶雞721007)

摘要：PASSIM卷接機(jī)組煙支重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)一般采用電路板設(shè)計(jì)方式，因其故障率高，而不易檢修維護(hù)和備件組織，不適應(yīng)現(xiàn)代煙廠發(fā)展的需求。為解決以上問題，詳細(xì)分析了設(shè)備的工作原理，并設(shè)計(jì)了基于Beckhoff XFC極速控制技術(shù)的新型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)使用PLC為控制器，通過超采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對信號微秒級的采樣周期，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時性；PLC控制器與上位機(jī)使用TwinCAT ADS方式進(jìn)行通信。該控制系統(tǒng)將新技術(shù)引入老機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了PASSIM機(jī)型控制系統(tǒng)器件全部通用化。

關(guān)鍵詞：卷煙廠現(xiàn)場總線伺服驅(qū)動PLC質(zhì)量檢測控制系統(tǒng)邏輯控制TCP/IP技術(shù)

Abstract：The weight control and quality inspection system of raw cigarettes equipped in PASSIM machine is not suitable for the development needs of the modern cigarette factories because it was designed with circuit boards, thus features high fault rate, uneasy repair and maintenance and spare parts organization. To solve these problems, the working principle of equipment is analyzed in detail, and a new control system has been designed based on Beckhoff extreme fast control technology. The system employs PLC as the controller; the microsecond signal sampling period of the control system is achieved through oversampling technology, which ensures the real-time performance of the control system. The communication between PLC and host computer is conducted using TwinCAT ADS mode. This control system brings new technologies into the old model of machine, which realizes the generalization of all the components in control system of PASSIM machine.

Keywords:Cigarettes factoryFieldbusServo drivePLCQuality inspectionControl systemLogic controlTCP/IP technology

0引言

PASSIM卷接機(jī)組是20世紀(jì)90年代初引進(jìn)英國MOLINS公司的高速卷接設(shè)備，該機(jī)型在國內(nèi)各卷煙廠得到了廣泛使用。PASSIM卷接機(jī)組在2000 年后大多進(jìn)行了電控系統(tǒng)升級改造，引入了上位機(jī)管理系統(tǒng)、Siemens S7系列PLC、工業(yè)現(xiàn)場控制總線和伺服驅(qū)動等技術(shù)，使電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性及可維護(hù)性上了一個新的水平。但其煙支重量控制及質(zhì)量檢測部分由于受到控制技術(shù)的制約，控制系統(tǒng)硬件依然采用電路板機(jī)箱的設(shè)計(jì)方式，存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與主控系統(tǒng)通信困難、抗干擾性差、故障率較高、維修備件不便等諸多問題。PASSIM卷接機(jī)組在使用過程中還有著比較明顯的誤剔、漏剔現(xiàn)象，直接影響到卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量和原材料的消耗[1]。雖然在一些設(shè)備上更新了基于DSP技術(shù)的控制系統(tǒng)，解決了通信困難和實(shí)時性較差的問題，但其設(shè)計(jì)思想仍為定制電路板機(jī)架模式，煙廠在設(shè)備維護(hù)及備件組織方面依舊存在相當(dāng)大的困難[2]。為解決上述問題，本文分析了煙支重量控制系統(tǒng)和煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝及控制原理，并重新設(shè)計(jì)了基于倍福XFC極速控制技術(shù)的煙支重量控制及煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了PASSIM卷接機(jī)組電控系統(tǒng)均采用通用器件，以適應(yīng)卷煙廠高效生產(chǎn)、方便維護(hù)的需求。

1重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)分析

1.1重量控制系統(tǒng)控制工藝

重量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煙支重量控制和緊頭位置控制功能。卷煙機(jī)刀頭后裝有一個256線分辨率編碼器，用以產(chǎn)生機(jī)組的同步脈沖信號，且機(jī)械傳動保證了刀頭每轉(zhuǎn)一圈正好對應(yīng)一根雙倍長煙，這樣安裝于刀頭后的旋轉(zhuǎn)編碼器的Z項(xiàng)脈沖即對應(yīng)雙倍長煙條脈沖(end of rod pulse,ERP)。將同時產(chǎn)生的256個A項(xiàng)脈沖作為同步采樣點(diǎn)對微波源輸出的煙條實(shí)時重量值作A/D轉(zhuǎn)換，即可得到一根雙倍長煙的256個重量信息。控制系統(tǒng)對采集到的重量信息點(diǎn)進(jìn)行累加、平均計(jì)算，得到雙倍長煙的重量。將雙倍長煙實(shí)測重量與設(shè)定重量進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整平準(zhǔn)盤高度以控制煙支重量在設(shè)定范圍。同時，依據(jù)此256個重量信息點(diǎn)亦可計(jì)算出內(nèi)、外排煙的重量及緊頭位置等信息，通過緊頭位置信息相應(yīng)地調(diào)整緊頭電機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對煙支緊頭的控制。

1.2質(zhì)量檢測系統(tǒng)控制工藝

卷接機(jī)組在正常生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種不合格煙支，這些煙支必須在適當(dāng)?shù)奈恢脺?zhǔn)確地加以剔除才能保證機(jī)組的正常運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。剔除的煙支包括雙倍長煙支(如啟動/停機(jī)剔除、缺濾嘴煙剔除、盤紙/水松紙拼接頭剔除)和單倍長煙支(如重量控制系統(tǒng)剔除和煙支檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的空頭、缺嘴、稀釋度缺陷剔除)。

準(zhǔn)確剔除的關(guān)鍵是保證接裝機(jī)同步脈沖的準(zhǔn)確捕獲。控制系統(tǒng)根據(jù)同步脈沖對接裝機(jī)各鼓輪槽位進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤和定位，并根據(jù)機(jī)械傳動計(jì)算出從檢測位置到剔除位置之間經(jīng)過的槽位數(shù)，在煙支到達(dá)設(shè)定的剔除位置時，向剔除電磁閥發(fā)出控制信號，電磁閥接通壓縮空氣將該煙支從剔除點(diǎn)吹離鼓輪槽位，從而完成整個剔除過程。

接裝機(jī)同步脈沖是由安裝在接裝機(jī)后面的同步裝置產(chǎn)生的。同步裝置由一個同步盤和兩個接近開關(guān)組成。同步盤上有內(nèi)外兩排凸齒，其中內(nèi)排有16個凸齒，外排有1個凸齒，分別與兩個接近開關(guān)對應(yīng)。同步盤隨機(jī)器主傳動運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)速度為煙支生產(chǎn)速度的一半，即同步盤轉(zhuǎn)動一圈對應(yīng)鼓輪的一個槽位。第一個同步傳感器為每個鼓輪槽位提供16個同步脈沖，第二個同步傳感器為每個鼓輪提供一個同步脈沖。這樣，通過同步裝置即可實(shí)現(xiàn)對一鼓輪槽位16位分辨率的同步檢測。

1.3控制系統(tǒng)實(shí)時性分析

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行速度為8 000支/min時，重量控制A/D轉(zhuǎn)換每個采樣點(diǎn)的周期為60/(4 000×256) (單位：s)，即58 μs；質(zhì)量檢測每個采樣點(diǎn)的周期為60/(4 000×16)(單位：s)，即937 μs。可見對控制系統(tǒng)的實(shí)時性有很高要求，而普通PLC控制器掃描周期一般為10～20 ms，顯然不能達(dá)到高速處理要求的掃描周期[3]。

倍福的XFC技術(shù)基于高效的控制和通信架構(gòu)，包括高性能工業(yè)PC、帶有實(shí)時特性的超高速I/O端子模塊、EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和TwinCAT自動化軟件。采用XFC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)I/O響應(yīng)時間≤100 μs。另外，結(jié)合超采樣及時間戳技術(shù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)1 MHz的采樣頻率(1 ns掃描周期)。XFC技術(shù)使得控制系統(tǒng)采樣時間和響應(yīng)時間大幅縮短，同步脈沖及各輸入量的采集更加準(zhǔn)確，保證了煙支重量控制、廢品剔除更加精確，大大提高了卷煙機(jī)生產(chǎn)效率。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用基于EtherCAT技術(shù)的主站/從站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主站負(fù)責(zé)處理單支煙質(zhì)量檢測功能，從站負(fù)責(zé)處理煙支重量控制功能。EtherCAT實(shí)時以太網(wǎng)性能卓越，30 μs內(nèi)即可更新1 000個I/O，且所有I/O組件都可直接集成到EtherCAT通信系統(tǒng)中。另外EtherCAT具備的分布式時鐘功能能夠?yàn)椴蓸狱c(diǎn)提供精度達(dá)1 ns的時間戳標(biāo)志，利用此項(xiàng)技術(shù)使得信號能夠被事后跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)精確同步功能。

控制系統(tǒng)主站使用Beckhoff CX-2020 CPU模塊，執(zhí)行煙支重量控制和單支煙質(zhì)量檢測的過程數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及邏輯控制功能。CX-2020采用第二代Intel Celeron 1.4 GHz處理器，Windows CE操作系統(tǒng)，運(yùn)行TwinCAT實(shí)時內(nèi)核，其運(yùn)行時間系統(tǒng)可配置4個PLC多任務(wù)，PLC任務(wù)支持最快50 μs的程序掃描周期。在編程語言上支持符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的通用編程語言，如IL、FBD、LD、SFC、ST。

控制系統(tǒng)主站通過EtherCAT總線擴(kuò)展端子模塊EK1110將E-Bus信號轉(zhuǎn)換為100BASE-TX以太網(wǎng)信號，并通過EtherCAT耦合器EK1100將來自100BASE-TX以太網(wǎng)的傳遞報(bào)文轉(zhuǎn)換成為E總線信號，實(shí)現(xiàn)對從站EtherCAT端子的擴(kuò)展。

2.2控制系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)

由實(shí)時性分析可知，控制系統(tǒng)對煙支重量信號的A/D轉(zhuǎn)換，如果僅僅依靠PLC的掃描周期顯然不能滿足控制工藝要求。因此，有必要選用帶超采樣功能的DI模塊(EL1262)和AI模塊(EL3702)。超采樣功能意味著模塊在采集信號時可以N倍于總線循環(huán)時間，并且每個微周期，模塊可以產(chǎn)生一個包含過程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集時間戳的數(shù)據(jù)包。這樣控制系統(tǒng)對重量信號的A/D轉(zhuǎn)換就不完全依賴于PLC掃描周期的快慢，大大提高了PLC控制系統(tǒng)對信號的采樣頻率，同時也極大地減少了PLC控制器的系統(tǒng)占用率。

對于狀態(tài)變化相對不是很快的慢速數(shù)字量信號(如缺嘴、缺煙條、拼接頭檢測、好煙計(jì)數(shù)、手動剔除等)，控制系統(tǒng)可采用普通DI模塊(EL1008)以系統(tǒng)掃描周期進(jìn)行采集。慢速模擬量信號(如空頭、稀釋度等)，再經(jīng)過相應(yīng)電路板處理轉(zhuǎn)換為-10～+10 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號后，可使用普通AI模塊(EL3102)以系統(tǒng)掃描周期進(jìn)行采集。

輸出類信號(如劈刀升降、煙支剔除、空頭驅(qū)動等)，可使用EL2008模塊驅(qū)動執(zhí)行器件[4-5]。

2.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

作為XFC控制技術(shù)的重要組成部分，TwinCAT軟件系統(tǒng)由實(shí)時服務(wù)器、系統(tǒng)控制器、系統(tǒng)工具箱、 PLC系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、自動化設(shè)備規(guī)范接口及自動化信息路由器等組成。實(shí)時服務(wù)器提供了一種精確的時基，程序能夠以最高的確定性被執(zhí)行，并獨(dú)立于其他處理器任務(wù)。系統(tǒng)控制器具有顯示運(yùn)行程序負(fù)荷及設(shè)置負(fù)荷臨界值的能力，能夠確保運(yùn)行程序和 Windows NT/2000/XP 達(dá)到規(guī)定運(yùn)算能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的操作性能。

為了保證煙支重量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和不良煙支的準(zhǔn)確剔除，并且考慮CPU實(shí)時性載荷，充分利用TwinCAT可多任務(wù)處理的特點(diǎn)，將控制程序分為快速任務(wù)(如信號采集)和慢速任務(wù)(邏輯控制、參數(shù)設(shè)置、控制算法等)以及不同的優(yōu)先級。其中快速任務(wù)采用100 μs掃描周期，慢速任務(wù)采用200 μs掃描周期。

上位機(jī)與下位機(jī)通信采用TwinCAT自動化設(shè)備規(guī)范(automation device specification，ADS)方式。TwinCAT ADS基于TCP/IP技術(shù)，它為設(shè)備之間的通信提供路由，用于實(shí)現(xiàn)Beckhoff PLC之間、PLC與第三方應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)用于監(jiān)控PLC的工作狀態(tài)，修改產(chǎn)品參數(shù)，以及煙支的實(shí)時重量、緊頭曲線和不合格煙的剔除統(tǒng)計(jì)等信息的顯示。

煙支重量的高速A/D轉(zhuǎn)換采用具有超采樣功能的EL1262和EL3702模塊實(shí)現(xiàn)。在TwinCAT系統(tǒng)中，超采樣采集回來的數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)組中。程序在每一掃描周期首先讀取數(shù)字量結(jié)構(gòu)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，判斷出A項(xiàng)上升沿并得到上升沿的時間戳數(shù)據(jù)。之后利用此時間戳數(shù)據(jù)檢索出模擬量結(jié)構(gòu)數(shù)組中具有相同時間戳數(shù)據(jù)的模擬量值。最后一支倍長煙采集上來的256個重量點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)字濾波處理，擬合成近似煙支密度曲線。根據(jù)密度曲線，應(yīng)用復(fù)合PID算法，控制直流電機(jī)對劈刀盤進(jìn)行升降控制和超前滯后同步控制，達(dá)到對重量、緊頭調(diào)整的目的。重量信號A/D轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

圖1　煙支重量信號A/D轉(zhuǎn)換流程圖

質(zhì)量檢測完成煙支空頭和稀釋度檢測及剔除等功能，其工作流程如圖2所示。

圖2　煙支質(zhì)量檢測流程圖

3結(jié)束語

基于XFC極速控制技術(shù)的煙支重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)的開發(fā)，將自動化新技術(shù)應(yīng)用到如PASSIM 8000機(jī)型中，成功取代了該機(jī)型中最后一處使用電路板方式的控制系統(tǒng)，完善了該機(jī)型的控制系統(tǒng)，使其控制系統(tǒng)各單元均實(shí)現(xiàn)了器件的通用化，符合卷煙廠高效生產(chǎn)、方便維護(hù)的需求。該重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)已經(jīng)在陜西中煙公司寶雞卷煙廠成功投入使用，現(xiàn)場反饋煙支重量控制穩(wěn)定、缺陷煙剔除的準(zhǔn)確率大大提高，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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中圖分類號：TP273;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602007

修改稿收到日期：2015-01-06。

第一作者郭銳(1981-)，男，2007年畢業(yè)于東北大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副研究員；主要從事工業(yè)自動化控制系統(tǒng)開發(fā)的研究。