基于倍福IPC開發的均衡供料控制系統

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、發射采用在線生產、短暫緩存、集中在線發射供給的單元式生產組織模式，是紅河卷煙廠濾棒成型車間的主要生產供給模式。在這種模式下，由3臺濾棒成型機，將生產出來的濾棒送入各自配置的濾棒存儲器內，經過（20～30）min的緩存固化之后集中輸送至1臺濾棒分料器進行匯合，再由分料器分別供給2臺發射機進行濾棒的在線發射供給。也就是說，在單元式生產模式下，濾棒從生產至發射的設備配置為：3臺成型機+3臺存儲器+1臺分料器+2臺發射機。設備布局如圖1所示。如何協調好單元內各設備間的供求關系，保障發射機所需濾棒的持續供給，是這種生產模式下必須面對的問題。

圖1 生產單元設備布局

1 濾棒生產單元組織模式下存在的弊端

1個濾棒生產單元的設備布局如圖1所示，從圖中不難看出該存儲器為高位進料，低位出料。進料控制由于與成型機有一對一的聯機信號來進行實時控制，因此其進料控制不存在任何問題。而其出料控制主要來自于各儲存器布置在分料器處的三組料位檢測光電管信號，由于受設備物理連接的限制，各臺存儲器的來料在分料器入口處存在天然的高差，且3組料位檢測的安裝空間過于緊湊等因素，不可避免地存在各存儲器的出料檢測信號不準確的情況，從而造成單元內存儲器的供料控制出現2種情況。

（1）存儲器雖然儲料充足，但由于該存儲器的高料位檢測信號一直被遮擋，因此該存儲器始終不能供料。此情況表現最為突出的機組為圖1中料位入口較高的存儲器2。

（2）當發射機濾棒需求量大時，圖1中的存儲器1，3由于料位入口較低，其低、中料位檢測經常處于釋放狀態，因此這2臺存儲器雖然存料較少，但仍持續供料，直至出至存儲器的低限料位后，方能停止供料。

上述2種情況的長期存在，嚴重制約了單元內成型機設備產能的發揮和發射機的濾棒供給能力，單元內的操作人員為緩解這一問題，經常通過人工操作存儲器的運行來解決3臺存儲器出料不均衡的問題，既增加了操作人員的工作量，又存在實時性和準確性差的問題。受人工控制的啟發，提出了開發一套自動控制系統來取代人工控制的技術方案。

2 行業內的主流濾棒生產供給方式調研

隨著物流系統技術的發展，為更好的滿足濾棒工藝要求，實現柔性生產調度管理，濾棒庫物流自動化系統應運而生，現已逐步取代人工作業模式或傳統固化儲存輸送系統模式，技術逐漸成熟并得到廣泛應用。近年來，行業內諸多卷煙廠技術改造后均選用濾棒庫物流系統，以高架庫模式實現濾棒8 h以上的固化及庫存量，取消了存儲器、分料器等瓶頸設備，引入了存量更大的立體貨架及靈活性高的堆垛機，通過堆垛機實現濾棒成型機與發射機的柔性化對接。濾棒庫物流系統的應用，更好地匹配了濾棒生產與卷接包生產之間的供需關系，是當前濾棒車間最常見、最先進的濾棒生產供給模式，雖其具有其他方式無可比擬的優勢，但由于設備布局占地大、投資大，僅適用于新建項目，不適用于紅河卷煙廠因地制宜的就地改造項目，因此要解決現有問題，還需另辟蹊徑。

3 系統方案設計

再次對存在問題和設備現狀進行調查分析后認為，之所以會出現供料不均衡的問題，主要是由于3臺存儲器與分料器之間僅有物理通道的連接，而無信息交互是問題出現的根本原因。只有建立起了設備間的信息溝通、調度機制，才能徹底解決問題。秉承這一原則，并綜合系統實施對原設備改動量最小，且無任何不良影響等考慮后，提出了“基于倍福IPC控制器開發的濾棒生產單元均衡供料控制系統”的設計方案，應用最新的倍福IPC控制技術、Ether Cat（Ether Control Automation Technology，以太網控制自動化技術）實時以太網總線技術及便捷的上位監控技術實現了系統實施所需的料位監測、信號互聯和控制信號輸出。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構

4 方案實施

4.1 系統硬件配置

基于前期的系統需求分析，在滿足現有需求并留有部分擴展空間的前提下，確定控制系統硬件配置清單（表1）。

表1 控制系統配置清單

（1）主控器。IPC選用倍福嵌入式控制器CX9020-0111，該產品配置1 GHz ARM A8處理器、1 G DDR3內存、512M閃存，右側集成了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信號模塊選擇EtherCAT總線模塊EL1008，其具備8個輸入信號點，輸入濾波時間3 ms；DO信號模塊選擇EtherCAT總線模塊EL2008，其具備8個輸出信號點，最大電流0.5 A，開關時間＜0.3 ms。

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

（4）信號連接。與存儲器、分料器通信的DI/DO信號全部使用中間繼電器進行隔離。這種通信方式的優點在于可不改變存儲器和分料器S7-300系統的硬件及網絡配置，簡單且安全可靠。

4.2 電控系統設計及安裝

根據既定的系統方案，對系統控制電路展開設計，由于項目需求已較為清晰，這對電控系統設計的科學性和合理性提供了較好的支撐，該設計完全能免滿足項目實施所需的三個存儲器及分料器檢測信號的接入，及存儲器使能控制信號的輸出。設計好后，完成安裝接線（圖3）。

4.3 程序設計

該系統的程序設計涉及3部分內容：①3臺L220存儲器SIEMENS CPU315-2DP中料位編碼程序的開發；②倍福CX9020控制器中均衡供料控制程序的開發；③監控界面的開發。

圖3 電柜完工效果

（1）料位編碼程序。采用STEP7編程，主要功能為將存儲的實時料位轉換為二進制編碼輸出的方式來驅動均衡供料控制系統電柜內的繼電器線圈，使倍福CX9020控制器能夠正常接收到來自存儲器的料位信號。

（2）均衡供料控制程序。該程序采用倍福的TwinCAT PLC Control軟件進行編程，作為該項目的核心控制系統，主要實現接收并處理來自3臺存儲器和分料器的料位信號，并通過程序內部的計算、比對后，決定該由哪一臺或哪幾臺存儲器共同進行供料，同時輸出存儲器供料的使能信號。

（3）監控界面。監控界面的開發采用集成在TwinCAT PLC Control中的Visulization可視化工具進行開發，主要完成實時監控、指令輸入，報警提示等功能，為操作人員提供直觀有效的顯示信息及操作界面。

5 結論

項目實施完成投入運行后，成功地解決了該單元內長期存在的各存儲器儲料、供料不均衡的問題，各存儲器之間的儲料誤差始終控制在±1%的范圍內，操作人員不用再花費額外的精力去關注存儲器的儲料、供料情況，可以心無旁騖地投入到對成型機的操作和對濾棒質量的管控上，為濾棒成型車間設備自動化控制水平及現場管理水平的提升提供了較好的技術支撐。