基于FM352移位寄存器的濾棒成型機單支剔除控制系統

楊步充 李 柯

（許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

濾棒成型設備用于生產香煙的過濾嘴，是煙草制造行業的重要設備[1]。現有的成型設備速度達到500m/min，如何在高速狀態下保證濾棒質量成了濾棒成型設備的重要研究內容。剔除功能的作用是保證產品質量，在傳統的剔除算法中，為完成剔除任務，設計的剔除個數大于實際需要剔除的個數，剔除效率不高、算法設計難度較低[2]。此外，對執行系統的響應速度要求不高。而該控制系統描述的是精準的單支剔除操作，程序設計剔除個數等于實際需要剔除的個數，極大地提高了剔除效率。這對算法的精準性、控制系統的響應速度都提出了極高的要求，是該控制系統的難點和亮點。

1 問題描述

剔除功能[3]是成品濾棒質量的重要保障。當生產的濾棒經過質量檢測系統時，判定出濾棒不合格，剔除系統需要在極短的時間內剔除該濾棒。但是該剔除動作的完成面臨如下三個關鍵問題：1） 現有的濾棒成型設備生產速度高達500 m/min，在高速運行的狀態下完成不合格濾棒的跟蹤和剔除，對執行機構的動作速度和中央處理器的處理速度提出了極高的要求。2） 根據設備的機械結構，濾棒質量檢測系統與剔除執行機構并不是安裝在一起的，兩者之間存在物理的延遲路徑。當濾棒到達剔除閥并完成剔除動作后，如何模擬這個固定的路徑成為該控制系統的核心問題。

2 控制系統架構

2.1 系統設計原理

剔除功能均為高精度的核心技術，其功能的實現需要編碼器技術輔助。成型機旋轉刀頭對成型且連續的濾棒束進行分切，刀頭旋轉一圈切出兩根等長的濾棒。將編碼器鎖緊在成型機刀頭電機上，刀頭電機旋轉一圈產生256 相的編碼器脈沖信號，于是刀頭旋轉一圈切出兩支濾棒產生兩個Z 脈沖信號，每支濾棒被分成了128 個A 脈沖信號。剔除信號的接收位置與其動作位存在一個固定的路徑，該路徑的路程除以濾棒的長度換算成Z 脈沖的個數；以刀頭編碼器脈沖為引導，利用移位寄存器指令，一個Z 脈沖到來，移位寄存器工作一次，延遲固定的脈沖數后，濾棒到達剔除位置，驅動高速閥裝置，完成剔除動作[4]。

2.2 系統組成結構

該系統由CPU 模塊、FM352 功能模塊、濾棒質量檢測系統、人機交互系統、刀頭編碼器和高速閥執行系統組成。人機界面HMI 用于設定剔除相關參數，如剔除種類、剔除開啟關斷、剔除測試等；濾棒檢測系統用于監控運動中的濾棒，用于鑒別不合格濾棒的種類，如基棒缺失、基棒排列順序錯誤、復合棒切割相位偏差等問題，并輸出剔除信號。剔除系統需要接受來自檢測系統的剔除信號，并與人機交互系統建立通信，進行操作和數據交換。同時，通過硬線連接執行裝置，驅動高速閥完成剔除動作。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

3 系統硬件設計

3.1 CPU 模塊

S7-300 CPU 315-2 PN/DP作為中央處理器運行控制程序，如圖2 所示。它是一款經典的西門子中型中央處理器，其處理速度能適用于大多工業控制場合，它帶384 kB 工作存儲器，1 個MPI/DP 12Mbit/s 接口和2 個以太網PROFINET接口，帶雙端口交換機，需要微型存儲卡。選用帶有MPI接口的是因為設備常規動作的閥島等通過DP 線路與CPU通信；濾棒監測系統通過以太網（ethernet ）將數據傳送到CPU，需要預留出一個PN 接口[5]。S7-300 處理器在外觀相似的情況下分為可使用MPI/DP 接口的型號、只可使用PROFINET 接口的型號和混合使用的信號，在選型時因為PLC 程序中已經選定了具體的型號，所以硬件務必與之匹配；與此相似的是，在 I/O 模塊和中斷模塊選型時，也要注意程序中的選型與實際硬件一定要匹配。

圖2 西門子CPU

3.2 FM352-5高速布爾量處理模塊

FM352-5 是掃描周期為10ms 的高速布爾量處理模塊[6]，如圖3 所示。采用循環掃描的方式采集檢測系統輸入的剔除和采樣信號，其運算速度完全滿足對高速運動中濾棒采樣和剔除的處理需求。FM352-5 高速布爾量處理模塊是基于FPGA 的邏輯門電路，可以對布爾、字節、字和雙字進行處理，不能對浮點數進行處理。其硬件如圖3 所示，左側是8 位輸入量和8 位輸出量，均為布爾量。右側是指示燈，右側下方還有四個輸入，用于接編碼器，讀取編碼器的相位信息，需要插入微型儲存卡，通過背板總線與CPU 進行通信。

圖3 FM352 模塊

3.3 高速閥模塊

使用DIGITRONIC 公司的閥驅動器，使用MURRELEKT RONIK 公司的濾波器，使用WAGO 公司的接線端子，構建高速閥驅動系統，在電磁閥收到PLC 指令的開啟指令時瞬間提供一個較高的開啟電壓，保證閥開啟動作的實時性[7]。高速閥驅動系統建立的目的是為了使閥門快速打開。在常規的工業控制中，執行器的動作過程需要經過一個慣性環節，例如閥門打開，實際工作情況是閥門收到開啟信號，電磁閥的施加電壓從0V 增加到一個數值，閥門打開。而從0V 到設定數值這個過程直接決定了閥門響應的速度。該高速閥驅動系統在閥門開啟的瞬間給電磁閥施加一個超過380V 的電壓，使閥門迅速打開。這才可與剔除系統的處理速度相匹配。

4 系統軟件設計

4.1 FM352模塊接口設計

FM352 模塊輸入/輸出信號包括編碼器的A 脈沖、Z 脈沖、不合格濾棒剔除信號、剔除鼓輪剔除信號，這些數據通過硬線接入FM352 的I/O 端口，供該軟件采集后進行分析和使用。#DIN[5]通過硬線接收來自監測系統的不合格濾棒剔除信號，#DIN[9]通過編碼器專用線采集編碼器的A 脈沖信號。#DIN[11]通過編碼器專用線檢測編碼器Z 脈沖信號。#DOUT[1]通過硬線直接連接到高速閥上。具體接口如表1所示。

表1 數據輸入接口數據表

4.2 CPU 與352模塊通信接口

S7-300 CPU 315-2 PN/DP 與FM352 模塊通信數據通過OB1 中的接口程序完成數據交換。#CPU_IN.DBX[11]用于標記剔除閥剔除失敗的情況；#CPU_IN.DBX[12]用于標記編碼器當前脈沖大于128；#CPU_IN.DBX[14]是Z 脈沖的指示信號，352 模塊讀取編碼器信息后通過#CPU_IN.DBX[14]輸出到CPU 中；#CPU_IN.DBW8 將352 模塊讀取的編碼器當前脈沖信號輸出到CPU 中；#CPU_OUT.DBB5 和#CPU_OUT.DBW8 用于設定剔除閥門的開啟角度和關斷角度，#CPU_OUT.DBW0 和#CPU_OUT.DBW2 用于設定剔除信號的掃描開啟和關斷相位，該數據通過界面寫入CPU，再通過主程序OB1 中的接口模塊傳送到352 模塊中；#CPU_OUT.DBX0[17]用于開啟剔除功能，#CPU_OUT.DBX0[19]是測試功能，均由界面寫入CPU 模塊，再通過接口程序傳送到352 模塊。通信數據表見表2。

表2 通信數據表

4.3 程序規劃設計

廢品檢測剔除是該控制系統的核心算法，也是保證產品質量的關鍵技術，一個廢品濾棒剔除的流程圖如圖4 所示。

圖4 廢品檢測剔除流程圖

在高速運行的濾棒成型過程中，采集刀頭編碼器的脈沖信號，將一根濾棒細分為128 個A 脈沖信號和1 個Z 脈沖信號。以此作為程序的設計基準。廢品的剔除信號是在濾棒的中間部位獲取的，其角度為若干個脈沖信號；成型機掃描剔除信號采用全周期掃描（具體的開啟和關斷時間可在屏幕中設定，該應用場景下建議選取全周期掃描），其開啟角度為128 個脈沖；剔除閥建立在高速閥驅動系統中，其打開角度應在濾棒的中間部分，約若干個脈沖信號，可在屏幕中設定，才保證剔除動作準確；同時，檢測信號獲取位置與剔除閥動作位置存在一個固定路徑，采用移位寄存器模擬該延遲的路徑，用編碼器的Z 脈沖作為移位寄存器的移位出發信號，移位寄存器的移位路徑時信號獲取位置與剔除位置的距離，并將其折算成濾棒的支數（用距離除以濾棒長度即可得到濾棒數量），將剔除閥門的動作信號作為移位寄存器的復位信號。

5 結語

針對濾棒成型機在高速運行狀態下不合格濾棒的單支剔除問題，將西門子S7-300 315-2 PN/DP 作為中央處理器集成使用FM352 運算剔除算法，利用編碼器采集刀頭位置信息并輸出脈沖信號，使用高速閥作為執行裝置，設計了基于FM352 移位寄存器的濾棒成型機單支剔除控制系統。經實踐驗證，該控制系統具備可行性和推廣價值。