一種濾棒輸送裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳培園

（許昌煙草機(jī)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(jī)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(jī)公司研發(fā)的多元復(fù)合濾棒成型機(jī)組ZL45，可以實(shí)現(xiàn)兩元或者三元濾棒的復(fù)合，生產(chǎn)速度可達(dá)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(dòng)化需求，提出“濾棒卸盤（盒）機(jī)+濾棒輸送裝置”的組合方案，實(shí)現(xiàn)濾棒由盤（盒）到多元復(fù)合濾棒成型機(jī)ZL45的自動(dòng)化輸送功能，提高整條生產(chǎn)線的工作效率。

改型設(shè)計(jì)一種濾棒輸送裝置，其承擔(dān)著將卸盤（盒）機(jī)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(dòng)系統(tǒng)等。在實(shí)際運(yùn)行過程中，伺服電機(jī)帶動(dòng)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(yùn)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(jī)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(dòng)，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(dòng)；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(jìn)行速度調(diào)節(jié)。傳動(dòng)部分均采用鏈條和齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率更高，傳動(dòng)更精確。

圖1 機(jī)組流程示意圖

1.2 濾棒輸送裝置工藝流程

濾棒裝置啟動(dòng)后，處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)濾棒輸送裝置檢測到卸盤（盒）機(jī)啟動(dòng)且存在濾棒時(shí)，水平輸送段開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將濾棒輸送到提升部分入口料位檢測處，當(dāng)濾棒層高達(dá)到設(shè)定值時(shí)，提升部分及高位輸送部分開始運(yùn)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(jìn)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(shí)際需求，特設(shè)計(jì)濾棒首次充料和停產(chǎn)時(shí)排空的功能。卷煙企業(yè)首次生產(chǎn)，在上游卸盤機(jī)啟動(dòng)后，下游多元復(fù)合濾棒設(shè)備首次啟動(dòng)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(shí)多元復(fù)合濾棒設(shè)備的速度為零，設(shè)備運(yùn)行速度自動(dòng)切換到手動(dòng)速度，并以手動(dòng)設(shè)定的速度進(jìn)行濾棒的填充，直至料倉達(dá)到滿位時(shí)停止待機(jī)。多元復(fù)合濾棒設(shè)備啟動(dòng)后，濾棒輸送裝置運(yùn)行速度自動(dòng)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(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需將供料裝置通道及料倉內(nèi)的濾棒完全排空。此時(shí)，可使用供料裝置全部排空功能，因?yàn)椴辉偬峁┬碌臑V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(yùn)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(shí)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(fèi)。

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(dòng)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(fù)反饋控制系統(tǒng)，它將目標(biāo)值與實(shí)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(jìn)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(dòng)穩(wěn)定性，減少濾棒傾斜的概率。

料倉料位補(bǔ)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(jì)算得出料庫擋板實(shí)際位置與其零位的誤差，此誤差在最佳料位范圍之外時(shí)，通過PID控制對供料裝置進(jìn)行相應(yīng)的加減速處理[3]。人機(jī)界面設(shè)置PID對應(yīng)參數(shù)，調(diào)試時(shí)，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和參數(shù)控制規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)，隨時(shí)進(jìn)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(shí)時(shí)曲線波動(dòng)，確定初步的PID參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果可隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，達(dá)到良好的控制效果。

圖3 料倉料位補(bǔ)償過程

2.2 濾棒輸送速度計(jì)算

濾棒輸送裝置對ZL45多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度進(jìn)行采集與跟蹤。在實(shí)際運(yùn)行中，實(shí)時(shí)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(zhǔn)。從水平輸送段取料開始，供料裝置各段的電機(jī)采用逐級傳遞的方式。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行效果，可逐個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)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(jī)多元復(fù)合濾棒設(shè)備速度共同作用調(diào)節(jié)整個(gè)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(shí)時(shí)誤差位置微調(diào)整個(gè)裝置的輸送速度，達(dá)到供料與耗料的相對平衡。工控機(jī)通過總線系統(tǒng)對各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)濾棒的平穩(wěn)輸送、連續(xù)跟蹤和補(bǔ)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(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方式如公式（1）和（2）所示。首先計(jì)算出輸送鏈板線速度（單位：mm/s），再根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)關(guān)系計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)行速度（單位：r/min）。公式（2）中，輪徑為主動(dòng)輪直徑，傳動(dòng)比=從動(dòng)輪/主動(dòng)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(jī)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(dòng)器通信實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制，確保伺服電機(jī)快速、準(zhǔn)確地完成裝置各段的工藝動(dòng)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(jìn)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(shí)可以控制設(shè)備的調(diào)試和生產(chǎn)活動(dòng)[4-6]。配置交換機(jī)可用于與上層信息系統(tǒng)互聯(lián)。各個(gè)電氣元器件通用性強(qiáng)，系統(tǒng)具有較好的兼容性和可擴(kuò)展性，維護(hù)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(jìn)的EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)器在倍福TwinCAT中配置，電機(jī)及其控制采用伺服控制系統(tǒng)，各個(gè)電機(jī)的速度均由各自的軸模塊控制，并由倍福工控機(jī)通過總線系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制[7]。

圖5 電控系統(tǒng)連接圖

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)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(jī)程序進(jìn)行通信。應(yīng)用時(shí)，將HMI程序文件拷貝至倍福工控機(jī)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(jī)自啟動(dòng)。系統(tǒng)上電后，上位機(jī)界面可直觀地表達(dá)出濾棒輸送裝置的各種運(yùn)行和故障狀態(tài)，顯示并自動(dòng)記錄運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了復(fù)合濾棒生產(chǎn)線高速自動(dòng)化，提高了整條生產(chǎn)線的有效作業(yè)率。