探析極速控制技術(shù)在煙支重量控制及質(zhì)量檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用
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作者：鄭曉敏
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。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(shí)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。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(gè)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(dòng)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(shí)產(chǎn)生的256個(gè)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(shí)重量值作A/D轉(zhuǎn)換，即可得到一根雙倍長煙的256個(gè)重量信息�？刂葡到y(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(shí)，依據(jù)此256個(gè)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(huì)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(dòng)／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�？刂葡到y(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(dòng)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(shí)，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(gè)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(gè)同步盤和兩個(gè)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(gè)凸齒，外排有1個(gè)凸齒，分別與兩個(gè)接近開關(guān)對應(yīng)。同步盤隨機(jī)器主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度為煙支生產(chǎn)速度的一半，即同步盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對應(yīng)鼓輪的一個(gè)槽位。第一個(gè)同步傳感器為每個(gè)鼓輪槽位提供16個(gè)同步脈沖，第二個(gè)同步傳感器為每個(gè)鼓輪提供一個(gè)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(shí)性分析
當(dāng)機(jī)組運(yùn)行速度為8 000支/min時(shí)，重量控制A/D轉(zhuǎn)換每個(gè)采樣點(diǎn)的周期為60/(4 000×256)（單位：s），即58爐；質(zhì)量檢測每個(gè)采樣點(diǎn)的周期為60/(4 000 x16)(單位：s)，即937爐。可見對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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。
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(shí)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(dòng)化軟件。采用XFC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)I/O響應(yīng)時(shí)間≤100us。另外，結(jié)合超采樣及時(shí)間戳技術(shù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)lMHz的采樣頻率（l ns掃描周期）。XFC技術(shù)使得控制系統(tǒng)采樣時(shí)間和響應(yīng)時(shí)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(shí)以太網(wǎng)性能卓越，30 us內(nèi)即可更新1 000個(gè)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(shí)鐘功能能夠?yàn)椴蓸狱c(diǎn)提供精度達(dá)1 ns的時(shí)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IntelCeleron l.4 GHz處理器，Windows CE操作系統(tǒng)，運(yùn)行TwinCAT實(shí)時(shí)內(nèi)核，其運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)可配置4個(gè)PLC多任務(wù)，PLC任務(wù)支持最快50uS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 -IX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(shí)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(EI3702)。超采樣功能意味著模塊在采集信號時(shí)可以Ⅳ倍于總線循環(huán)時(shí)間，并且每個(gè)微周期，模塊可以產(chǎn)生一個(gè)包含過程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)等），可使用EL2008模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件。
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(shí)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(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口及自動(dòng)化信息路由器等組成。實(shí)時(shí)服務(wù)器提供了一種精確的時(shí)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(shí)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100us掃描周期，慢速任務(wù)采用200us掃描周期。
上位機(jī)與下位機(jī)通信采用TwinCAT自動(dòng)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(shí)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EI3702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(chǔ)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(shí)間戳數(shù)據(jù)。之后利用此時(shí)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(shí)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(gè)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。
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。
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(dòng)化新技術(shù)應(yīng)用到如PASSIM8000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。
4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(shí)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。
