摘  要：德國(guó)斯幕門公司提供的卷煙包裝機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行十多年后出現(xiàn)了不少問(wèn)題，已不能夠適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，故采用以貝加萊的PCC和伺服控制器為主的設(shè)備來(lái)對(duì)其進(jìn)行改造。改造后，設(shè)備的運(yùn)行效率、系統(tǒng)可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量均有明顯提高，還節(jié)省了維修費(fèi)用。 

1  引言

隨著煙草制造業(yè)重組的日益深化以及中國(guó)2009年開(kāi)始將實(shí)施國(guó)際《煙草控制框架公約》等外在影響，煙草行業(yè)正面臨著空前的壓力和挑戰(zhàn)。 為了適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)形勢(shì)，煙草包裝廠商也在不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，很多煙草設(shè)備急需改造，希望改造后的設(shè)備控制系統(tǒng)速度更快、精度更高、性能更穩(wěn)定。

BO型卷煙包裝機(jī)是德國(guó)斯幕門公司20世紀(jì)90年代早期推出的產(chǎn)品，用于卷煙小盒軟盒包裝，包裝質(zhì)量穩(wěn)定。但是經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)行，其電控系統(tǒng)不同程度地出現(xiàn)元器件陳舊老化，故障率逐年遞增的問(wèn)題。其中，控制系統(tǒng)采用的工業(yè)計(jì)算機(jī)的各種板卡已被淘汰；交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器早已過(guò)時(shí)，其控制方式也不夠合理；應(yīng)用程序?qū)τ脩舨煌该鳎S護(hù)困難等。為此，決定對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

雖然客戶提出了非?？量痰募夹g(shù)需求，然而，貝加萊的PCC以其應(yīng)對(duì)復(fù)雜控制的整體化集成能力贏得了客戶的信任，成功地完成了該改造項(xiàng)目的實(shí)施。

2  生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求

工藝對(duì)控制系統(tǒng)的性能提出了較高的要求，主要包括以下：

（1）每分鐘包裝450包，要求編碼器可檢測(cè)到任何角度，不允許丟失，這就要求PCC的最快任務(wù)周期應(yīng)小于370us。

（2） 對(duì)于所有的角度檢測(cè)傳感器的檢測(cè)值，要求保存5圈之內(nèi)的任何角度的狀態(tài)數(shù)據(jù)。如20個(gè)傳感器，需要保存 20*5*360=36000個(gè)數(shù)據(jù)（每度保存一個(gè)數(shù)據(jù)）。

（3） 對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器，要求能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的電子凸輪(CAM) 同步功能。

（4）對(duì)于改造設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)減速比為非整數(shù)的電子齒輪功能。

（5）支持熱插拔功能

要求I/O模塊支持”熱插拔”功能，以便現(xiàn)場(chǎng)能夠?qū)δK進(jìn)行在線診斷和在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的條件下對(duì)其中的某些故障電氣元件實(shí)施更換。

（6）支持OPCServer功能

（i）要求主控通過(guò)OPC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)在工控機(jī)安裝OPC軟件可以與所有上下位機(jī)進(jìn)行通訊與數(shù)據(jù)采集；

（ii）貝加萊提供OPC Server (PVI OPC)及測(cè)試工具；

（iii）OPC是工控領(lǐng)域（軟件之間的）標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)范；

（iv）PVI OPC支持2.0(兼容1.0)；PVI OPC支持包括數(shù)組在內(nèi)的14種數(shù)據(jù)格式。

3  控制系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1  貝加萊控制產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

在這個(gè)項(xiàng)目中，B&R硬件的靈活性、豐富性贏得了客戶的認(rèn)可，在這里主要介紹項(xiàng)目中的幾個(gè)關(guān)鍵硬件應(yīng)用。

（1）高速任務(wù)處理：B&R 2005 CPU380處理器的任務(wù)周期可以達(dá)到200us，完全滿足快速包裝對(duì)于角度的檢測(cè)和報(bào)警的判斷。

（2）大容量存儲(chǔ)能力：64kB的變量分配內(nèi)存，如需要可動(dòng)態(tài)分配，64MB SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)滿足工藝參數(shù)存儲(chǔ)需要。

（3）擁有一體化集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Automation Studio和多語(yǔ)言開(kāi)發(fā)功能：支持梯形圖、語(yǔ)句表、結(jié)構(gòu)文本、功能塊圖等IEC61131標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言和ANCI C、Automation Basic高級(jí)語(yǔ)言。

（4）靈活的伺服功能：可以實(shí)現(xiàn)各種伺服運(yùn)動(dòng)控制和電子齒輪電子凸輪控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修改數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)切斷跟隨動(dòng)作等強(qiáng)大靈活的功能。

（5）特殊傳感器檢測(cè)：有些傳感器會(huì)產(chǎn)生200us長(zhǎng)度，一定頻率的脈沖用來(lái)表示傳感器狀態(tài)，X20DI2377模塊可以檢測(cè)該信號(hào)，最短可以檢測(cè)到10us。

（6）完整的產(chǎn)品線：B&R為系統(tǒng)提供了完整的靈活配置選擇。觸摸屏有性能漸次提高的PP100，PP200，PP300，PP400等系列，上位顯示變量可以達(dá)到50ms刷新。下位機(jī)有2003、2005和X20系列控制器。還有伺服驅(qū)動(dòng)器、同步伺服電機(jī)、工控機(jī)（APC）等產(chǎn)品。

3.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置如圖1所示。該系統(tǒng)從下至上主要由運(yùn)動(dòng)控制單元（伺服驅(qū)動(dòng)控制）、主控制器PCC和上位觸摸屏三大部分構(gòu)成。PCC與其X20擴(kuò)展I/O模塊通過(guò)X2X總線連接，并通過(guò)Ethernet與上位觸摸屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；PCC還通過(guò)Ethernet POWERLINK總線與1臺(tái)主軸變頻器和3臺(tái)伺服控制器通訊。

系統(tǒng)主控制器采用貝加萊2005系列PCC的CPU （CP380），其主頻500 MHz ，最小循環(huán)任務(wù)時(shí)間200us，用于讀取主機(jī)編碼器角度，主軸編碼器采用9位絕對(duì)式編碼器，使用DI486.6-1模塊讀取，主機(jī)轉(zhuǎn)速450轉(zhuǎn)/分時(shí)，可以對(duì)每一度進(jìn)行采樣，并判斷各種報(bào)警。主機(jī)所有檢測(cè)角度均為具體角度，沒(méi)有采用角度范圍。主機(jī)可以對(duì)22個(gè)傳感器5個(gè)周期的每一度的狀態(tài)進(jìn)行保存，便于用戶修改檢測(cè)角度。

上位面板使用15寸PP320觸摸屏。鋁合金外框，正面IP65防護(hù)，主頻500 MHz。主機(jī)本身帶有7個(gè)本地模塊，通過(guò)X2X接口擴(kuò)展了14個(gè)遠(yuǎn)程X20模塊（如圖1所示）。主機(jī)除控制一臺(tái)主軸變頻器以外，還控制三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器——兩臺(tái)用于控制鋁紙盤，另一臺(tái)控制出口皮帶。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置圖

3.3  控制系統(tǒng)工作原理概述 

主軸電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，連接一個(gè)外接編碼器，出口皮帶跟隨這個(gè)外接編碼器運(yùn)行。為了減小可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差，采用了格雷余碼式編碼器，使用了9根導(dǎo)線。這樣我們檢測(cè)到的角度只有0-359度，方便后續(xù)信號(hào)的角度檢測(cè)及判斷。

格雷碼的特點(diǎn)是每?jī)蓚€(gè)碼之間只有一個(gè)位的改變，格雷余碼是格雷碼的子集，采用了格雷余碼后可在76-435之間循環(huán)，對(duì)應(yīng)角度在0-359度之間。 如76的格雷碼是001 101 010，而435的格雷碼為101 101 010，兩者切換時(shí)只變化一位，符合格雷碼的特點(diǎn)，而0與360的格雷碼相差不止一位，切換時(shí)就可能出錯(cuò)。凡是分辨率不是2的n次方的，都需要采用格雷余碼形式，因此它具有傳輸和抗干擾方面的優(yōu)勢(shì)。

兩臺(tái)送鋁紙的伺服控制采用速度閉環(huán)控制，由PCC主機(jī)通過(guò)Ethernet POWERLINK發(fā)出基本給定速度，通過(guò)微小的給定速度差值來(lái)控制兩臺(tái)伺服的速度，以保持鋁紙的一定張力。當(dāng)煙包不需要鋁紙的時(shí)候，要對(duì)伺服減速以防止送料過(guò)多張力變化。該設(shè)備裝設(shè)有一個(gè)擺桿，可以左右擺動(dòng)以穩(wěn)定張力。通過(guò)模擬量輸入讀入擺桿的位置，采用PID閉環(huán)來(lái)控制送鋁紙伺服的速度。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候，所有的傳感器在要求檢測(cè)的角度進(jìn)行檢測(cè)，如果不符合條件表示煙包不合格，需要記錄其狀態(tài)，通知后續(xù)給料也要相互對(duì)應(yīng)，不合格的煙包不能繼續(xù)給料。同時(shí)，為了方便操作人員設(shè)定檢測(cè)角度，需要對(duì)傳感器的5圈以內(nèi)的所有角度檢測(cè)值進(jìn)行保存，以方便查看。有時(shí)高速與低速的檢測(cè)角度也不一樣，需要仔細(xì)觀察才能找到比較合適的檢測(cè)角度，如果不能記錄下來(lái)，那么就需要調(diào)試人員有較多的經(jīng)驗(yàn)。

該設(shè)備還有幾路溫度控制，測(cè)溫元件使用了三線接法的熱電阻，消除了導(dǎo)線電阻帶來(lái)的誤差。貝加萊有多種專門控制溫度的PID，可以方便地實(shí)現(xiàn)控制并自動(dòng)優(yōu)化溫控參數(shù)。

3.4  運(yùn)動(dòng)控制單元的功能

該包煙機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制包括鋁紙盤（采用2臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器）和出口皮帶的控制。圖2示出了鋁紙盤伺服控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理方框圖，圖3則為出口皮帶伺服控制示意圖。

圖2  鋁紙盤伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理方框圖

圖3  出口皮帶伺服控制示意圖

（1）出口皮帶是電子凸輪運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有煙包出來(lái)的時(shí)候跟隨推桿一起向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒(méi)有煙包出來(lái)的時(shí)候不動(dòng)作，同時(shí)有一手動(dòng)按鈕可以控制出口皮帶一直運(yùn)動(dòng)。出口皮帶起始運(yùn)動(dòng)角度，結(jié)束運(yùn)動(dòng)角度，每次步長(zhǎng)均可以動(dòng)態(tài)修改。（設(shè)備運(yùn)行中修改并生效）

（2）鋁紙盤的伺服速度由主機(jī)發(fā)送，主機(jī)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行速度和鋁紙盤擺桿位置，計(jì)算出應(yīng)該運(yùn)行速度，發(fā)送給伺服。

4  關(guān)鍵技術(shù)要素

在其他煙草設(shè)備改造中碰到的主要問(wèn)題是伺服同步，要求沒(méi)有煙的時(shí)候不運(yùn)動(dòng)，打破同步關(guān)系后自動(dòng)復(fù)位。例如德國(guó)某煙草包裝DT設(shè)備，送鋁紙伺服控制要點(diǎn)如下：

（1） 減速器減速比43*53/11/33 = 6.278 無(wú)法除盡，為了保證主軸每轉(zhuǎn)一圈伺服跟隨距離沒(méi)有累計(jì)誤差，所以需要按照減速比設(shè)定伺服編碼器參數(shù)。對(duì)于貝加萊的伺服，我們有專門的參數(shù)可以設(shè)定伺服單位，這樣伺服會(huì)自動(dòng)計(jì)算，保證每有累計(jì)誤差。

（2）送鋁紙時(shí)是電子齒輪工作方式，當(dāng)下一包無(wú)煙的時(shí)候，需要減速進(jìn)入電子凸輪，然后停止。在有煙的時(shí)候加速進(jìn)入電子凸輪，進(jìn)入同步，下一包還有煙再一次進(jìn)入電子齒輪。并且要考慮所有跳轉(zhuǎn)的反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程。貝加萊的伺服可以保證這些跳轉(zhuǎn)的快速與正確。

（3） 當(dāng)用戶按下手動(dòng)按鈕，耦合關(guān)系被破壞，為了保證下一包依然準(zhǔn)確包裝，需要先走到當(dāng)前應(yīng)當(dāng)開(kāi)始的位置然后啟動(dòng)CAM（cam_restart）,伺服內(nèi)部保存了應(yīng)當(dāng)走到的位置，保證了當(dāng)前包的正確包裝。

（4） 使用了補(bǔ)償軸。由于主軸編碼器的安裝位置距離真正送鋁紙機(jī)構(gòu)有較長(zhǎng)距離，機(jī)械上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與速度成正比的偏差，導(dǎo)致了鋁紙快速與慢速時(shí)長(zhǎng)短有1-2度的誤差，增加補(bǔ)償后使得該誤差明顯變小。如果有檢測(cè)裝置，那么可以精確地加入這部分的補(bǔ)償，消除機(jī)械帶來(lái)的誤差。

5  結(jié)語(yǔ)

改造后設(shè)備運(yùn)行效率明顯提高，由于檢測(cè)速度極大提高，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，使得不良品率明顯降低。重新設(shè)計(jì)的畫面較之以前的更加美觀，易于學(xué)習(xí)操作。并且由于系統(tǒng)的可靠性大大提高，節(jié)省了該系統(tǒng)的維修費(fèi)用。