極速控制技術在煙支重量控制及質量檢測系統中的應用

Application of the Extreme Fast Control Technology in Weight Control and Quality Inspection System for Cigarettes

郭　銳1　吳小娥2　楊　旭1

(中國科學院沈陽自動化研究所第五研究室1，遼寧 沈陽　110179；寶雞文理學院計算機科學系2，陜西 寶雞　721007)

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極速控制技術在煙支重量控制及質量檢測系統中的應用

Application of the Extreme Fast Control Technology in Weight Control and Quality Inspection System for Cigarettes

郭銳1吳小娥2楊旭1

(中國科學院沈陽自動化研究所第五研究室1，遼寧 沈陽110179；寶雞文理學院計算機科學系2，陜西 寶雞721007)

摘要：PASSIM卷接機組煙支重量控制及質量檢測系統一般采用電路板設計方式，因其故障率高，而不易檢修維護和備件組織，不適應現代煙廠發展的需求。為解決以上問題，詳細分析了設備的工作原理，并設計了基于Beckhoff XFC極速控制技術的新型控制系統。系統使用PLC為控制器，通過超采樣技術實現了控制系統對信號微秒級的采樣周期，保證了控制系統的實時性；PLC控制器與上位機使用TwinCAT ADS方式進行通信。該控制系統將新技術引入老機型，實現了PASSIM機型控制系統器件全部通用化。

關鍵詞：卷煙廠現場總線伺服驅動PLC質量檢測控制系統邏輯控制TCP/IP技術

Abstract：The weight control and quality inspection system of raw cigarettes equipped in PASSIM machine is not suitable for the development needs of the modern cigarette factories because it was designed with circuit boards, thus features high fault rate, uneasy repair and maintenance and spare parts organization. To solve these problems, the working principle of equipment is analyzed in detail, and a new control system has been designed based on Beckhoff extreme fast control technology. The system employs PLC as the controller; the microsecond signal sampling period of the control system is achieved through oversampling technology, which ensures the real-time performance of the control system. The communication between PLC and host computer is conducted using TwinCAT ADS mode. This control system brings new technologies into the old model of machine, which realizes the generalization of all the components in control system of PASSIM machine.

Keywords:Cigarettes factoryFieldbusServo drivePLCQuality inspectionControl systemLogic controlTCP/IP technology

0引言

PASSIM卷接機組是20世紀90年代初引進英國MOLINS公司的高速卷接設備，該機型在國內各卷煙廠得到了廣泛使用。PASSIM卷接機組在2000 年后大多進行了電控系統升級改造，引入了上位機管理系統、Siemens S7系列PLC、工業現場控制總線和伺服驅動等技術，使電控系統的穩定性、可擴展性及可維護性上了一個新的水平。但其煙支重量控制及質量檢測部分由于受到控制技術的制約，控制系統硬件依然采用電路板機箱的設計方式，存在系統結構復雜、與主控系統通信困難、抗干擾性差、故障率較高、維修備件不便等諸多問題。PASSIM卷接機組在使用過程中還有著比較明顯的誤剔、漏剔現象，直接影響到卷煙產品的質量和原材料的消耗[1]。雖然在一些設備上更新了基于DSP技術的控制系統，解決了通信困難和實時性較差的問題，但其設計思想仍為定制電路板機架模式，煙廠在設備維護及備件組織方面依舊存在相當大的困難[2]。為解決上述問題，本文分析了煙支重量控制系統和煙支質量檢測系統的生產工藝及控制原理，并重新設計了基于倍福XFC極速控制技術的煙支重量控制及煙支質量檢測系統，從而實現了PASSIM卷接機組電控系統均采用通用器件，以適應卷煙廠高效生產、方便維護的需求。

1重量控制及質量檢測系統分析

1.1重量控制系統控制工藝

重量控制系統實現煙支重量控制和緊頭位置控制功能。卷煙機刀頭后裝有一個256線分辨率編碼器，用以產生機組的同步脈沖信號，且機械傳動保證了刀頭每轉一圈正好對應一根雙倍長煙，這樣安裝于刀頭后的旋轉編碼器的Z項脈沖即對應雙倍長煙條脈沖(end of rod pulse,ERP)。將同時產生的256個A項脈沖作為同步采樣點對微波源輸出的煙條實時重量值作A/D轉換，即可得到一根雙倍長煙的256個重量信息。控制系統對采集到的重量信息點進行累加、平均計算，得到雙倍長煙的重量。將雙倍長煙實測重量與設定重量進行比較，并相應地調整平準盤高度以控制煙支重量在設定范圍。同時，依據此256個重量信息點亦可計算出內、外排煙的重量及緊頭位置等信息，通過緊頭位置信息相應地調整緊頭電機，即可實現對煙支緊頭的控制。

1.2質量檢測系統控制工藝

卷接機組在正常生產過程中會產生各種不合格煙支，這些煙支必須在適當的位置準確地加以剔除才能保證機組的正常運行和產品質量。剔除的煙支包括雙倍長煙支(如啟動/停機剔除、缺濾嘴煙剔除、盤紙/水松紙拼接頭剔除)和單倍長煙支(如重量控制系統剔除和煙支檢測系統發現的空頭、缺嘴、稀釋度缺陷剔除)。

準確剔除的關鍵是保證接裝機同步脈沖的準確捕獲。控制系統根據同步脈沖對接裝機各鼓輪槽位進行準確的跟蹤和定位，并根據機械傳動計算出從檢測位置到剔除位置之間經過的槽位數，在煙支到達設定的剔除位置時，向剔除電磁閥發出控制信號，電磁閥接通壓縮空氣將該煙支從剔除點吹離鼓輪槽位，從而完成整個剔除過程。

接裝機同步脈沖是由安裝在接裝機后面的同步裝置產生的。同步裝置由一個同步盤和兩個接近開關組成。同步盤上有內外兩排凸齒，其中內排有16個凸齒，外排有1個凸齒，分別與兩個接近開關對應。同步盤隨機器主傳動運動，旋轉速度為煙支生產速度的一半，即同步盤轉動一圈對應鼓輪的一個槽位。第一個同步傳感器為每個鼓輪槽位提供16個同步脈沖，第二個同步傳感器為每個鼓輪提供一個同步脈沖。這樣，通過同步裝置即可實現對一鼓輪槽位16位分辨率的同步檢測。

1.3控制系統實時性分析

當機組運行速度為8 000支/min時，重量控制A/D轉換每個采樣點的周期為60/(4 000×256) (單位：s)，即58 μs；質量檢測每個采樣點的周期為60/(4 000×16)(單位：s)，即937 μs。可見對控制系統的實時性有很高要求，而普通PLC控制器掃描周期一般為10～20 ms，顯然不能達到高速處理要求的掃描周期[3]。

倍福的XFC技術基于高效的控制和通信架構，包括高性能工業PC、帶有實時特性的超高速I/O端子模塊、EtherCAT高速工業以太網系統和TwinCAT自動化軟件。采用XFC技術，可以實現I/O響應時間≤100 μs。另外，結合超采樣及時間戳技術，系統可實現最高達1 MHz的采樣頻率(1 ns掃描周期)。XFC技術使得控制系統采樣時間和響應時間大幅縮短，同步脈沖及各輸入量的采集更加準確，保證了煙支重量控制、廢品剔除更加精確，大大提高了卷煙機生產效率。

2控制系統設計

2.1控制系統網絡結構設計

控制系統采用基于EtherCAT技術的主站/從站網絡結構，主站負責處理單支煙質量檢測功能，從站負責處理煙支重量控制功能。EtherCAT實時以太網性能卓越，30 μs內即可更新1 000個I/O，且所有I/O組件都可直接集成到EtherCAT通信系統中。另外EtherCAT具備的分布式時鐘功能能夠為采樣點提供精度達1 ns的時間戳標志，利用此項技術使得信號能夠被事后跟蹤，從而實現精確同步功能。

控制系統主站使用Beckhoff CX-2020 CPU模塊，執行煙支重量控制和單支煙質量檢測的過程數據采集、運算及邏輯控制功能。CX-2020采用第二代Intel Celeron 1.4 GHz處理器，Windows CE操作系統，運行TwinCAT實時內核，其運行時間系統可配置4個PLC多任務，PLC任務支持最快50 μs的程序掃描周期。在編程語言上支持符合IEC 61131-3標準的通用編程語言，如IL、FBD、LD、SFC、ST。

控制系統主站通過EtherCAT總線擴展端子模塊EK1110將E-Bus信號轉換為100BASE-TX以太網信號，并通過EtherCAT耦合器EK1100將來自100BASE-TX以太網的傳遞報文轉換成為E總線信號，實現對從站EtherCAT端子的擴展。

2.2控制系統硬件配置設計

由實時性分析可知，控制系統對煙支重量信號的A/D轉換，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(EL3702)。超采樣功能意味著模塊在采集信號時可以N倍于總線循環時間，并且每個微周期，模塊可以產生一個包含過程數據和數據采集時間戳的數據包。這樣控制系統對重量信號的A/D轉換就不完全依賴于PLC掃描周期的快慢，大大提高了PLC控制系統對信號的采樣頻率，同時也極大地減少了PLC控制器的系統占用率。

對于狀態變化相對不是很快的慢速數字量信號(如缺嘴、缺煙條、拼接頭檢測、好煙計數、手動剔除等)，控制系統可采用普通DI模塊(EL1008)以系統掃描周期進行采集。慢速模擬量信號(如空頭、稀釋度等)，再經過相應電路板處理轉換為-10～+10 V標準電壓信號后，可使用普通AI模塊(EL3102)以系統掃描周期進行采集。

輸出類信號(如劈刀升降、煙支剔除、空頭驅動等)，可使用EL2008模塊驅動執行器件[4-5]。

2.3控制系統軟件設計

作為XFC控制技術的重要組成部分，TwinCAT軟件系統由實時服務器、系統控制器、系統工具箱、 PLC系統、I/O系統、自動化設備規范接口及自動化信息路由器等組成。實時服務器提供了一種精確的時基，程序能夠以最高的確定性被執行，并獨立于其他處理器任務。系統控制器具有顯示運行程序負荷及設置負荷臨界值的能力，能夠確保運行程序和 Windows NT/2000/XP 達到規定運算能力，以實現預定的操作性能。

為了保證煙支重量數據的準確采集和不良煙支的準確剔除，并且考慮CPU實時性載荷，充分利用TwinCAT可多任務處理的特點，將控制程序分為快速任務(如信號采集)和慢速任務(邏輯控制、參數設置、控制算法等)以及不同的優先級。其中快速任務采用100 μs掃描周期，慢速任務采用200 μs掃描周期。

上位機與下位機通信采用TwinCAT自動化設備規范(automation device specification，ADS)方式。TwinCAT ADS基于TCP/IP技術，它為設備之間的通信提供路由，用于實現Beckhoff PLC之間、PLC與第三方應用程序之間的數據通信。上位機用于監控PLC的工作狀態，修改產品參數，以及煙支的實時重量、緊頭曲線和不合格煙的剔除統計等信息的顯示。

煙支重量的高速A/D轉換采用具有超采樣功能的EL1262和EL3702模塊實現。在TwinCAT系統中，超采樣采集回來的數字量和模擬量數據存儲在相應的結構數組中。程序在每一掃描周期首先讀取數字量結構數組中的數據，判斷出A項上升沿并得到上升沿的時間戳數據。之后利用此時間戳數據檢索出模擬量結構數組中具有相同時間戳數據的模擬量值。最后一支倍長煙采集上來的256個重量點，經過數字濾波處理，擬合成近似煙支密度曲線。根據密度曲線，應用復合PID算法，控制直流電機對劈刀盤進行升降控制和超前滯后同步控制，達到對重量、緊頭調整的目的。重量信號A/D轉換流程如圖1所示。

圖1　煙支重量信號A/D轉換流程圖

質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。

圖2　煙支質量檢測流程圖

3結束語

基于XFC極速控制技術的煙支重量控制及質量檢測系統的開發，將自動化新技術應用到如PASSIM 8000機型中，成功取代了該機型中最后一處使用電路板方式的控制系統，完善了該機型的控制系統，使其控制系統各單元均實現了器件的通用化，符合卷煙廠高效生產、方便維護的需求。該重量控制及質量檢測系統已經在陜西中煙公司寶雞卷煙廠成功投入使用，現場反饋煙支重量控制穩定、缺陷煙剔除的準確率大大提高，具有廣泛的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 謝林軍,安靖,高潔,等. PASSIM卷接機組新型電控系統的設計與實現[J]. 煙草科技,2009(4) :25-26．

[2] 杜勁松,高潔. 基于DSP的煙支在線檢測及調整系統[J]. DSP開發與應用, 2007(23): 167-171.

[3] 張明琰. 基于IPC的Beckhoff-CX1020 PLC在ZJ17卷煙機上的應用[J]. 工業控制計算機, 2013(2): 107-108.

[4] 周靜紅.歐姆龍3G3MV變頻器多段速控制在手動泵壓力測試系統上的應用.數字技術與應用，2011(10)：101-102.

[5] 彭峋. 基于IPC的高速煙支質量檢測系統設計實現[J]. 工業儀表與自動化裝置,2013(3): 42-44.

中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602007

修改稿收到日期：2015-01-06。

第一作者郭銳(1981-)，男，2007年畢業于東北大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，副研究員；主要從事工業自動化控制系統開發的研究。