楊步充 李 柯

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

濾棒成型設(shè)備用于生產(chǎn)香煙的過濾嘴，是煙草制造行業(yè)的重要設(shè)備[1]?，F(xiàn)有的成型設(shè)備速度達(dá)到500m/min，如何在高速狀態(tài)下保證濾棒質(zhì)量成了濾棒成型設(shè)備的重要研究內(nèi)容。剔除功能的作用是保證產(chǎn)品質(zhì)量，在傳統(tǒng)的剔除算法中，為完成剔除任務(wù)，設(shè)計(jì)的剔除個(gè)數(shù)大于實(shí)際需要剔除的個(gè)數(shù)，剔除效率不高、算法設(shè)計(jì)難度較低[2]。此外，對執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求不高。而該控制系統(tǒng)描述的是精準(zhǔn)的單支剔除操作，程序設(shè)計(jì)剔除個(gè)數(shù)等于實(shí)際需要剔除的個(gè)數(shù)，極大地提高了剔除效率。這對算法的精準(zhǔn)性、控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度都提出了極高的要求，是該控制系統(tǒng)的難點(diǎn)和亮點(diǎn)。

1 問題描述

剔除功能[3]是成品濾棒質(zhì)量的重要保障。當(dāng)生產(chǎn)的濾棒經(jīng)過質(zhì)量檢測系統(tǒng)時(shí)，判定出濾棒不合格，剔除系統(tǒng)需要在極短的時(shí)間內(nèi)剔除該濾棒。但是該剔除動作的完成面臨如下三個(gè)關(guān)鍵問題：1） 現(xiàn)有的濾棒成型設(shè)備生產(chǎn)速度高達(dá)500 m/min，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下完成不合格濾棒的跟蹤和剔除，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jù)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，濾棒質(zhì)量檢測系統(tǒng)與剔除執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不是安裝在一起的，兩者之間存在物理的延遲路徑。當(dāng)濾棒到達(dá)剔除閥并完成剔除動作后，如何模擬這個(gè)固定的路徑成為該控制系統(tǒng)的核心問題。

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

剔除功能均為高精度的核心技術(shù)，其功能的實(shí)現(xiàn)需要編碼器技術(shù)輔助。成型機(jī)旋轉(zhuǎn)刀頭對成型且連續(xù)的濾棒束進(jìn)行分切，刀頭旋轉(zhuǎn)一圈切出兩根等長的濾棒。將編碼器鎖緊在成型機(jī)刀頭電機(jī)上，刀頭電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生256 相的編碼器脈沖信號，于是刀頭旋轉(zhuǎn)一圈切出兩支濾棒產(chǎn)生兩個(gè)Z 脈沖信號，每支濾棒被分成了128 個(gè)A 脈沖信號。剔除信號的接收位置與其動作位存在一個(gè)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(gè)數(shù)；以刀頭編碼器脈沖為引導(dǎo)，利用移位寄存器指令，一個(gè)Z 脈沖到來，移位寄存器工作一次，延遲固定的脈沖數(shù)后，濾棒到達(dá)剔除位置，驅(qū)動高速閥裝置，完成剔除動作[4]。

2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由CPU 模塊、FM352 功能模塊、濾棒質(zhì)量檢測系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、刀頭編碼器和高速閥執(zhí)行系統(tǒng)組成。人機(jī)界面HMI 用于設(shè)定剔除相關(guān)參數(shù)，如剔除種類、剔除開啟關(guān)斷、剔除測試等；濾棒檢測系統(tǒng)用于監(jiān)控運(yùn)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(cuò)誤、復(fù)合棒切割相位偏差等問題，并輸出剔除信號。剔除系統(tǒng)需要接受來自檢測系統(tǒng)的剔除信號，并與人機(jī)交互系統(tǒng)建立通信，進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，通過硬線連接執(zhí)行裝置，驅(qū)動高速閥完成剔除動作。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 CPU 模塊

S7-300 CPU 315-2 PN/DP作為中央處理器運(yùn)行控制程序，如圖2 所示。它是一款經(jīng)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(yè)控制場合，它帶384 kB 工作存儲器，1 個(gè)MPI/DP 12Mbit/s 接口和2 個(gè)以太網(wǎng)PROFINET接口，帶雙端口交換機(jī)，需要微型存儲卡。選用帶有MPI接口的是因?yàn)樵O(shè)備常規(guī)動作的閥島等通過DP 線路與CPU通信；濾棒監(jiān)測系統(tǒng)通過以太網(wǎng)（ethernet ）將數(shù)據(jù)傳送到CPU，需要預(yù)留出一個(gè)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(shí)因?yàn)镻LC 程序中已經(jīng)選定了具體的型號，所以硬件務(wù)必與之匹配；與此相似的是，在 I/O 模塊和中斷模塊選型時(shí)，也要注意程序中的選型與實(shí)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(huán)掃描的方式采集檢測系統(tǒng)輸入的剔除和采樣信號，其運(yùn)算速度完全滿足對高速運(yùn)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(jié)、字和雙字進(jìn)行處理，不能對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理。其硬件如圖3 所示，左側(cè)是8 位輸入量和8 位輸出量，均為布爾量。右側(cè)是指示燈，右側(cè)下方還有四個(gè)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(jìn)行通信。

圖3 FM352 模塊

3.3 高速閥模塊

使用DIGITRONIC 公司的閥驅(qū)動器，使用MURRELEKT RONIK 公司的濾波器，使用WAGO 公司的接線端子，構(gòu)建高速閥驅(qū)動系統(tǒng)，在電磁閥收到PLC 指令的開啟指令時(shí)瞬間提供一個(gè)較高的開啟電壓，保證閥開啟動作的實(shí)時(shí)性[7]。高速閥驅(qū)動系統(tǒng)建立的目的是為了使閥門快速打開。在常規(guī)的工業(yè)控制中，執(zhí)行器的動作過程需要經(jīng)過一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，例如閥門打開，實(shí)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(gè)數(shù)值，閥門打開。而從0V 到設(shè)定數(shù)值這個(gè)過程直接決定了閥門響應(yīng)的速度。該高速閥驅(qū)動系統(tǒng)在閥門開啟的瞬間給電磁閥施加一個(gè)超過380V 的電壓，使閥門迅速打開。這才可與剔除系統(tǒng)的處理速度相匹配。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 FM352模塊接口設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)通過硬線接入FM352 的I/O 端口，供該軟件采集后進(jìn)行分析和使用。#DIN[5]通過硬線接收來自監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)輸入接口數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過OB1 中的接口程序完成數(shù)據(jù)交換。#CPU_IN.DBX[11]用于標(biāo)記剔除閥剔除失敗的情況；#CPU_IN.DBX[12]用于標(biāo)記編碼器當(dāng)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(dāng)前脈沖信號輸出到CPU 中；#CPU_OUT.DBB5 和#CPU_OUT.DBW8 用于設(shè)定剔除閥門的開啟角度和關(guān)斷角度，#CPU_OUT.DBW0 和#CPU_OUT.DBW2 用于設(shè)定剔除信號的掃描開啟和關(guān)斷相位，該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表見表2。

表2 通信數(shù)據(jù)表

4.3 程序規(guī)劃設(shè)計(jì)

廢品檢測剔除是該控制系統(tǒng)的核心算法，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，一個(gè)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(yùn)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(xì)分為128 個(gè)A 脈沖信號和1 個(gè)Z 脈沖信號。以此作為程序的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。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(gè)脈沖信號；成型機(jī)掃描剔除信號采用全周期掃描（具體的開啟和關(guān)斷時(shí)間可在屏幕中設(shè)定，該應(yīng)用場景下建議選取全周期掃描），其開啟角度為128 個(gè)脈沖；剔除閥建立在高速閥驅(qū)動系統(tǒng)中，其打開角度應(yīng)在濾棒的中間部分，約若干個(gè)脈沖信號，可在屏幕中設(shè)定，才保證剔除動作準(zhǔn)確；同時(shí)，檢測信號獲取位置與剔除閥動作位置存在一個(gè)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(fā)信號，移位寄存器的移位路徑時(shí)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(shù)（用距離除以濾棒長度即可得到濾棒數(shù)量），將剔除閥門的動作信號作為移位寄存器的復(fù)位信號。

5 結(jié)語

針對濾棒成型機(jī)在高速運(yùn)行狀態(tài)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(yùn)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(zhí)行裝置，設(shè)計(jì)了基于FM352 移位寄存器的濾棒成型機(jī)單支剔除控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)具備可行性和推廣價(jià)值。