楊步充 李 柯
(許昌煙草機械有限責任公司,河南 許昌 461000)
濾棒成型設備用于生產(chǎn)香煙的過濾嘴,是煙草制造行業(yè)的重要設備[1]。現(xiàn)有的成型設備速度達到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,設計的剔除個數(shù)大于實際需要剔除的個數(shù),剔除效率不高、算法設計難度較低[2]。此外,對執(zhí)行系統(tǒng)的響應速度要求不高。而該控制系統(tǒng)描述的是精準的單支剔除操作,程序設計剔除個數(shù)等于實際需要剔除的個數(shù),極大地提高了剔除效率。這對算法的精準性、控制系統(tǒng)的響應速度都提出了極高的要求,是該控制系統(tǒng)的難點和亮點。
剔除功能[3]是成品濾棒質(zhì)量的重要保障。當生產(chǎn)的濾棒經(jīng)過質(zhì)量檢測系統(tǒng)時,判定出濾棒不合格,剔除系統(tǒng)需要在極短的時間內(nèi)剔除該濾棒。但是該剔除動作的完成面臨如下三個關鍵問題:1) 現(xiàn)有的濾棒成型設備生產(chǎn)速度高達500 m/min,在高速運行的狀態(tài)下完成不合格濾棒的跟蹤和剔除,對執(zhí)行機構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)設備的機械結構,濾棒質(zhì)量檢測系統(tǒng)與剔除執(zhí)行機構并不是安裝在一起的,兩者之間存在物理的延遲路徑。當濾棒到達剔除閥并完成剔除動作后,如何模擬這個固定的路徑成為該控制系統(tǒng)的核心問題。
剔除功能均為高精度的核心技術,其功能的實現(xiàn)需要編碼器技術輔助。成型機旋轉刀頭對成型且連續(xù)的濾棒束進行分切,刀頭旋轉一圈切出兩根等長的濾棒。將編碼器鎖緊在成型機刀頭電機上,刀頭電機旋轉一圈產(chǎn)生256 相的編碼器脈沖信號,于是刀頭旋轉一圈切出兩支濾棒產(chǎn)生兩個Z 脈沖信號,每支濾棒被分成了128 個A 脈沖信號。剔除信號的接收位置與其動作位存在一個固定的路徑,該路徑的路程除以濾棒的長度換算成Z 脈沖的個數(shù);以刀頭編碼器脈沖為引導,利用移位寄存器指令,一個Z 脈沖到來,移位寄存器工作一次,延遲固定的脈沖數(shù)后,濾棒到達剔除位置,驅(qū)動高速閥裝置,完成剔除動作[4]。
該系統(tǒng)由CPU 模塊、FM352 功能模塊、濾棒質(zhì)量檢測系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、刀頭編碼器和高速閥執(zhí)行系統(tǒng)組成。人機界面HMI 用于設定剔除相關參數(shù),如剔除種類、剔除開啟關斷、剔除測試等;濾棒檢測系統(tǒng)用于監(jiān)控運動中的濾棒,用于鑒別不合格濾棒的種類,如基棒缺失、基棒排列順序錯誤、復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,并與人機交互系統(tǒng)建立通信,進行操作和數(shù)據(jù)交換。同時,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
S7-300 CPU 315-2 PN/DP作為中央處理器運行控制程序,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MPI/DP 12Mbit/s 接口和2 個以太網(wǎng)PROFINET接口,帶雙端口交換機,需要微型存儲卡。選用帶有MPI接口的是因為設備常規(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,需要預留出一個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,在選型時因為PLC 程序中已經(jīng)選定了具體的型號,所以硬件務必與之匹配;與此相似的是,在 I/O 模塊和中斷模塊選型時,也要注意程序中的選型與實際硬件一定要匹配。
圖2 西門子CPU
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,其運算速度完全滿足對高速運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)、字和雙字進行處理,不能對浮點數(shù)進行處理。其硬件如圖3 所示,左側是8 位輸入量和8 位輸出量,均為布爾量。右側是指示燈,右側下方還有四個輸入,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 進行通信。
圖3 FM352 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 指令的開啟指令時瞬間提供一個較高的開啟電壓,保證閥開啟動作的實時性[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)過一個慣性環(huán)節(jié),例如閥門打開,實際工作情況是閥門收到開啟信號,電磁閥的施加電壓從0V 增加到一個數(shù)值,閥門打開。而從0V 到設定數(shù)值這個過程直接決定了閥門響應的速度。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。
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
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]用于標記剔除閥剔除失敗的情況;#CPU_IN.DBX[12]用于標記編碼器當前脈沖大于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前脈沖信號輸出到CPU 中;#CPU_OUT.DBB5 和#CPU_OUT.DBW8 用于設定剔除閥門的開啟角度和關斷角度,#CPU_OUT.DBW0 和#CPU_OUT.DBW2 用于設定剔除信號的掃描開啟和關斷相位,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
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)量的關鍵技術,一個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,將一根濾棒細分為128 個A 脈沖信號和1 個Z 脈沖信號。以此作為程序的設計基準。廢品的剔除信號是在濾棒的中間部位獲取的,其角度為若干個脈沖信號;成型機掃描剔除信號采用全周期掃描(具體的開啟和關斷時間可在屏幕中設定,該應用場景下建議選取全周期掃描),其開啟角度為128 個脈沖;剔除閥建立在高速閥驅(qū)動系統(tǒng)中,其打開角度應在濾棒的中間部分,約若干個脈沖信號,可在屏幕中設定,才保證剔除動作準確;同時,檢測信號獲取位置與剔除閥動作位置存在一個固定路徑,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位信號。
針對濾棒成型機在高速運行狀態(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,設計了基于FM352 移位寄存器的濾棒成型機單支剔除控制系統(tǒng)。經(jīng)實踐驗證,該控制系統(tǒng)具備可行性和推廣價值。