一種卷煙包裝機(jī)控制系統(tǒng)

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1、文檔供參考，可復(fù)制、編制，期待您的好評(píng)與關(guān)注！ 一種卷煙包裝機(jī)控制系統(tǒng) 劉柏嚴(yán) 周曉霞 （貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司） 摘 要：德國(guó)斯幕門(mén)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。 該文主要介紹改造的卷煙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的工藝需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置、工作原理以及實(shí)施改造中的關(guān)鍵技術(shù)要素。 關(guān)鍵詞：卷煙包裝機(jī)；控制系統(tǒng)；技術(shù)改造；PCC；伺服控制 中圖分類號(hào)：

2、 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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(mén)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

3、合理；應(yīng)用程序?qū)τ脩舨煌该?，維護(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

4、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

5、.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

6、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

7、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

8、.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(pán)，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

9、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

10、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)

11、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(mén)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(pán)（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(pán)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(pán)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

12、）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(pán)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(pán)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

13、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(mén)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）

14、 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(huà)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。 作者簡(jiǎn)介 劉柏嚴(yán) 男， 1979年出生，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司技術(shù)工程師。 周曉霞 女， 1966年出生，貝加萊

15、工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部市場(chǎng)支持。 貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化是一家全球性自動(dòng)化領(lǐng)導(dǎo)廠商，專業(yè)致力于創(chuàng)新自動(dòng)化前沿技術(shù)，總部位于奧地利，目前已在全球60個(gè)國(guó)家設(shè)立了分支機(jī)構(gòu)，擁有155個(gè)辦事處。“完美自動(dòng)化”與“您的全球自動(dòng)化合作伙伴”是貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的使命與追求。 1996年8月，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司正式落戶中國(guó)上海，本地化的銷(xiāo)售與精湛的技術(shù)隊(duì)伍為中國(guó)客戶帶來(lái)更迅捷的服務(wù)響應(yīng)。十幾年來(lái)，貝加萊（中國(guó)）一直專注于為國(guó)內(nèi)用戶提供高品質(zhì)的自動(dòng)化全線產(chǎn)品和優(yōu)秀的技術(shù)解決方案?，F(xiàn)在，貝加萊的產(chǎn)品和方案已廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機(jī)床、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)；以及過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，如電力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行業(yè)。目前，貝加萊產(chǎn)品已通過(guò)ISO 9001、UL、TüV、GOST-R等國(guó)際認(rèn)證，產(chǎn)品質(zhì)量、性能等受到了用戶的普遍贊譽(yù)，贏得了信譽(yù)。如今，貝加萊（中國(guó)）已成立了北京、廣州、濟(jì)南、西安、成都和沈陽(yáng)辦事處，上海及各辦事處建立了完備的技術(shù)培訓(xùn)中心，以及分布在全國(guó)的大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。 如發(fā)表或轉(zhuǎn)載此篇新聞稿，請(qǐng)告知 lin.wang@br- 8 / 8