應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)改造ZJ19卷接機(jī)組電控系統(tǒng)

王向東 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南省許昌市工農(nóng)路南段經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)461000

應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)改造ZJ19卷接機(jī)組電控系統(tǒng)

王向東 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南省許昌市工農(nóng)路南段經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)461000

介紹了應(yīng)用PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、總線、觸摸屏等現(xiàn)代技術(shù)，重新設(shè)計(jì)卷煙機(jī)電控系統(tǒng)，提高電控系統(tǒng)地先進(jìn)性、可靠性和提高運(yùn)行速度，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的控制系統(tǒng)。

應(yīng)用；PLC；工業(yè)計(jì)算機(jī)；改造；電控系統(tǒng)Abstract This article gives an introduction for the application of the PLC, the industrial computer, the bus, the touch screen and so on the modern technology，the electric control system has been redesigned, the advanced performance, reliability of the electric control system have improved and its operating speed has enhanced as well. This forms the advanced control system with the self-determination intellectual property rights (IPR).

1 概述

煙草制造業(yè)是自動(dòng)化生產(chǎn)水平較高的行業(yè)，但長(zhǎng)期以來我國(guó)的卷煙廠對(duì)高檔高速卷接機(jī)組一直依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)煙草機(jī)械生產(chǎn)廠家也是以引進(jìn)國(guó)外技術(shù)進(jìn)行仿制生產(chǎn)為主。根據(jù)國(guó)家提出的“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展思想，許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司運(yùn)用當(dāng)今工控領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，對(duì)引進(jìn)英國(guó)MOLINS公司技術(shù)生產(chǎn)的ZJ19卷接機(jī)組電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZJ19B電控系統(tǒng)。

ZJ19卷接機(jī)組電氣控制系統(tǒng)屬于國(guó)際二十世紀(jì)八十年代后期產(chǎn)品，雖經(jīng)過多年的國(guó)產(chǎn)化和局部技術(shù)改進(jìn)，整機(jī)性能有了一定的提高，但機(jī)組控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)基本是沿襲外方技術(shù)，在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出了不完善之處。煙草制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理過程的信息化，原有電控系統(tǒng)難以滿足這種要求。因此，廣大煙廠對(duì)新型卷接機(jī)組需求迫切。

2 項(xiàng)目方案的確定

ZJ19B電控系統(tǒng)作為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的卷接機(jī)組電控系統(tǒng)的升級(jí)換代產(chǎn)品,將改變國(guó)內(nèi)煙機(jī)電控系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴并落后于國(guó)外技術(shù)的狀況，并為舊機(jī)型的升級(jí)改造提供一條現(xiàn)實(shí)可行的道路，減少同類產(chǎn)品的進(jìn)口，更好地滿足煙廠的需求，在進(jìn)行廣泛的市場(chǎng)調(diào)研和技術(shù)交流的基礎(chǔ)上，確定了ZJ19B電控系統(tǒng)中主控制系統(tǒng)、工控機(jī)、人機(jī)界面、重量控制系統(tǒng)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等架構(gòu)。

在充分考慮煙草機(jī)械電控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和廣大煙廠用戶實(shí)際需求的基礎(chǔ)上,確定采用S7-300PLC和SIEMENS工業(yè)計(jì)算機(jī)為主控制，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，適應(yīng)生產(chǎn)速度8000～10000支/分，以工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC為核心，實(shí)現(xiàn)煙支卷接過程的自動(dòng)控制和機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)完成煙支重量控制、煙支質(zhì)量在線檢測(cè)，改造后的控制系統(tǒng)原理見圖1。

在分析原系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)思想和控制算法中存在不足的基礎(chǔ)上，吸取國(guó)外同類先進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)思想, 采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、SPC3智能通訊芯片、工控組態(tài)軟件、FPGA及高性能單片機(jī)（PIC系列）等多項(xiàng)當(dāng)今工控領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品，且主要由軟件來完成計(jì)算、控制與通訊功能以簡(jiǎn)化系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)過程中借助MATLAB和MAXPLUS等先進(jìn)的算法和電路設(shè)計(jì)仿真軟件，提高工作效率和科學(xué)性。新電控系統(tǒng)采用12塊電路板和1臺(tái)工控機(jī)完成了過去近40塊電路板才能完成功能，并新增了人機(jī)界面和煙支緊頭跟蹤等功能，系統(tǒng)更加完善。

3 ZJ19B電控系統(tǒng)的總體性能

ZJ19B電控系統(tǒng)通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線有機(jī)地結(jié)合為一體，各部分之間的聯(lián)系簡(jiǎn)單直接，配置實(shí)現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快和危險(xiǎn)分散，便于集中管理，大大提高系統(tǒng)的可靠性，有利于系統(tǒng)將來的進(jìn)一步升級(jí)。另外，新電控系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線可以方便地接入網(wǎng)絡(luò)，可以為用戶今后組建自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CIMS打下基礎(chǔ)。

圖1 主控制系統(tǒng)組成框圖

進(jìn)口PASSIM8000的人機(jī)界面是基于WINDOWS3.1操作系統(tǒng)、利用C語言編制而成的專用軟件，雖然也采用了PROFIBUS總線技術(shù)，但其僅局限于主PLC與上位工控機(jī)之間的通訊。煙支重量控制系統(tǒng)與煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)同上位機(jī)之間通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)。

ZJ19B電控系統(tǒng)在某些方面已經(jīng)超越了進(jìn)口PASSIM8000，電控系統(tǒng)的人機(jī)界面基于WINDOWS2000，利用專業(yè)的工業(yè)組態(tài)軟件編制。組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，各種控件豐富，非常便于系統(tǒng)功能的升級(jí)。另外系統(tǒng)只應(yīng)用了PROFIBUS一種總線就將系統(tǒng)各主要功能單元聯(lián)系在了一起，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

4 ZJ19B重量控制、質(zhì)量檢測(cè)和人機(jī)界面系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

4.1 重量控制系統(tǒng)

重量控制系統(tǒng)對(duì)于提高煙支質(zhì)量、降低煙支空頭率和煙絲消耗具有重要作用。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分吸收了英國(guó)MOLINS公司的MAID-N1.4重量控制系統(tǒng)和德國(guó)HAUNI公司的SRM煙支重量系統(tǒng)的計(jì)算公式和控制思想，以提高控制精度和可靠性。其突出特點(diǎn)就是采用了高精度A/D采樣技術(shù)并以DSP（Digital Signal Process）進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件組成并以軟件完成主要功能。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)處理的專用處理器，目前已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。所選用DSP的運(yùn)算速度比計(jì)算機(jī)還快（浮點(diǎn)運(yùn)算可達(dá)90億次/秒）。

DSP系統(tǒng)可在機(jī)組高速運(yùn)行的狀態(tài)下（單支煙及增量脈沖周期最短分別可達(dá)6 ms和46.8μs），完成單支煙的重量計(jì)算、重量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)超重、超輕、竹節(jié)煙支和緊頭密度故障煙支的檢測(cè)、剔除與計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)（包括采樣）等功能，除此之外，還新增了以下一些新功能和特點(diǎn)：

a) 煙支緊頭位置自動(dòng)跟蹤，可以降低煙支空頭率。系統(tǒng)響應(yīng)速度較快（可在64支煙內(nèi)完成判斷），并可通過人機(jī)界面的選擇，實(shí)現(xiàn)6槽或3槽劈刀的控制。

b) 煙支緊頭位置曲線的顯示和緊頭位置手動(dòng)校準(zhǔn)。無論軸編碼器的初始相位如何，通過手動(dòng)校準(zhǔn)都能夠準(zhǔn)確地補(bǔ)償初相位的偏差，從而省去了煩瑣的初相位對(duì)位過程，提高了系統(tǒng)使用的靈活性。

c) 劈刀電機(jī)、緊頭電機(jī)加電時(shí)間、重量緩沖長(zhǎng)度、重量采樣長(zhǎng)度的調(diào)整功能。本系統(tǒng)劈刀控制采用逐次逼近方式，劈刀加電時(shí)間可以通過人機(jī)界面在0～255ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)并可以改變計(jì)算煙支平均重量的煙支數(shù)。用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整以上參數(shù)，直到達(dá)到最佳控制效果。此功能可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并防止形成“震蕩”。

d) 系統(tǒng)診斷和測(cè)試功能。在人機(jī)界面的硬件診斷頁面，可對(duì)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中的一些由外部或內(nèi)部信號(hào)異常進(jìn)行顯示和告警；并可通過人機(jī)界面上的有關(guān)按鈕開關(guān)對(duì)執(zhí)行器件如劈刀、放射源快門及剔除閥進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，提高了系統(tǒng)的可維修性。

e) 煙支重量分布圖和分布趨勢(shì)圖，可以直觀地觀察煙支重量的分布情況，從而能夠直接觀察煙支重量控制系統(tǒng)的控制效果。

f) 煙支標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯示。

通過以上技術(shù)措施ZJ19B重量控制系統(tǒng)的性能有了較大提高，即使在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下，煙支的標(biāo)準(zhǔn)偏差也有所下降。

4.2 煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的主要作用就是檢測(cè)煙支質(zhì)量，并將不合格煙支剔除，其目的是保證最終生產(chǎn)的卷煙滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

ZJ19B煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)采用負(fù)壓稀釋度檢測(cè)、紅外光電檢測(cè)原理，由高性能PIC單片機(jī)（哈佛流水線操作、內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換、EPROM、RAM等）為控制核心，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，主要由軟件完成計(jì)算、控制與通訊。大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，縮小了設(shè)備體積并能方便直觀地完成控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。

4.2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

a) 煙支稀釋度、空頭和端部故障檢測(cè)和計(jì)數(shù)；

b) 雙倍煙支高速剔除，包括盤紙拼接、水松紙拼接、缺嘴煙支檢測(cè)和剔除；

c) 廢品剔除站高速剔除；

d) 采樣剔除站高速剔除；

4.2.2 與原系統(tǒng)相比，質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的新增功能

a) 煙支稀釋度和空頭曲線：系統(tǒng)能夠在人機(jī)界面上顯示內(nèi)外排煙支稀釋度和空頭曲線，便于用戶觀察和故障判斷。

b) 壞封口定位：檢測(cè)鼓輪上的橡皮封口長(zhǎng)期使用會(huì)變形或磨損，以至于影響檢測(cè)效果。系統(tǒng)能夠通過新增的定位脈沖采用軟件方法判斷出壞封口所在的具體位置，并在人機(jī)界面上直觀地指示出來，便于維護(hù)與保養(yǎng)。

圖2 人機(jī)界面組成框圖

4.3 人機(jī)界面

ZJ19B電控系統(tǒng)的人機(jī)界面主要完成機(jī)組控制參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及對(duì)機(jī)組工作點(diǎn)進(jìn)行故障診斷、功能測(cè)試，其內(nèi)容豐富，界面友好直觀，這將極大提高對(duì)機(jī)組運(yùn)行過程的監(jiān)控功能，便于煙廠用戶的使用和設(shè)備維護(hù)、管理。其主要由西門子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、液晶顯示器、觸摸屏、視頻信號(hào)分頻器組成，其基本組成如圖2所示，人機(jī)界面具有以下功能及特點(diǎn)：

4.3.1 InTouch組態(tài)軟件的運(yùn)用

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)控制設(shè)備和過程監(jiān)控設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中被廣泛使用，傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件無論在開發(fā)、維護(hù)上還是在人員管理上都已無法滿足生產(chǎn)需求：開發(fā)周期長(zhǎng)、使用率低、通用性差、難于修改和維護(hù)，而且價(jià)格昂貴。于是，人們開始尋求一種通用的工業(yè)自動(dòng)比組態(tài)軟件來解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的問題，使用戶能夠根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的進(jìn)行組態(tài)，完成各種自動(dòng)化控制的任務(wù). 在80年代后期，美國(guó)Wonderware公司率先推出第一套基于Windows的監(jiān)控組態(tài)軟件Intouch，獲得巨大的成功。監(jiān)控組態(tài)軟件具有通用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。使用組態(tài)軟件縮短了人機(jī)界面的研制周期，便于系統(tǒng)升級(jí)。

4.3.2 SIEMENS工控機(jī)

SIEMENS工控機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成、穩(wěn)定可靠等特性，并具有網(wǎng)絡(luò)連接功能。其獨(dú)有的懸掛硬盤解決了振動(dòng)對(duì)硬盤讀寫的影響。

4.3.3 雙屏顯示

為了便于操作人員觀察機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和操作，在卷煙機(jī)臺(tái)和接裝機(jī)出煙口處分別安裝了兩臺(tái)顯示器和觸摸屏，電控系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)置、顯示頁面的選擇可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)；人機(jī)界面還能夠顯示機(jī)組故障信息，并計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)，取代并完善了故障顯示器的功能。

5 結(jié)語

近年來國(guó)家對(duì)卷煙制品的生產(chǎn)實(shí)行了以銷定產(chǎn)、限量銷售的政策，因此卷煙廠加大了高檔卷煙的生產(chǎn)比例并采用一切手段來提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低原輔材料消耗，對(duì)新購(gòu)設(shè)備提出了更高的性能要求，同時(shí)加大舊設(shè)備的改造力度，客觀上為新型電控系統(tǒng)的研制生產(chǎn)和銷售提供了有利條件。ZJ19B電控系統(tǒng)的開發(fā)成功將提高機(jī)組整機(jī)性能和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的需要，其技術(shù)還可在其它同類設(shè)備上推廣使用，由此可以推動(dòng)國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)卷接設(shè)備的更新?lián)Q代，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，將會(huì)創(chuàng)造可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

Upgrade the Electric Control System of ZJ19 Cigarette Making & Plug Assembling Combination by Application of the

Advanced Control Technology Wang Xiangdong Xuchang Tobacco Machinery Co., Ltd. Xuchang, Henan, P.R. China 461000

Application; PLC; Industrial Computer; Rebuild; Electric Control System

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.093

王向東，1968-，本科，工學(xué)士，許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司工程師，主要從事煙草機(jī)械的設(shè)計(jì)開發(fā)與制造工作。