极速控制技术在烟支重量控制及质量检测系统中的应用

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

郭　锐1　吴小娥2　杨　旭1

(中国科学院沈阳自动化研究所第五研究室1，辽宁 沈阳　110179；宝鸡文理学院计算机科学系2，陕西 宝鸡　721007)



极速控制技术在烟支重量控制及质量检测系统中的应用

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

郭锐1吴小娥2杨旭1

(中国科学院沈阳自动化研究所第五研究室1，辽宁 沈阳110179；宝鸡文理学院计算机科学系2，陕西 宝鸡721007)

摘要：PASSIM卷接机组烟支重量控制及质量检测系统一般采用电路板设计方式，因其故障率高，而不易检修维护和备件组织，不适应现代烟厂发展的需求。为解决以上问题，详细分析了设备的工作原理，并设计了基于Beckhoff XFC极速控制技术的新型控制系统。系统使用PLC为控制器，通过超采样技术实现了控制系统对信号微秒级的采样周期，保证了控制系统的实时性；PLC控制器与上位机使用TwinCAT ADS方式进行通信。该控制系统将新技术引入老机型，实现了PASSIM机型控制系统器件全部通用化。

关键词：卷烟厂现场总线伺服驱动PLC质量检测控制系统逻辑控制TCP/IP技术

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卷接机组是20世纪90年代初引进英国MOLINS公司的高速卷接设备，该机型在国内各卷烟厂得到了广泛使用。PASSIM卷接机组在2000 年后大多进行了电控系统升级改造，引入了上位机管理系统、Siemens S7系列PLC、工业现场控制总线和伺服驱动等技术，使电控系统的稳定性、可扩展性及可维护性上了一个新的水平。但其烟支重量控制及质量检测部分由于受到控制技术的制约，控制系统硬件依然采用电路板机箱的设计方式，存在系统结构复杂、与主控系统通信困难、抗干扰性差、故障率较高、维修备件不便等诸多问题。PASSIM卷接机组在使用过程中还有着比较明显的误剔、漏剔现象，直接影响到卷烟产品的质量和原材料的消耗[1]。虽然在一些设备上更新了基于DSP技术的控制系统，解决了通信困难和实时性较差的问题，但其设计思想仍为定制电路板机架模式，烟厂在设备维护及备件组织方面依旧存在相当大的困难[2]。为解决上述问题，本文分析了烟支重量控制系统和烟支质量检测系统的生产工艺及控制原理，并重新设计了基于倍福XFC极速控制技术的烟支重量控制及烟支质量检测系统，从而实现了PASSIM卷接机组电控系统均采用通用器件，以适应卷烟厂高效生产、方便维护的需求。

1重量控制及质量检测系统分析

1.1重量控制系统控制工艺

重量控制系统实现烟支重量控制和紧头位置控制功能。卷烟机刀头后装有一个256线分辨率编码器，用以产生机组的同步脉冲信号，且机械传动保证了刀头每转一圈正好对应一根双倍长烟，这样安装于刀头后的旋转编码器的Z项脉冲即对应双倍长烟条脉冲(end of rod pulse,ERP)。将同时产生的256个A项脉冲作为同步采样点对微波源输出的烟条实时重量值作A/D转换，即可得到一根双倍长烟的256个重量信息。控制系统对采集到的重量信息点进行累加、平均计算，得到双倍长烟的重量。将双倍长烟实测重量与设定重量进行比较，并相应地调整平准盘高度以控制烟支重量在设定范围。同时，依据此256个重量信息点亦可计算出内、外排烟的重量及紧头位置等信息，通过紧头位置信息相应地调整紧头电机，即可实现对烟支紧头的控制。

1.2质量检测系统控制工艺

卷接机组在正常生产过程中会产生各种不合格烟支，这些烟支必须在适当的位置准确地加以剔除才能保证机组的正常运行和产品质量。剔除的烟支包括双倍长烟支(如启动/停机剔除、缺滤嘴烟剔除、盘纸/水松纸拼接头剔除)和单倍长烟支(如重量控制系统剔除和烟支检测系统发现的空头、缺嘴、稀释度缺陷剔除)。

准确剔除的关键是保证接装机同步脉冲的准确捕获。控制系统根据同步脉冲对接装机各鼓轮槽位进行准确的跟踪和定位，并根据机械传动计算出从检测位置到剔除位置之间经过的槽位数，在烟支到达设定的剔除位置时，向剔除电磁阀发出控制信号，电磁阀接通压缩空气将该烟支从剔除点吹离鼓轮槽位，从而完成整个剔除过程。

接装机同步脉冲是由安装在接装机后面的同步装置产生的。同步装置由一个同步盘和两个接近开关组成。同步盘上有内外两排凸齿，其中内排有16个凸齿，外排有1个凸齿，分别与两个接近开关对应。同步盘随机器主传动运动，旋转速度为烟支生产速度的一半，即同步盘转动一圈对应鼓轮的一个槽位。第一个同步传感器为每个鼓轮槽位提供16个同步脉冲，第二个同步传感器为每个鼓轮提供一个同步脉冲。这样，通过同步装置即可实现对一鼓轮槽位16位分辨率的同步检测。

1.3控制系统实时性分析

当机组运行速度为8 000支/min时，重量控制A/D转换每个采样点的周期为60/(4 000×256) (单位：s)，即58 μs；质量检测每个采样点的周期为60/(4 000×16)(单位：s)，即937 μs。可见对控制系统的实时性有很高要求，而普通PLC控制器扫描周期一般为10～20 ms，显然不能达到高速处理要求的扫描周期[3]。

倍福的XFC技术基于高效的控制和通信架构，包括高性能工业PC、带有实时特性的超高速I/O端子模块、EtherCAT高速工业以太网系统和TwinCAT自动化软件。采用XFC技术，可以实现I/O响应时间≤100 μs。另外，结合超采样及时间戳技术，系统可实现最高达1 MHz的采样频率(1 ns扫描周期)。XFC技术使得控制系统采样时间和响应时间大幅缩短，同步脉冲及各输入量的采集更加准确，保证了烟支重量控制、废品剔除更加精确，大大提高了卷烟机生产效率。

2控制系统设计

2.1控制系统网络结构设计

控制系统采用基于EtherCAT技术的主站/从站网络结构，主站负责处理单支烟质量检测功能，从站负责处理烟支重量控制功能。EtherCAT实时以太网性能卓越，30 μs内即可更新1 000个I/O，且所有I/O组件都可直接集成到EtherCAT通信系统中。另外EtherCAT具备的分布式时钟功能能够为采样点提供精度达1 ns的时间戳标志，利用此项技术使得信号能够被事后跟踪，从而实现精确同步功能。

控制系统主站使用Beckhoff CX-2020 CPU模块，执行烟支重量控制和单支烟质量检测的过程数据采集、运算及逻辑控制功能。CX-2020采用第二代Intel Celeron 1.4 GHz处理器，Windows CE操作系统，运行TwinCAT实时内核，其运行时间系统可配置4个PLC多任务，PLC任务支持最快50 μs的程序扫描周期。在编程语言上支持符合IEC 61131-3标准的通用编程语言，如IL、FBD、LD、SFC、ST。

控制系统主站通过EtherCAT总线扩展端子模块EK1110将E-Bus信号转换为100BASE-TX以太网信号，并通过EtherCAT耦合器EK1100将来自100BASE-TX以太网的传递报文转换成为E总线信号，实现对从站EtherCAT端子的扩展。

2.2控制系统硬件配置设计

由实时性分析可知，控制系统对烟支重量信号的A/D转换，如果仅仅依靠PLC的扫描周期显然不能满足控制工艺要求。因此，有必要选用带超采样功能的DI模块(EL1262)和AI模块(EL3702)。超采样功能意味着模块在采集信号时可以N倍于总线循环时间，并且每个微周期，模块可以产生一个包含过程数据和数据采集时间戳的数据包。这样控制系统对重量信号的A/D转换就不完全依赖于PLC扫描周期的快慢，大大提高了PLC控制系统对信号的采样频率，同时也极大地减少了PLC控制器的系统占用率。

对于状态变化相对不是很快的慢速数字量信号(如缺嘴、缺烟条、拼接头检测、好烟计数、手动剔除等)，控制系统可采用普通DI模块(EL1008)以系统扫描周期进行采集。慢速模拟量信号(如空头、稀释度等)，再经过相应电路板处理转换为-10～+10 V标准电压信号后，可使用普通AI模块(EL3102)以系统扫描周期进行采集。

输出类信号(如劈刀升降、烟支剔除、空头驱动等)，可使用EL2008模块驱动执行器件[4-5]。

2.3控制系统软件设计

作为XFC控制技术的重要组成部分，TwinCAT软件系统由实时服务器、系统控制器、系统工具箱、 PLC系统、I/O系统、自动化设备规范接口及自动化信息路由器等组成。实时服务器提供了一种精确的时基，程序能够以最高的确定性被执行，并独立于其他处理器任务。系统控制器具有显示运行程序负荷及设置负荷临界值的能力，能够确保运行程序和 Windows NT/2000/XP 达到规定运算能力，以实现预定的操作性能。

为了保证烟支重量数据的准确采集和不良烟支的准确剔除，并且考虑CPU实时性载荷，充分利用TwinCAT可多任务处理的特点，将控制程序分为快速任务(如信号采集)和慢速任务(逻辑控制、参数设置、控制算法等)以及不同的优先级。其中快速任务采用100 μs扫描周期，慢速任务采用200 μs扫描周期。

上位机与下位机通信采用TwinCAT自动化设备规范(automation device specification，ADS)方式。TwinCAT ADS基于TCP/IP技术，它为设备之间的通信提供路由，用于实现Beckhoff PLC之间、PLC与第三方应用程序之间的数据通信。上位机用于监控PLC的工作状态，修改产品参数，以及烟支的实时重量、紧头曲线和不合格烟的剔除统计等信息的显示。

烟支重量的高速A/D转换采用具有超采样功能的EL1262和EL3702模块实现。在TwinCAT系统中，超采样采集回来的数字量和模拟量数据存储在相应的结构数组中。程序在每一扫描周期首先读取数字量结构数组中的数据，判断出A项上升沿并得到上升沿的时间戳数据。之后利用此时间戳数据检索出模拟量结构数组中具有相同时间戳数据的模拟量值。最后一支倍长烟采集上来的256个重量点，经过数字滤波处理，拟合成近似烟支密度曲线。根据密度曲线，应用复合PID算法，控制直流电机对劈刀盘进行升降控制和超前滞后同步控制，达到对重量、紧头调整的目的。重量信号A/D转换流程如图1所示。

图1　烟支重量信号A/D转换流程图

质量检测完成烟支空头和稀释度检测及剔除等功能，其工作流程如图2所示。

图2　烟支质量检测流程图

3结束语

基于XFC极速控制技术的烟支重量控制及质量检测系统的开发，将自动化新技术应用到如PASSIM 8000机型中，成功取代了该机型中最后一处使用电路板方式的控制系统，完善了该机型的控制系统，使其控制系统各单元均实现了器件的通用化，符合卷烟厂高效生产、方便维护的需求。该重量控制及质量检测系统已经在陕西中烟公司宝鸡卷烟厂成功投入使用，现场反馈烟支重量控制稳定、缺陷烟剔除的准确率大大提高，具有广泛的推广应用价值。

参考文献

[1] 谢林军,安靖,高洁,等. PASSIM卷接机组新型电控系统的设计与实现[J]. 烟草科技,2009(4) :25-26．

[2] 杜劲松,高洁. 基于DSP的烟支在线检测及调整系统[J]. DSP开发与应用, 2007(23): 167-171.

[3] 张明琰. 基于IPC的Beckhoff-CX1020 PLC在ZJ17卷烟机上的应用[J]. 工业控制计算机, 2013(2): 107-108.

[4] 周静红.欧姆龙3G3MV变频器多段速控制在手动泵压力测试系统上的应用.数字技术与应用，2011(10)：101-102.

[5] 彭峋. 基于IPC的高速烟支质量检测系统设计实现[J]. 工业仪表与自动化装置,2013(3): 42-44.

中图分类号：TP273;TH86

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602007

修改稿收到日期：2015-01-06。

第一作者郭锐(1981-)，男，2007年毕业于东北大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，副研究员；主要从事工业自动化控制系统开发的研究。