1 引言

　　隨著(zhù)煙草制造業(yè)重組的日益深化以及中國2009年開(kāi)始將實(shí)施國際《煙草控制框架公約》等外在影響，煙草行業(yè)正面臨著(zhù)空前的壓力和挑戰。 為了適應不斷變化的市場(chǎng)形勢，煙草包裝廠(chǎng)商也在不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，很多煙草設備急需改造，希望改造后的設備控制系統速度更快、精度更高、性能更穩定。

　　BO型卷煙包裝機是德國斯幕門(mén)公司20世紀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)量穩定。但是經(jīng)過(guò)十幾年的運行，其電控系統不同程度地出現元器件陳舊老化，故障率逐年遞增的問(wèn)題。其中，控制系統采用的工業(yè)計算機的各種板卡已被淘汰；交流伺服電機及其驅動(dòng)器早已過(guò)時(shí)，其控制方式也不夠合理；應用程序對用戶(hù)不透明，維護困難等。為此，決定對該控制系統進(jìn)行改造。

　　雖然客戶(hù)提出了非?？量痰募夹g(shù)需求，然而，貝加萊的PCC以其應對復雜控制的整體化集成能力贏(yíng)得了客戶(hù)的信任，成功地完成了該改造項目的實(shí)施。

2 生產(chǎn)工藝對控制系統的要求

　　工藝對控制系統的性能提出了較高的要求，主要包括以下：

　?。?）每分鐘包裝450包，要求編碼器可檢測到任何角度，不允許丟失，這就要求PCC的最快任務(wù)周期應小于370us。

　?。?） 對于所有的角度檢測傳感器的檢測值，要求保存5圈之內的任何角度的狀態(tài)數據。如20個(gè)傳感器，需要保存 20*5*360=36000個(gè)數據（每度保存一個(gè)數據）。

　?。?） 對于伺服驅動(dòng)器，要求能夠實(shí)現復雜的電子凸輪(CAM) 同步功能。

　?。?）對于改造設備，可以實(shí)現減速比為非整數的電子齒輪功能。

　?。?）支持熱插拔功能

　　要求I/O模塊支持”熱插拔”功能，以便現場(chǎng)能夠對模塊進(jìn)行在線(xiàn)診斷和在不影響設備正常運行的條件下對其中的某些故障電氣元件實(shí)施更換。

　?。?）支持OPCServer功能

　?。╥）要求主控通過(guò)OPC方式進(jìn)行數據采集。通過(guò)在工控機安裝OPC軟件可以與所有上下位機進(jìn)行通訊與數據采集；

　?。╥i）貝加萊提供OPC Server (PVI OPC)及測試工具；

　?。╥ii）OPC是工控領(lǐng)域（軟件之間的）標準通訊規范；

　?。╥v）PVI OPC支持2.0(兼容1.0)；PVI OPC支持包括數組在內的14種數據格式。

3 控制系統的構成

3.1 貝加萊控制產(chǎn)品的優(yōu)勢

　　在這個(gè)項目中，B&R硬件的靈活性、豐富性贏(yíng)得了客戶(hù)的認可，在這里主要介紹項目中的幾個(gè)關(guān)鍵硬件應用。

　?。?）高速任務(wù)處理：B&R 2005 CPU380處理器的任務(wù)周期可以達到200us，完全滿(mǎn)足快速包裝對于角度的檢測和報警的判斷。

　?。?）大容量存儲能力：64kB的變量分配內存，如需要可動(dòng)態(tài)分配，64MB SDRAM數據存儲和可擴展的數據及程序存儲滿(mǎn)足工藝參數存儲需要。

　?。?）擁有一體化集成軟件開(kāi)發(fā)平臺Automation Studio和多語(yǔ)言開(kāi)發(fā)功能：支持梯形圖、語(yǔ)句表、結構文本、功能塊圖等IEC61131標準編程語(yǔ)言和ANCI C、Automation Basic高級語(yǔ)言。

　?。?）靈活的伺服功能：可以實(shí)現各種伺服運動(dòng)控制和電子齒輪電子凸輪控制，實(shí)現動(dòng)態(tài)修改數據，動(dòng)態(tài)切斷跟隨動(dòng)作等強大靈活的功能。

　?。?）特殊傳感器檢測：有些傳感器會(huì )產(chǎn)生200us長(cháng)度，一定頻率的脈沖用來(lái)表示傳感器狀態(tài)，X20DI2377模塊可以檢測該信號，最短可以檢測到10us。

　?。?）完整的產(chǎn)品線(xiàn)：B&R為系統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到50ms刷新。下位機有2003、2005和X20系列控制器。還有伺服驅動(dòng)器、同步伺服電機、工控機（APC）等產(chǎn)品。

3.2 系統結構和硬件配置

　　其系統結構和硬件配置如圖1所示。該系統從下至上主要由運動(dòng)控制單元（伺服驅動(dòng)控制）、主控制器PCC和上位觸摸屏三大部分構成。PCC與其X20擴展I/O模塊通過(guò)X2X總線(xiàn)連接，并通過(guò)Ethernet與上位觸摸屏實(shí)現數據通訊；PCC還通過(guò)Ethernet POWERLINK總線(xiàn)與1臺主軸變頻器和3臺伺服控制器通訊?！?br />
　　系統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，用于讀取主機編碼器角度，主軸編碼器采用9位絕對式編碼器，使用DI486.6-1模塊讀取，主機轉速450轉/分時(shí)，可以對每一度進(jìn)行采樣，并判斷各種報警。主機所有檢測角度均為具體角度，沒(méi)有采用角度范圍。主機可以對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(hù)修改檢測角度。

　　上位面板使用15寸PP320觸摸屏。鋁合金外框，正面IP65防護，主頻500 MHz。主機本身帶有7個(gè)本地模塊，通過(guò)X2X接口擴展了14個(gè)遠程X20模塊（如圖1所示）。主機除控制一臺主軸變頻器以外，還控制三臺伺服驅動(dòng)器——兩臺用于控制鋁紙盤(pán)，另一臺控制出口皮帶。
3.3 控制系統工作原理概述

　　主軸電動(dòng)機由變頻器驅動(dòng)，連接一個(gè)外接編碼器，出口皮帶跟隨這個(gè)外接編碼器運行。為了減小可能產(chǎn)生的測量誤差，采用了格雷余碼式編碼器，使用了9根導線(xiàn)。這樣我們檢測到的角度只有0-359度，方便后續信號的角度檢測及判斷。

　　格雷碼的特點(diǎn)是每?jì)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)，對應角度在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。凡是分辨率不是2的n次方的，都需要采用格雷余碼形式，因此它具有傳輸和抗干擾方面的優(yōu)勢。

　　兩臺送鋁紙的伺服控制采用速度閉環(huán)控制，由PCC主機通過(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)控制兩臺伺服的速度，以保持鋁紙的一定張力。當煙包不需要鋁紙的時(shí)候，要對伺服減速以防止送料過(guò)多張力變化。該設備裝設有一個(gè)擺桿，可以左右擺動(dòng)以穩定張力。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。

　　當設備運行的時(shí)候，所有的傳感器在要求檢測的角度進(jìn)行檢測，如果不符合條件表示煙包不合格，需要記錄其狀態(tài)，通知后續給料也要相互對應，不合格的煙包不能繼續給料。同時(shí)，為了方便操作人員設定檢測角度，需要對傳感器的5圈以?xún)鹊乃薪嵌葯z測值進(jìn)行保存，以方便查看。有時(shí)高速與低速的檢測角度也不一樣，需要仔細觀(guān)察才能找到比較合適的檢測角度，如果不能記錄下來(lái)，那么就需要調試人員有較多的經(jīng)驗。

　　該設備還有幾路溫度控制，測溫元件使用了三線(xiàn)接法的熱電阻，消除了導線(xiàn)電阻帶來(lái)的誤差。貝加萊有多種專(zhuān)門(mén)控制溫度的PID，可以方便地實(shí)現控制并自動(dòng)優(yōu)化溫控參數。

3.4 運動(dòng)控制單元的功能

　　該包煙機的運動(dòng)控制包括鋁紙盤(pán)（采用2臺伺服驅動(dòng)器）和出口皮帶的控制。圖2示出了鋁紙盤(pán)伺服控制系統的簡(jiǎn)化原理方框圖，圖3則為出口皮帶伺服控制示意圖。