基于FM352移位寄存器的濾棒成型機(jī)單支剔除控制系統(tǒng)

楊步充 李 柯

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

濾棒成型設(shè)備用于生產(chǎn)香煙的過(guò)濾嘴，是煙草制造行業(yè)的重要設(shè)備[1]?，F(xiàn)有的成型設(shè)備速度達(dá)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(shè)備的重要研究?jī)?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(wù)，設(shè)計(jì)的剔除個(gè)數(shù)大于實(shí)際需要剔除的個(gè)數(shù)，剔除效率不高、算法設(shè)計(jì)難度較低[2]。此外，對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求不高。而該控制系統(tǒng)描述的是精準(zhǔn)的單支剔除操作，程序設(shè)計(jì)剔除個(gè)數(shù)等于實(shí)際需要剔除的個(gè)數(shù)，極大地提高了剔除效率。這對(duì)算法的精準(zhǔn)性、控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度都提出了極高的要求，是該控制系統(tǒng)的難點(diǎn)和亮點(diǎn)。

1 問(wèn)題描述

剔除功能[3]是成品濾棒質(zhì)量的重要保障。當(dāng)生產(chǎn)的濾棒經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，判定出濾棒不合格，剔除系統(tǒng)需要在極短的時(shí)間內(nèi)剔除該濾棒。但是該剔除動(dòng)作的完成面臨如下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1） 現(xiàn)有的濾棒成型設(shè)備生產(chǎn)速度高達(dá)500 m/min，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下完成不合格濾棒的跟蹤和剔除，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，濾棒質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)與剔除執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不是安裝在一起的，兩者之間存在物理的延遲路徑。當(dāng)濾棒到達(dá)剔除閥并完成剔除動(dòng)作后，如何模擬這個(gè)固定的路徑成為該控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題。

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

剔除功能均為高精度的核心技術(shù)，其功能的實(shí)現(xiàn)需要編碼器技術(shù)輔助。成型機(jī)旋轉(zhuǎn)刀頭對(duì)成型且連續(xù)的濾棒束進(jìn)行分切，刀頭旋轉(zhuǎn)一圈切出兩根等長(zhǎng)的濾棒。將編碼器鎖緊在成型機(jī)刀頭電機(jī)上，刀頭電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生256 相的編碼器脈沖信號(hào)，于是刀頭旋轉(zhuǎn)一圈切出兩支濾棒產(chǎn)生兩個(gè)Z 脈沖信號(hào)，每支濾棒被分成了128 個(gè)A 脈沖信號(hào)。剔除信號(hào)的接收位置與其動(dòng)作位存在一個(gè)固定的路徑，該路徑的路程除以濾棒的長(zhǎng)度換算成Z 脈沖的個(gè)數(shù)；以刀頭編碼器脈沖為引導(dǎo)，利用移位寄存器指令，一個(gè)Z 脈沖到來(lái)，移位寄存器工作一次，延遲固定的脈沖數(shù)后，濾棒到達(dá)剔除位置，驅(qū)動(dòng)高速閥裝置，完成剔除動(dòng)作[4]。

2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由CPU 模塊、FM352 功能模塊、濾棒質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、刀頭編碼器和高速閥執(zhí)行系統(tǒng)組成。人機(jī)界面HMI 用于設(shè)定剔除相關(guān)參數(shù)，如剔除種類(lèi)、剔除開(kāi)啟關(guān)斷、剔除測(cè)試等；濾棒檢測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)控運(yùn)動(dòng)中的濾棒，用于鑒別不合格濾棒的種類(lèi)，如基棒缺失、基棒排列順序錯(cuò)誤、復(fù)合棒切割相位偏差等問(wèn)題，并輸出剔除信號(hào)。剔除系統(tǒng)需要接受來(lái)自檢測(cè)系統(tǒng)的剔除信號(hào)，并與人機(jī)交互系統(tǒng)建立通信，進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，通過(guò)硬線(xiàn)連接執(zhí)行裝置，驅(qū)動(dòng)高速閥完成剔除動(dòng)作。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 CPU 模塊

S7-300 CPU 315-2 PN/DP作為中央處理器運(yùn)行控制程序，如圖2 所示。它是一款經(jīng)典的西門(mén)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(chǎng)合，它帶384 kB 工作存儲(chǔ)器，1 個(gè)MPI/DP 12Mbit/s 接口和2 個(gè)以太網(wǎng)PROFINET接口，帶雙端口交換機(jī)，需要微型存儲(chǔ)卡。選用帶有MPI接口的是因?yàn)樵O(shè)備常規(guī)動(dòng)作的閥島等通過(guò)DP 線(xiàn)路與CPU通信；濾棒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)（ethernet ）將數(shù)據(jù)傳送到CPU，需要預(yù)留出一個(gè)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(hào)、只可使用PROFINET 接口的型號(hào)和混合使用的信號(hào)，在選型時(shí)因?yàn)镻LC 程序中已經(jīng)選定了具體的型號(hào)，所以硬件務(wù)必與之匹配；與此相似的是，在 I/O 模塊和中斷模塊選型時(shí)，也要注意程序中的選型與實(shí)際硬件一定要匹配。

圖2 西門(mén)子CPU

3.2 FM352-5高速布爾量處理模塊

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(cè)系統(tǒng)輸入的剔除和采樣信號(hào)，其運(yùn)算速度完全滿(mǎn)足對(duì)高速運(yùn)動(dòng)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(mén)電路，可以對(duì)布爾、字節(jié)、字和雙字進(jìn)行處理，不能對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理。其硬件如圖3 所示，左側(cè)是8 位輸入量和8 位輸出量，均為布爾量。右側(cè)是指示燈，右側(cè)下方還有四個(gè)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(chǔ)存卡，通過(guò)背板總線(xiàn)與CPU 進(jìn)行通信。

圖3 FM352 模塊

3.3 高速閥模塊

使用DIGITRONIC 公司的閥驅(qū)動(dòng)器，使用MURRELEKT RONIK 公司的濾波器，使用WAGO 公司的接線(xiàn)端子，構(gòu)建高速閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在電磁閥收到PLC 指令的開(kāi)啟指令時(shí)瞬間提供一個(gè)較高的開(kāi)啟電壓，保證閥開(kāi)啟動(dòng)作的實(shí)時(shí)性[7]。高速閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建立的目的是為了使閥門(mén)快速打開(kāi)。在常規(guī)的工業(yè)控制中，執(zhí)行器的動(dòng)作過(guò)程需要經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，例如閥門(mén)打開(kāi)，實(shí)際工作情況是閥門(mén)收到開(kāi)啟信號(hào)，電磁閥的施加電壓從0V 增加到一個(gè)數(shù)值，閥門(mén)打開(kāi)。而從0V 到設(shè)定數(shù)值這個(gè)過(guò)程直接決定了閥門(mén)響應(yīng)的速度。該高速閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在閥門(mén)開(kāi)啟的瞬間給電磁閥施加一個(gè)超過(guò)380V 的電壓，使閥門(mén)迅速打開(kāi)。這才可與剔除系統(tǒng)的處理速度相匹配。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 FM352模塊接口設(shè)計(jì)

FM352 模塊輸入/輸出信號(hào)包括編碼器的A 脈沖、Z 脈沖、不合格濾棒剔除信號(hào)、剔除鼓輪剔除信號(hào)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)硬線(xiàn)接入FM352 的I/O 端口，供該軟件采集后進(jìn)行分析和使用。#DIN[5]通過(guò)硬線(xiàn)接收來(lái)自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不合格濾棒剔除信號(hào)，#DIN[9]通過(guò)編碼器專(zhuān)用線(xiàn)采集編碼器的A 脈沖信號(hào)。#DIN[11]通過(guò)編碼器專(zhuān)用線(xiàn)檢測(cè)編碼器Z 脈沖信號(hào)。#DOUT[1]通過(guò)硬線(xiàn)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

4.2 CPU 與352模塊通信接口

S7-300 CPU 315-2 PN/DP 與FM352 模塊通信數(shù)據(jù)通過(guò)OB1 中的接口程序完成數(shù)據(jù)交換。#CPU_IN.DBX[11]用于標(biāo)記剔除閥剔除失敗的情況；#CPU_IN.DBX[12]用于標(biāo)記編碼器當(dāng)前脈沖大于128；#CPU_IN.DBX[14]是Z 脈沖的指示信號(hào)，352 模塊讀取編碼器信息后通過(guò)#CPU_IN.DBX[14]輸出到CPU 中；#CPU_IN.DBW8 將352 模塊讀取的編碼器當(dāng)前脈沖信號(hào)輸出到CPU 中；#CPU_OUT.DBB5 和#CPU_OUT.DBW8 用于設(shè)定剔除閥門(mén)的開(kāi)啟角度和關(guān)斷角度，#CPU_OUT.DBW0 和#CPU_OUT.DBW2 用于設(shè)定剔除信號(hào)的掃描開(kāi)啟和關(guān)斷相位，該數(shù)據(jù)通過(guò)界面寫(xiě)入CPU，再通過(guò)主程序OB1 中的接口模塊傳送到352 模塊中；#CPU_OUT.DBX0[17]用于開(kāi)啟剔除功能，#CPU_OUT.DBX0[19]是測(cè)試功能，均由界面寫(xiě)入CPU 模塊，再通過(guò)接口程序傳送到352 模塊。通信數(shù)據(jù)表見(jiàn)表2。

表2 通信數(shù)據(jù)表

4.3 程序規(guī)劃設(shè)計(jì)

廢品檢測(cè)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(guān)鍵技術(shù)，一個(gè)廢品濾棒剔除的流程圖如圖4 所示。

圖4 廢品檢測(cè)剔除流程圖

在高速運(yùn)行的濾棒成型過(guò)程中，采集刀頭編碼器的脈沖信號(hào)，將一根濾棒細(xì)分為128 個(gè)A 脈沖信號(hào)和1 個(gè)Z 脈沖信號(hào)。以此作為程序的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。廢品的剔除信號(hào)是在濾棒的中間部位獲取的，其角度為若干個(gè)脈沖信號(hào)；成型機(jī)掃描剔除信號(hào)采用全周期掃描（具體的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間可在屏幕中設(shè)定，該應(yīng)用場(chǎng)景下建議選取全周期掃描），其開(kāi)啟角度為128 個(gè)脈沖；剔除閥建立在高速閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其打開(kāi)角度應(yīng)在濾棒的中間部分，約若干個(gè)脈沖信號(hào)，可在屏幕中設(shè)定，才保證剔除動(dòng)作準(zhǔn)確；同時(shí)，檢測(cè)信號(hào)獲取位置與剔除閥動(dòng)作位置存在一個(gè)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(hào)，移位寄存器的移位路徑時(shí)信號(hào)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(zhǎng)度即可得到濾棒數(shù)量），將剔除閥門(mén)的動(dòng)作信號(hào)作為移位寄存器的復(fù)位信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)濾棒成型機(jī)在高速運(yùn)行狀態(tài)下不合格濾棒的單支剔除問(wèn)題，將西門(mén)子S7-300 315-2 PN/DP 作為中央處理器集成使用FM352 運(yùn)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(hào)，使用高速閥作為執(zhí)行裝置，設(shè)計(jì)了基于FM352 移位寄存器的濾棒成型機(jī)單支剔除控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)具備可行性和推廣價(jià)值。