基于PC的高速卷煙機實時控制平臺及煙支重量與質(zhì)量在線

1、.基于PC的高速卷煙機實時控制平臺及煙支重量與質(zhì)量在線基于PC的高速卷煙機實時控制平臺及煙支重量與質(zhì)量在線檢測控制系統(tǒng)1.卷煙機煙支重量與質(zhì)量檢測控制系統(tǒng)現(xiàn)狀卷煙機煙支檢測控制系統(tǒng)主要包括煙支重量控制系統(tǒng)、稀釋度(漏氣)檢測系統(tǒng)和空頭檢測系統(tǒng)，整機系統(tǒng)概況：目前國產(chǎn)卷煙機生產(chǎn)速度己達7000-8000支/分鐘，主要機型是PROTOS70和PASSIM7000卷接機組，分別于90年代初從德國HAUNI公司和英國MOLINS公司引進技術，在國內(nèi)已大量生產(chǎn)和使用，成為中速機主流設備。其中PROTOS70是80年代初設計的，控制系統(tǒng)采用了大量繼電器和專用印刷電路板，其顯示器IT80和計算機卡都是專用系

2、統(tǒng)，僅印刷電路板機箱就有四個：卷煙機控制、接裝機控制、重量控制與數(shù)采、煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)。因此硬件電路和接線相當復雜，這使得質(zhì)量控制、電氣裝配、調(diào)試和故障排除的難度增大，同時給煙廠的信息化工作帶來很大困難，因為專用計算機系統(tǒng)通訊困難，機器底層數(shù)據(jù)很難提取。傳動方面采用直流調(diào)速電機作為主傳動電機，通過較多的皮帶和齒輪實現(xiàn)主傳動鏈的功能，在煙絲供給部分，用了另外兩個直流調(diào)速電機(陡角提絲帶電機和針輥電機)，以實現(xiàn)煙絲供給速度與機器生產(chǎn)速度的匹配。近年由于技術進步和客戶要求，控制系統(tǒng)已改為PLC控制，取消了大量繼電器和兩個印刷電路板機箱(卷煙機控制和接裝機控制)，但仍保留了重量控制系統(tǒng)的電路板機箱，而

3、煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)的電路板機箱則重新設計為一個專用模塊。傳動方面采用交流變頻調(diào)速技術取代了原來的直流調(diào)速，既降低了成本又減少了維護的工作量(無需再定期更換直流電機的碳刷)，但傳動方式和結(jié)構(gòu)并沒有根本改變。計算機系統(tǒng)原來是專用線路板CBP卡配專用的顯示器IT80，現(xiàn)己改為工控機，同時在控制系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場總線技術和閥島技術。PASSIM7000卷接機組的卷煙機采用西門子公司的SS-135U PLC控制，重量控制功能由MAID一系統(tǒng)實現(xiàn)。而接裝機部分的控制功能如邏輯控制、煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)、捕煙輪煙支到位控制、大流量控制及與卷煙機通訊等則完全由印刷電路板完成。溫度控制采用數(shù)字智能溫控器，具有自診斷和故

4、障報警功能并能通過PID參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)最佳溫度控制效果。傳動方面采用交流變頻調(diào)速電機作為主傳動申機，通過較多的皮帶和齒輪實現(xiàn)主傳動鏈的功能，在煙絲供給部分，通過無級變速器與主傳動聯(lián)結(jié)，無級變速器與主電機的速比還受回絲量的控制，從而得以實現(xiàn)煙絲供給速度與機器生產(chǎn)速度的匹配。近年來，通過堅持不懈的技術改進，己將該機的生產(chǎn)速度由7000支/分鐘提升到8000支/分鐘，電控系統(tǒng)也先后完成了卷煙機PLC由S5系列升級為S7系列，接裝機部分則取消了除煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)和捕煙輪煙支到位控制以外的絕大多數(shù)印刷電路板，其控制功能改由S7系列PLC實現(xiàn)，這樣整個卷接機組共用了四個57-340系列PLC：后身供料PLC

5、、卷煙機控制PLC、接裝機控制PLC和主PLC。從而使得整機控制系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)一致，既降低了成本又提高了可靠性和易維護性。人機界面采用了觸摸屏技術，使操作更加簡單直觀。事實證明，這些改進的成功，大大延長了PASSIM機組的產(chǎn)品壽命，明顯擴大了國產(chǎn)煙機的市場占有率。PASSIMI2K卷接機組是MOLINS公司高速卷煙機的主要機型，生產(chǎn)速度為12000支/分鐘，從圖2.1中可以看出其電氣結(jié)構(gòu)己做了較大改進。該卷接機組共采用了四個PLC進行控制，其中料斗、卷煙機和接裝機分別由各自的SS-95U PLC控制，電控柜中的主PLC則采用SS-115U PLC，幾個PLC之間通過Profibus通訊，,PLC

6、與工控機之間通過串口通訊。高速信號處理、重量控制和稀釋度檢測等專用系統(tǒng)與工控機之間通過Canbus通訊。由于采用PLC控制并采用總線技術和串行通訊，上位機使用工控機和觸摸屏，整個結(jié)構(gòu)變的簡潔合理，與工廠管理信息系統(tǒng)的連網(wǎng)與信息交換也更加容易。從電氣結(jié)構(gòu)圖2.2可以看到，PROTOS90E電控系統(tǒng)采用了三層總線：用于輸入輸出、閥島和總線儀表的Profibus總線；用于工控機(MLP)、重量控制系統(tǒng)(SRM),煙支檢測系統(tǒng)(CIS)和專門處理快速I/O信號的HAUNI智能處理器(HIP)的Canbus總線以及用于上位機數(shù)采與監(jiān)控的工業(yè)以太網(wǎng)。該系統(tǒng)的另一個特點是，卷接機組共用一個57-400系列P

7、LC，它集成了專門用于處理高速信號的HAUNI智能處理器HIP卡，該卡可直接插入S7機箱中，類似于一個S7模塊，完美地解決了PLC程序循環(huán)周期與高速信號處理的矛盾。HIP卡還提供Canbus接口與生產(chǎn)線處理器(MLP)連接，通過總線向上傳送數(shù)據(jù)，向HIP卡和CIS系統(tǒng)裝載用戶程序。交流伺服驅(qū)動技術也得到了應用，但范圍僅限于主電機、陡角提絲帶、針輥和膠泵四個伺服電機，后三個電機跟隨主電機生產(chǎn)速度變化，但還不是真正意義上的電子齒輪功能。2.PROTOS2-2電控系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖2.3中，WAGO,FESTO,AMK,LENZE,SIEMENS均為電氣裝置供應商，與PROTOS90E相比較，在電氣結(jié)構(gòu)

8、和總線應用方面非常類似，主要區(qū)別在于卷煙機和接裝機分別由各自獨立的57-400系列PLC控制，相應的HIP卡和Profibus總線用戶也相對獨立。該機型電控系統(tǒng)最顯著的特點是大量采用了獨立驅(qū)動技術，取消了以前的主電機概念4。對傳動系統(tǒng)中一般的調(diào)速采用了變頻調(diào)速技術，而對速度同步要求較嚴格的傳動則采用交流伺服驅(qū)動技術中的電子齒輪。GD公司MICRO-II系統(tǒng)具有以下幾個比較明顯的特點：(1)GD公司為了系統(tǒng)的可更改性和可維護性，采用了開放的體系結(jié)構(gòu)，所謂的"開放"并不意味著它支持其他廠商的多種I/O硬件，具有通用的用戶接口，而是指MICRO-B系統(tǒng)本身，可以方便地進行系統(tǒng)擴充

9、，屬于開放式的體系結(jié)構(gòu)。(2)MICRO-II系統(tǒng)采用了在線可編程技術。其CPU板卡采用系統(tǒng)軟件和用戶軟件分開的處理技術。在系統(tǒng)軟件的設計上，采用實時多任務操作系統(tǒng)RTOS(RealTime Operating System)。采用保護模式進行程序設計，完成諸如任務的切換、網(wǎng)絡通訊的控制、對輸入輸出的處理、與開發(fā)環(huán)境的連接、用戶程序的下載等。在用戶程序的設計上，采用GD公司在通用實時語言的基礎上設計的面向?qū)ο蟮母呒壵Z言GDL(GD Language)，完成諸如機器的控制功能、概圖數(shù)據(jù)、錯誤提示數(shù)據(jù)等。同時增加了硬件的兼容性：不同機器，相同板卡只需下載相應的用戶程序就可以實現(xiàn)不同的機器控制。采用

10、了許多最新高新技術，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。如：采用了80386DX技術進行設計；采用多處理器結(jié)構(gòu)，所有板卡都是自帶CPU的智能板；采用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；采用大規(guī)模集成電路及貼片元件技術；采用了DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field Programmable Gate Array)技術等。盡管MICRO-II系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但畢竟是專用控制系統(tǒng)，軟件也多使用專用編程語言，在某些方面仍給帶來一些不便。由于GD公司的用戶程序一般不對用戶開放或者即使部分用戶得到程序而未經(jīng)系統(tǒng)培訓，很難全面閱讀理解大量復雜的程序內(nèi)容，因此一旦機器出現(xiàn)電氣故障，由于維修人員不能從原理上分析

11、故障原因，僅能憑經(jīng)驗或猜測來排除故障，那么如果碰到較為復雜的情況就很難著手解決。雖然GD公司自主開發(fā)的MICRO II電控系統(tǒng)采用了智能化的輸入板和具有特殊輸出波形的傳感器，一旦檢測系統(tǒng)產(chǎn)生故障，先進的電控系統(tǒng)會自動顯示診斷信號，可使維修變得極為方便，但是與此對應的驅(qū)動系統(tǒng)，各器件動作牽涉到的因素來自方方面面，從表面現(xiàn)象分析問題往往顯得深不可測、無從入手，其中主電機的控制與故障排除顯得尤為突出。其次在國產(chǎn)化方面，由于印制板制造工藝和檢測手段上的差距，再加上軟件方面的障礙，質(zhì)量很難達到原來的水平，因此遲遲擺脫不了對GD公司的依賴，生產(chǎn)和技術服務都受到制約。另外煙廠在信息化建設中，需提取大量設備數(shù)

12、據(jù)，MICRO II電控系統(tǒng)再次成為難點。5英國Molins公司PASSIM機型應用的MAID-N重量控制系統(tǒng)，稀釋度檢測系統(tǒng)和空頭系統(tǒng)，收集、數(shù)據(jù)顯示及故障分析功能。MAID-N系統(tǒng)的記錄和顯示單元是由聯(lián)結(jié)起來的四個微處理器做為整個控制體系的一個部份組成的。三個微處理器執(zhí)行獨立的功能，第四個微處理器協(xié)調(diào)一些采集機能并在電路板間傳遞。每一個微處理器由一些分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)由Intel 8085系列微處理器單元構(gòu)成，這些單元組裝在一個單獨的電路板上，該電路板包含有特殊微處理器需要的所有單元，其中包括貯存和輸入/輸出站。2.系統(tǒng)存在維護環(huán)節(jié)多、維護技術性強、穩(wěn)定性差等缺點。放射源平均重量控制系統(tǒng)的

13、設計、測試功能復雜，不方便使用者使用，如果出現(xiàn)故障，一般使用者都不能處理，要等專家電工按部就班地進行設定或更正。另外，系統(tǒng)所采用的軟硬件技術都比較落后，使得系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)較多，功能的實現(xiàn)大多由硬件完成，這樣就增加了可能的故障環(huán)節(jié)，導致系統(tǒng)存在維護環(huán)節(jié)多、維護技術性強、穩(wěn)定性差等缺點。德國HUANI公司生產(chǎn)的PROTOS 90型卷煙機的重量控制系統(tǒng)，利用紅外線傳感器代替了核掃描器，根據(jù)煙條透光性來測量煙條的密度，利用IRIS傳感器極大的分辨力使得可以更精確地查明煙條的密度分布，在煙條的密度分布中的空洞和凹陷即所謂的軟點處可得到了更好的控制；煙支的空頭、空松率一直穩(wěn)定在3%左右，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定

14、性，煙支質(zhì)量也得到較好的控制，而且系統(tǒng)易于維護1。文中研究的紅外檢測方式受煙絲水分影響較大沒有大規(guī)模應用。PASSIM 7K機組和老式PASSIM 8K機組，在這些設備上，緊頭位置是單靠機械同步來保證的，但在機器高速運轉(zhuǎn)時煙絲、尼龍帶、布帶等元件會出現(xiàn)隨機的打滑現(xiàn)象，再加上機械傳動的間隙及熱變形，會使緊頭位置產(chǎn)生隨機漂移。因此單靠靜態(tài)下的機械同步是無法精確地保證緊頭位置在機器高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下始終處于切口位置的，必須進行動態(tài)隨機的調(diào)整。在一些新型高速設備上這一要求已得到了滿足，如新一代PASSIM 8K機組、PROTOS 1-8機組等。在目前國際上比較主流的卷煙機制造企業(yè)有英國的MOLINS公司及

15、德國的HAUNI公司，兩公司制造的卷煙機各有特點。MOLINS公司生產(chǎn)的卷煙機在過濾嘴接裝、水松紙搓接等方面技術較為先進，表現(xiàn)為所生產(chǎn)的成品煙支的外形更標準，根據(jù)國家煙草專賣局頒發(fā)的卷煙工藝規(guī)范關于煙支卷接包裝方面的質(zhì)量要求規(guī)定，PASSIM卷煙機的產(chǎn)品更容易達到煙支圓周這項物理指標的要求。而在重量控制、煙支空頭、端部落絲量等指標上，HAUNI公司的PROTOS 1-8卷煙機更勝一籌。PROTOS 1-8卷煙機均采用了緊頭自動跟蹤系統(tǒng)，而且還采用了獨特的流化床技術應用于卷煙機后身的煙絲輸送。因為是采用氣流懸浮輸送煙絲這一柔性輸送方式，明顯降低了在煙絲輸送過程中煙絲造碎的比率，而且煙絲輸送更為均

16、勻。所以，PROTOS 1-8生產(chǎn)的煙支重量控制更為精確，煙支空頭比率更小，端部落絲量更能滿足工藝規(guī)范要求。經(jīng)過長期的比較、觀察。在PASSIM 7K機組和老式PASSIM 8K機組這些設備上，是靠手動調(diào)節(jié)機器面板上的緊頭位置旋鈕來實現(xiàn)緊頭位置調(diào)整的，如下圖所示。緊頭位置旋鈕通過一柔性鋼絲聯(lián)接到一絲桿螺母機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)緊頭調(diào)整旋鈕，可帶動柔性鋼絲繩轉(zhuǎn)動，從而帶動與鋼絲繩另一端固定在一起的絲桿轉(zhuǎn)動。絲桿上的螺母產(chǎn)生上下方向的移動，與螺母連接在一起的齒形帶輪6也產(chǎn)生向上或向下的移動。此時彈簧S開始起作用，根據(jù)齒形帶輪6上下移動的情況通過張緊輪3對齒形帶進行張緊調(diào)節(jié)，讓齒形帶始終保持相對平穩(wěn)的張緊力，保

17、證平準器傳動的可靠性，同時又可以在機器運轉(zhuǎn)過程中對緊頭位置進行調(diào)節(jié)。但整個機構(gòu)存在以下缺點：.單靠手動調(diào)節(jié)是無法精確地保證緊頭位置在機器高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下始終處于切口位置的。調(diào)節(jié)滯后時間過長，操作工在機器運行時不可能專門來調(diào)節(jié)緊頭位置。.柔性鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)傳動的可靠性不夠，有時旋鈕旋轉(zhuǎn)了很大的角度，而絲桿卻沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動。為了克服前述缺點，有必要對原機緊頭位置調(diào)節(jié)裝置進行改造。將緊頭位置調(diào)節(jié)裝置改為由步進電機自動控制。去除傳動可靠性不高的柔性鋼絲繩，將步進電機通過同步齒形帶輪傳動與絲桿螺母機構(gòu)相連，其它傳動采用原機緊頭相位調(diào)節(jié)機構(gòu)。如圖2.4所示，圖中雙點畫線部分為步進電機及同步齒形帶輪傳動機構(gòu)。3近

18、幾年生產(chǎn)的YJ19A型卷接機組，生產(chǎn)速度為8000支/分鐘，與MOLINS公司早期生產(chǎn)的PASSIM 7000卷接機組具有相同的電氣控制功能,I.21，其檢測系統(tǒng)的功能設計已經(jīng)比較完善。突出的特點是在原來的基礎上增加了兩個空頭探測器，信號處理和控制也由微處理器完成，電控系統(tǒng)的可靠性和實用性得到了很大的提高。但也存在不少問題：1)整個系統(tǒng)由十二塊電路板組成，各電路板之間的功能相互關聯(lián)，連接復雜。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，就需要現(xiàn)場維修人員有比較高的電路分析能力，才能解決問題，這就造成了現(xiàn)場維修的十分不便。且電路板數(shù)量過多，故障率高，使用維修成本高。2)微處理器芯片采用8085系列，屬于早期的單片機產(chǎn)品

19、，運算、處理能力落后，系統(tǒng)響應速度慢。3)不合格煙支在被剔除時容易發(fā)生剔不下煙或帶煙現(xiàn)象。4)煙支不同類型的故障點不能單獨測試，給煙廠維修保養(yǎng)帶來不便。ZJ 19 A卷接機組卷煙速度為8000支/分鐘。現(xiàn)場的高速、實時特點對煙支質(zhì)量系統(tǒng)提出了更高的要求，要求系統(tǒng)能夠快速、及時、準確地判斷出煙支質(zhì)量的好壞。本系統(tǒng)采用PIC單片機與PROFIBUS工業(yè)控制總線，通過工控機人機界面對生產(chǎn)現(xiàn)場進行控制。操作人員可以根據(jù)機器狀態(tài)，在人機界面觸摸屏上設置、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)，以便及時了解、掌握生產(chǎn)情況并對卷煙質(zhì)量進行實時控制。一采用獨立機箱控制系統(tǒng)內(nèi)部信號地與外部機身信號地進行隔離纜線外部輸入信號采

20、用光禍進行隔離，傳感器輸入信號采用屏蔽電加強抗干擾能力。二.采用高性能器件，件，而簡化系統(tǒng)硬件電路，三.在消化吸收ZJ1 9A提高電路集成度，盡量采用表面貼裝元實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。6德國HAUNI公司的SRM重量控制系統(tǒng)，CIS煙支檢測系統(tǒng)和首先，SRM90系統(tǒng)的故障率之高已成為煙廠生產(chǎn)技術人員的一大難題。SRM90控制箱內(nèi)部目前使用了六塊電子板卡，其中兩塊是電源板，除此還有x(Asos)組合接口卡，DCP(A807)數(shù)據(jù)采集處理卡，MRK B(Agog)掃描器處理卡，SCBP(A810)主處理板。這四塊線路板均十分復雜，板上的元器件安裝密度很高，均使用多層復合布線板。盡管Hauni公司已向國內(nèi)

21、有關廠家轉(zhuǎn)讓了制做線路板的膠片和圖紙，但是由于技術上的問題，國內(nèi)仍有MRK II和SCBP這兩塊板卡不能自行生產(chǎn)，向Hauni公司訂貨的報關價格十分昂貴(超出一萬馬克)而且進貨周期很長。DCP,MRK II和SCBP這三塊板卡都是裝有微處理器的智能板卡。主處理板SCBP是Hauni公司向SIEMENS公司專門訂做的，其軟件版權(quán)又隸屬于美國SOFTWARE軟件公司，Hauni公司出于商業(yè)利潤的考慮和設備性能的改進對MR%II和SCBP板的硬跳線和軟件不斷改變，軟件版本升級頻繁，而且彼此之間不能兼容，給國內(nèi)卷煙廠的備件儲備和生產(chǎn)維修造成了極大困難。TT80是SRM90系統(tǒng)中的顯示及輸人終端，內(nèi)部使

22、用的是CRT單色顯象管，在高溫和振動的環(huán)境下連續(xù)使用，已經(jīng)進人了老化維修期，故障不斷。SRM90采用核掃描檢測煙條密度。2意大利GD公司，技術先進，開放性差。國內(nèi)的高速卷煙機普遍采用以Sr90放射源為檢測探頭的煙支重量自動檢測控制系統(tǒng)，典型的有MOL工NS公司的MAID一N系統(tǒng)和HAUNI公司的SRM系統(tǒng)。該技術能夠有效檢測和控制卷煙平均重量，對于提升煙支重量的控制水平具有重要作用。但由于Sr90是放射性材料，始終存在潛在的危險。目前這些檢測系統(tǒng)受外界因素的影響有時會造成重量控制不穩(wěn)定，而且不易被發(fā)現(xiàn)，由于設備高速運轉(zhuǎn)容易造成大量不合格產(chǎn)品，給企業(yè)造成不必要的損失。緊頭是由卷煙機上帶凹槽的劈刀

23、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，劈刀槽相對于切刀的位置決定了緊頭的狀況，在目前的卷接設備上，緊頭的位置基本上都是依靠機械的同步來實現(xiàn)的。但在卷煙機工作在高速狀態(tài)時，會出現(xiàn)煙絲、布帶、吸絲帶等的隨機打滑現(xiàn)象，由此產(chǎn)生緊頭位置的漂移，導致空頭的出現(xiàn)；原重量控制系統(tǒng)為MWC或MAID-N，均為模擬控制方式，其調(diào)整、監(jiān)控都不方便，而且精度不高。本世紀初微波檢測技術被應用到煙支重量檢測控制系統(tǒng)，典型的有HAUNI公司的M工DAS系統(tǒng)、TEWS公司的LIBRA系統(tǒng)和國內(nèi)上海恒尚公司的HS一WB系統(tǒng)等。由英國HAUNI公司生產(chǎn)的PASSIM系列卷接機組已成為我國卷煙生產(chǎn)企業(yè)的絕對主力機型，其中MA工D-N在整機電控系統(tǒng)中起著重要的作用。由于設備的長年運行，原MAID-N控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題逐漸增多。核掃描器在MA工D-N系統(tǒng)中主要負責測量煙絲的密度，由于核掃描器存在著不穩(wěn)定性和放射性的缺點，使得不少煙廠正在尋找核掃描器的替代產(chǎn)品。由德國TEWS Elektronik公司研制的微波測量儀正是核掃描器的替代升級產(chǎn)品?，F(xiàn)在研制推出的獨立系統(tǒng)：重量與緊頭，稀釋度漏氣、空頭緊頭是由卷煙機上帶凹槽的劈刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，劈刀槽相對于切刀的位置決定了緊頭的狀況，在目前的卷接設備上，緊頭的位置基本上都是依靠機械的同步來實現(xiàn)的。但在卷煙機工作在高速狀態(tài)時，會