KDF2纖維濾棒成型機(jī)組是煙廠生產(chǎn)卷煙濾棒的設(shè)備。經(jīng)過十幾年的應(yīng)用，原有機(jī)組逐漸顯示出技術(shù)上的局限性：機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；電控系統(tǒng)相對落后；生產(chǎn)環(huán)境比較差，噪音響；維修難度高，能源利用率低等。因此，原有機(jī)組越來越不適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)要求。
為此，筆者參照國際上先進(jìn)的高速濾棒成型設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合國內(nèi)市場的需求和機(jī)組的特點(diǎn)，運(yùn)用伺服傳動系統(tǒng)的優(yōu)良特性及PLC在工業(yè)控制中的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了此套控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)概述
纖維濾棒成型機(jī)組控制和傳動系統(tǒng)采用了Lenze公司的伺服系統(tǒng)、Digital公司的觸摸式控制屏和西門子公司的PLC，分別通過MPI和DP通訊控制。其基本框圖如圖1所示。
圖1 控制和傳動系統(tǒng)
纖維濾棒成型機(jī)通過二次開松、增塑劑添加、卷制成形、刀盤切斷和排列裝盤的過程生產(chǎn)濾棒。其主要過程如圖2所示。
圖2 工作原理圖
2 控制策略
(1) 對增塑劑添加的控制策略
起初延用原系統(tǒng)的欠阻尼響應(yīng)曲線的控制方式。但是，在實(shí)際調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)該控制方式存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)為：每天第一次上電開機(jī)時(shí)，增塑劑存儲器中增塑劑積累時(shí)間過長，造成一段時(shí)間內(nèi)濾棒增塑劑含量過低。根據(jù)售后服務(wù)部門的反饋，某些煙廠為保證濾棒質(zhì)量往往會剔除第一盒濾棒。這樣會有較大的浪費(fèi)。
產(chǎn)生這種情況是因?yàn)闊煆S每天工作結(jié)束時(shí)或者CPU重啟時(shí)機(jī)組都會停機(jī)，并排空存儲器中的增塑劑。由于欠阻尼響應(yīng)到達(dá)設(shè)定值時(shí)間過長，造成開始階段濾棒增塑劑含量過低。日常生產(chǎn)班次中，每次停機(jī)不排空增塑劑，而是在存儲器中保有一定儲存量。
根據(jù)自動控制原理，車速斜坡響應(yīng)可以分為過阻尼響應(yīng)、臨界阻尼響應(yīng)和欠阻尼響應(yīng)。理論上說，臨界阻尼響應(yīng)是最理想的控制方式，這種響應(yīng)方式既實(shí)現(xiàn)了控制的快速性又實(shí)現(xiàn)了控制的穩(wěn)定性；過阻尼響應(yīng)是為了穩(wěn)定性犧牲快速性；欠阻尼響應(yīng)則是為了快速性犧牲穩(wěn)定性。然而，臨界阻尼由于條件過于苛刻，在實(shí)際控制中是無法實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)剩余的兩種響應(yīng)曲線的特性，筆者認(rèn)為CPU啟動時(shí)最好使用欠阻尼響應(yīng)曲線，其理由是：CPU啟動狀態(tài)下，對增塑劑積累時(shí)間的要求優(yōu)先于增塑劑含量的穩(wěn)定性；而其他狀態(tài)下使用過阻尼響應(yīng)曲線，此時(shí)對含量的穩(wěn)定要求優(yōu)先于積累的快速性。
因此，利用S7-300啟動時(shí)的組織塊OB100在CPU啟動中只執(zhí)行一次的特性，對增塑劑伺服電機(jī)的控制方式依據(jù)機(jī)組不同的啟動狀態(tài)采取了不同響應(yīng)曲線下的控制方法。具體來說，在CPU啟動時(shí)（此時(shí)增塑劑存儲量必定為零），通過啟動組織塊OB100中送出高速運(yùn)轉(zhuǎn)命令至增塑劑伺服電機(jī)，使控制曲線成為欠阻尼響應(yīng)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對存儲器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動狀態(tài)，控制增塑劑伺服電機(jī)的FC功能塊將送出普通速度命令，使控制曲線成為比較接近臨界阻尼的過阻尼響應(yīng)狀態(tài)。
新的設(shè)計(jì)完全避免了CPU重啟時(shí)帶來的增塑劑積累過慢的問題、減少了廢品數(shù)量，因此這樣的設(shè)計(jì)不會影響正常生產(chǎn)狀況時(shí)增塑劑含量的穩(wěn)定性。
(2) 對濾棒剔除支數(shù)的計(jì)算策略
在纖維濾棒成型機(jī)的生產(chǎn)中，為保證濾棒質(zhì)量，每當(dāng)速度低于一定的設(shè)定值時(shí)，機(jī)組就會剔除此時(shí)的濾棒。此時(shí)機(jī)組的速度是不斷變化的，按通常方式無法計(jì)算出具體的剔除支數(shù)。這對統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)效率帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。
筆者可以得到動態(tài)的車速反饋，但這條反饋曲線是不斷波動和變化的非線性曲線。對于非線性曲線，數(shù)學(xué)上只能夠采用面積積分求解的計(jì)算方法。對于此項(xiàng)目就是要求給出一定時(shí)間內(nèi)主電機(jī)的圓周行程，即機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)的濾棒長度。
從這一角度出發(fā)，筆者考慮采用了對車速進(jìn)行模擬積分的計(jì)算方法，即從積分的基本定義出發(fā)，求出剔除時(shí)間內(nèi)的濾棒生產(chǎn)長度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個濾棒長度得剔除支數(shù)的計(jì)算方法。
按照積分的定義要求，積分求解是在一定條件下才能夠成立。這個條件就是Δt要足夠的小即Δt→0。在實(shí)際過程中，近似認(rèn)為Δt=20ms時(shí)可以滿足條件。此時(shí)，計(jì)算得出的濾棒支數(shù)與實(shí)際濾棒支數(shù)的誤差在±3支以內(nèi)。在精度上，以最高生產(chǎn)速度3300支/分鐘計(jì)（此時(shí)濾棒長度為120mm），±3支的精度是完全可以滿足精度要求。所以筆者認(rèn)為只要將Δt控制在20ms時(shí)就可以滿足積分求解的條件。
原系統(tǒng)的PLC掃描一周的時(shí)間高達(dá)幾十毫秒，顯然不滿足要求。而此項(xiàng)目采用的S7-315-2DP，其單指令掃描周期為10μs級、整個掃描周期被縮短為7~8ms，這樣就滿足了積分計(jì)算的要求。
(3) 對拼接紙圈的控制策略
改造之前，纖維濾棒成型機(jī)執(zhí)行的是降低運(yùn)行速度再進(jìn)行紙圈拼接。這種降速接紙方式對實(shí)際生產(chǎn)是不利的：每次降速都會造成車速的大幅度變化，影響了濾棒的質(zhì)量。為消除這種影響，筆者采用了不降速拼接的方法。
不降速拼接和降速拼接并沒有本質(zhì)的區(qū)別：兩者采用的接紙動作一樣，兩者只是在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制元件上有區(qū)別。接紙速度的提高勢必使紙圈的靜摩擦力同等上升。如果轉(zhuǎn)速斜坡率過高會產(chǎn)生很大的靜摩擦力，該力會撕裂紙圈。如果轉(zhuǎn)速斜坡率過低，拼接時(shí)的紙圈浪費(fèi)將增加。
為避免煩瑣，該項(xiàng)目放棄變頻器對接紙電機(jī)轉(zhuǎn)速的分段控制。為求出靜摩擦力和紙圈長度兩者之間的最優(yōu)控制，筆者對接紙電機(jī)上升時(shí)間采取最優(yōu)篩選法。通過最優(yōu)篩選法得到的電機(jī)上升時(shí)間大約為3.4s?？紤]到生產(chǎn)情況及電磁閥等器件的時(shí)滯效應(yīng)，將這一時(shí)間進(jìn)一步放寬為3.5s。
3 程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將所需實(shí)現(xiàn)的各主要功能編制成為S7-300中的用戶功能塊（FC塊），在主程序循環(huán)模塊（組織塊OB1）中調(diào)用這些已經(jīng)編制好的子程序。
程序設(shè)計(jì)分成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。在硬件方面針對系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在軟件方面則按需要編制了速度計(jì)算模塊、報(bào)警和故障模塊、伺服電機(jī)執(zhí)行模塊、增塑劑執(zhí)行模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊等FC塊和預(yù)設(shè)、保持系統(tǒng)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊DB塊。
(1) 硬件設(shè)計(jì)與組態(tài)
本系統(tǒng)在S7-300的硬件方面采用了1塊PS307 5A電源模塊，1塊CPU-315-2DP，4塊24V/0V SM321數(shù)字量輸入模塊，3塊24V/0.5A SM322數(shù)字量輸出模塊，1塊FM352-2高速計(jì)數(shù)模塊，2塊SM331模擬量輸入模塊，1塊SM332模擬量輸出模塊以及用于DP總線通訊的IM153-1通訊模塊1塊。
S7-300外圍設(shè)備為5個伺服電機(jī)的DP通訊端。
對上述硬件按要求進(jìn)行組態(tài)，分別占據(jù)Profibus-DP通訊端的2、3~7和9號站，具體硬件組態(tài)如圖3所示。
(2) 軟件設(shè)計(jì)
由于編制的用戶功能模塊很多，限于篇幅，在這里不能一一作出介紹。以下介紹幾個比較重要的用戶功能模塊。
① 數(shù)據(jù)塊組（Group of Data-Blocks）
數(shù)據(jù)塊組由一系列數(shù)據(jù)塊組成。這些數(shù)據(jù)塊除了一部分是S7-300程序中FB（功能塊的一種）所要求的之外，其他的數(shù)據(jù)塊都是用戶自定義的。這是因?yàn)樯a(chǎn)中機(jī)組的一些系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)必須被預(yù)設(shè)或保存。由于S7-300內(nèi)部保持型M區(qū)的保存數(shù)量相對不足，例如：CPU315-2DP中整個可使用的M區(qū)的容量僅1024Bytes。同時(shí)，程序運(yùn)行中所大量使用中間參數(shù)也需要不可重復(fù)的地址空間，所以將大部分的數(shù)據(jù)（特別是在觸摸屏上顯示的參數(shù)）編制成保持型DB塊。
圖3 硬件組態(tài)
② 速度計(jì)算模塊(FC for Speed)
雖然機(jī)組的最高生產(chǎn)能力為400m/min，但是在許多煙廠并不需要一直運(yùn)行在高速度下。該項(xiàng)目提供可從觸摸屏上選擇5檔不同的車速系統(tǒng)，本模塊就是將無序設(shè)定的參數(shù)按由大到小的方式降序排列，并在觸摸屏上以這種次序顯示出來。在程序內(nèi)部，本模塊會進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)提供給伺服電機(jī)執(zhí)行模塊。
③ 伺服電機(jī)執(zhí)行模塊(FC for Servo-Motor)
在得到速度計(jì)算模塊和一些其他模塊（如開松輥參數(shù)模塊等）的數(shù)據(jù)后，伺服電機(jī)執(zhí)行模塊會向?qū)?yīng)的伺服控制塊發(fā)出指令和接收伺服電機(jī)狀態(tài)參數(shù)。指令包括伺服控制字、車速命令、快停命令、上升時(shí)間和下降時(shí)間等，狀態(tài)參數(shù)包括電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度等。這些指令和參數(shù)通過過程通道和參數(shù)通道兩種方式控制“一主三從”共計(jì)4個伺服電機(jī)。
④ 增塑劑執(zhí)行模塊(FC for Glyceride-Motor)
控制增塑劑的伺服電機(jī)是相對獨(dú)立于其他伺服電機(jī)，控制結(jié)構(gòu)類似于主電機(jī)。增塑劑執(zhí)行模塊通過內(nèi)部計(jì)算得到增塑劑伺服電機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí)，由于存在增塑劑軟件補(bǔ)償?shù)膯栴}，所以高速和低速運(yùn)行的參數(shù)為不同的兩組參數(shù)，程序按設(shè)置發(fā)送。這是這個模塊區(qū)別于伺服電機(jī)執(zhí)行模塊的地方。
⑤ 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊(FC for Statistics)
由于要在生產(chǎn)中向工作人員提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀況，所以編制了這個功能塊，這樣就可以通過多次反復(fù)調(diào)用FC205來得到各班次的生產(chǎn)狀況。這樣節(jié)約了編程的時(shí)間和工作量，也同時(shí)減少了程序編寫出錯的隱患。
4 結(jié)語
該控制系統(tǒng)全面提高了纖維濾棒成型機(jī)組的總體性能，控制功能得到完善和提升。將舊的交流變頻控制系統(tǒng)升級為由S7-300控制下交流伺服系統(tǒng)，使KDF2型纖維濾棒成型機(jī)具有新的競爭力。
考慮到今后煙廠信息集成化和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集的需要，這里使用的S7-300已經(jīng)預(yù)留了數(shù)據(jù)采集端口，在程序中也進(jìn)行了相應(yīng)的處理。這無疑又增強(qiáng)了機(jī)組的生命力。
