1 引言
隨著煙草制造業(yè)重組的日益深化以及中國2009年開始將實施國際《煙草控制框架公約》等外在影響，煙草行業(yè)正面臨著空前的壓力和挑戰(zhàn)。 為了適應(yīng)不斷變化的市場形勢，煙草包裝廠商也在不斷地進行技術(shù)革新，很多煙草設(shè)備急需改造，希望改造后的設(shè)備控制系統(tǒng)速度更快、精度更高、性能更穩(wěn)定。
BO型卷煙包裝機是德國斯幕門公司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(wěn)定。但是經(jīng)過十幾年的運行，其電控系統(tǒng)不同程度地出現(xiàn)元器件陳舊老化，故障率逐年遞增的問題。其中，控制系統(tǒng)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(qū)動器早已過時，其控制方式也不夠合理；應(yīng)用程序?qū)τ脩舨煌该鳎S護困難等。為此，決定對該控制系統(tǒng)進行改造。
雖然客戶提出了非?？量痰募夹g(shù)需求，然而，貝加萊的PCC以其應(yīng)對復(fù)雜控制的整體化集成能力贏得了客戶的信任，成功地完成了該改造項目的實施。
2生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的要求
工藝對控制系統(tǒng)的性能提出了較高的要求，主要包括以下：
（1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(yīng)小于370us。
（2）對于所有的角度檢測傳感器的檢測值，要求保存5圈之內(nèi)的任何角度的狀態(tài)數(shù)據(jù)。如20個傳感器，需要保存 20*5*360=36000個數(shù)據(jù)（每度保存一個數(shù)據(jù)）。
?。?）對于伺服驅(qū)動器，要求能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的電子凸輪(CAM) 同步功能。
（4）對于改造設(shè)備，可以實現(xiàn)減速比為非整數(shù)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(xiàn)場能夠?qū)δK進行在線診斷和在不影響設(shè)備正常運行的條件下對其中的某些故障電氣元件實施更換。
?。?）支持OPCServer功能
?。╥）要求主控通過OPC方式進行數(shù)據(jù)采集。通過在工控機安裝OPC軟件可以與所有上下位機進行通訊與數(shù)據(jù)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(guī)范；
?。╥v）PVI OPC支持2.0(兼容1.0)；PVI OPC支持包括數(shù)組在內(nèi)的14種數(shù)據(jù)格式。
3 控制系統(tǒng)的構(gòu)成
3.1 貝加萊控制產(chǎn)品的優(yōu)勢
在這個項目中，B&R硬件的靈活性、豐富性贏得了客戶的認可，在這里主要介紹項目中的幾個關(guān)鍵硬件應(yīng)用。
（1）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，完全滿足快速包裝對于角度的檢測和報警的判斷。
（2）大容量存儲能力：64kB的變量分配內(nèi)存，如需要可動態(tài)分配，64MB SDRAM數(shù)據(jù)存儲和可擴展的數(shù)據(jù)及程序存儲滿足工藝參數(shù)存儲需要。
（3）擁有一體化集成軟件開發(fā)平臺Automation Studio和多語言開發(fā)功能：支持梯形圖、語句表、結(jié)構(gòu)文本、功能塊圖等IEC61131標準編程語言和ANCI C、Automation Basic高級語言。
（4）靈活的伺服功能：可以實現(xiàn)各種伺服運動控制和電子齒輪電子凸輪控制，實現(xiàn)動態(tài)修改數(shù)據(jù)，動態(tài)切斷跟隨動作等強大靈活的功能。
（5）特殊傳感器檢測：有些傳感器會產(chǎn)生200us長度，一定頻率的脈沖用來表示傳感器狀態(tài)，X20DI2377模塊可以檢測該信號，最短可以檢測到10us。
（6）完整的產(chǎn)品線：B&R為系統(tǒng)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(qū)動器、同步伺服電機、工控機（APC）等產(chǎn)品。
3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置
其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置如圖1所示。該系統(tǒng)從下至上主要由運動控制單元（伺服驅(qū)動控制）、主控制器PCC和上位觸摸屏三大部分構(gòu)成。PCC與其X20擴展I/O模塊通過X2X總線連接，并通過Ethernet與上位觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；PCC還通過Ethernet POWERLINK總線與1臺主軸變頻器和3臺伺服控制器通訊。
系統(tǒng)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(zhuǎn)速450轉(zhuǎn)/分時，可以對每一度進行采樣，并判斷各種報警。主機所有檢測角度均為具體角度，沒有采用角度范圍。主機可以對22個傳感器5個周期的每一度的狀態(tài)進行保存，便于用戶修改檢測角度。
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個本地模塊，通過X2X接口擴展了14個遠程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(qū)動器——兩臺用于控制鋁紙盤，另一臺控制出口皮帶。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配置圖
3.3 控制系統(tǒng)工作原理概述
主軸電動機由變頻器驅(qū)動，連接一個外接編碼器，出口皮帶跟隨這個外接編碼器運行。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(dǎo)線。這樣我們檢測到的角度只有0-359度，方便后續(xù)信號的角度檢測及判斷。
格雷碼的特點是每兩個碼之間只有一個位的改變，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(yīng)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101 101 010，兩者切換時只變化一位，符合格雷碼的特點，而0與360的格雷碼相差不止一位，切換時就可能出錯。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Ethernet POWERLINK發(fā)出基本給定速度，通過微小的給定速度差值來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候，要對伺服減速以防止送料過多張力變化。該設(shè)備裝設(shè)有一個擺桿，可以左右擺動以穩(wěn)定張力。通過模擬量輸入讀入擺桿的位置，采用PID閉環(huán)來控制送鋁紙伺服的速度。
當設(shè)備運行的時候，所有的傳感器在要求檢測的角度進行檢測，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(xù)給料也要相互對應(yīng)，不合格的煙包不能繼續(xù)給料。同時，為了方便操作人員設(shè)定檢測角度，需要對傳感器的5圈以內(nèi)的所有角度檢測值進行保存，以方便查看。有時高速與低速的檢測角度也不一樣，需要仔細觀察才能找到比較合適的檢測角度，如果不能記錄下來，那么就需要調(diào)試人員有較多的經(jīng)驗。
該設(shè)備還有幾路溫度控制，測溫元件使用了三線接法的熱電阻，消除了導(dǎo)線電阻帶來的誤差。貝加萊有多種專門控制溫度的PID，可以方便地實現(xiàn)控制并自動優(yōu)化溫控參數(shù)。
3.4 運動控制單元的功能
該包煙機的運動控制包括鋁紙盤（采用2臺伺服驅(qū)動器）和出口皮帶的控制。圖2示出了鋁紙盤伺服控制系統(tǒng)的簡化原理方框圖，圖3則為出口皮帶伺服控制示意圖。
圖2 鋁紙盤伺服控制系統(tǒng)簡化原理方框圖
圖3 出口皮帶伺服控制示意圖
（1）出口皮帶是電子凸輪運動，當有煙包出來的時候跟隨推桿一起向前運動，當沒有煙包出來的時候不動作，同時有一手動按鈕可以控制出口皮帶一直運動。出口皮帶起始運動角度，結(jié)束運動角度，每次步長均可以動態(tài)修改。（設(shè)備運行中修改并生效）
（2）鋁紙盤的伺服速度由主機發(fā)送，主機檢測設(shè)備運行速度和鋁紙盤擺桿位置，計算出應(yīng)該運行速度，發(fā)送給伺服。
4 關(guān)鍵技術(shù)要素
在其他煙草設(shè)備改造中碰到的主要問題是伺服同步，要求沒有煙的時候不運動，打破同步關(guān)系后自動復(fù)位。例如德國某煙草包裝DT設(shè)備，送鋁紙伺服控制要點如下：
（1） 減速器減速比43*53/11/33 = 6.278 無法除盡，為了保證主軸每轉(zhuǎn)一圈伺服跟隨距離沒有累計誤差，所以需要按照減速比設(shè)定伺服編碼器參數(shù)。對于貝加萊的伺服，我們有專門的參數(shù)可以設(shè)定伺服單位，這樣伺服會自動計算，保證每有累計誤差。
（2）送鋁紙時是電子齒輪工作方式，當下一包無煙的時候，需要減速進入電子凸輪，然
