1 引言

　　隨著煙草制造業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，煙草行業正面臨著空前的壓力和挑戰。 為了適應不斷變化的市場形勢，煙草包裝廠商也在不斷地進行技術革新，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公司20世紀90年代早期推出的產品，用于卷煙小盒軟盒包裝，包裝質量穩定。但是經過十幾年的運行，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題。其中，控制系統采用的工業計算機的各種板卡已被淘汰；交流伺服電機及其驅動器早已過時，其控制方式也不夠合理；應用程序對用戶不透明，維護困難等。為此，決定對該控制系統進行改造。

　　雖然客戶提出了非常苛刻的技術需求，然而，貝加萊的PCC以其應對復雜控制的整體化集成能力贏得了客戶的信任，成功地完成了該改造項目的實施。

2生產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：
　　（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的最快任務周期應小于370us。
　　（2）對于所有的角度檢測傳感器的檢測值，要求保存5圈之內的任何角度的狀態數據。如20個傳感器，需要保存 20*5*360=36000個數據（每度保存一個數據）。
　　（3）對于伺服驅動器，要求能夠實現復雜的電子凸輪(CAM) 同步功能。
　　（4）對于改造設備，可以實現減速比為非整數的電子齒輪功能。
　　（5）支持熱插拔功能
　　要求I/O模塊支持”熱插拔”功能，以便現場能夠對模塊進行在線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施更換。
　　（6）支持OPCServer功能
　　（i）要求主控通過OPC方式進行數據采集。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據采集；
　　（ii）貝加萊提供OPC Server (PVI OPC)及測試工具；
　　（iii）OPC是工控領域（軟件之間的）標準通訊規范；
　　（iv）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  貝加萊控制產品的優勢

　　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鍵硬件應用。

（1）高速任務處理：B&R 2005 CPU380處理器的任務周期可以達到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的變量分配內存，如需要可動態分配，64MB SDRAM數據存儲和可擴展的數據及程序存儲滿足工藝參數存儲需要。

（3）擁有一體化集成軟件開發平臺Automation Studio和多語言開發功能：支持梯形圖、語句表、結構文本、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：可以實現各種伺服運動控制和電子齒輪電子凸輪控制，實現動態修改數據，動態切斷跟隨動作等強大靈活的功能。

（5）特殊傳感器檢測：有些傳感器會產生200us長度，一定頻率的脈沖用來表示傳感器狀態，X20DI2377模塊可以檢測該信號，最短可以檢測到10us。

（6）完整的產品線：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。還有伺服驅動器、同步伺服電機、工控機（APC）等產品。

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控制單元（伺服驅動控制）、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X2X總線連接，并通過Ethernet與上位觸摸屏實現數據通訊；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 ，最小循環任務時間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，主機轉速450轉/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，還控制三臺伺服驅動器——兩臺用于控制鋁紙盤，另一臺控制出口皮帶。

圖1  系統結構和硬件配置圖

3.3  控制系統工作原理概述

　　主軸電動機由變頻器驅動，連接一個外接編碼器，出口皮帶跟隨這個外接編碼器運行。為了減小可能產生的測量誤差，采用了格雷余碼式編碼器，使用了9根導線。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，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勢。

　　兩臺送鋁紙的伺服控制采用速度閉環控制，由PCC主機通過Ethernet POWERLINK發出基本給定速度，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。該設備裝設有一個擺桿，可以左右擺動以穩定張力。通過模擬量輸入讀入擺桿的位置，采用PID閉環來控制送鋁紙伺服的速度。

　　當設備運行的時候，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，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，為了方便操作人員設定檢測角度，需要對傳感器的5圈以內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，那么就需要調試人員有較多的經驗。

　　該設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，可以方便地實現控制并自動優化溫控參數。

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臺伺服驅動器）和出口皮帶的控制。圖2示出了鋁紙盤伺服控制系統的簡化原理方框圖，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，結束運動角度，每次步長均可以動態修改。（設備運行中修改并生效）

（2）鋁紙盤的伺服速度由主機發送，主機檢測設備運行速度和鋁紙盤擺桿位置，計算出應該運行速度，發送給伺服。

4  關鍵技術要素

　　在其他煙草設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，打破同步關系后自動復位。例如德國某煙草包裝DT設備，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，為了保證主軸每轉一圈伺服跟隨距離沒有累計誤差，所以需要按照減速比設定伺服編碼器參數。對于貝加萊的伺服，我們有專門的參數可以設定伺服單位，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