贝加莱控制系统在烟草包装行业的应用

专家：刘柏严 领域：运动控制 行业：烟草 日期：09-08-22 08:29 点击数：3641

    一、项目简介

　　随着烟草制造业重组的日益深化以及中国2009年开始将实施国际《烟草控制框架公约》等外在影响，烟草行业正面临着空前的压力和挑战。 为了适应不断变化的市场，烟草包装厂商也在不断进行技术革新，很多烟草设备急需改造，希望改造后的设备控制系统速度更快、精度更高、更稳定。

　　BO型卷烟包装机是德国斯幕门公司20世纪90年代早期推出的产品，用于卷烟小盒软盒包装。包转质量稳定。但是经过十几年的运行，其电控系统不同程度地出现元器件陈旧老化，故障率逐年递增的问题。其中，控制系统采用的工业计算机的各种板卡已经淘汰；交流伺服电机及其驱动器型号陈旧，其控制方式不够清晰；程序对用户不开放，维护困难等。为此对该控制系统进行了改造。

　　在与客户前期的技术交流中，客户提出了非常苛刻的技术需求，然而，贝加莱的PCC以其应对复杂控制和集成能力赢得了客户的信任，取得了这个改造项目的实施。

　　二、项目要求

　　1. 这个项目客户提出了对控制极高的要求，性能要求

　　1.1每分钟包装450包，要求编码器可检测到任何角度，不允许丢失，这就要求PLC最快任务周期小于370us。

　　1.2对于所有的角度判断传感器，要求保存5圈之内的任何角度的状态。比如20个传感器，需要保存 20*5*360=36000个数据；

　　1.3对于伺服驱动器，客户要求能够实现复杂的电子凸轮(CAM)同步功能；

　　1.4对于改造设备可以实现减速比为非整数的电子齿轮功能。

　　2. 功能要求

　　2.1热插拔支持

　　2.1.1项目要求I/O模块支持”热插拔”功能，以便现场能够对模块进行在线诊断和在不影响设备运行状态下对其中的电气单元进行更换

　　2.2 OPC Server功能支持

　　2.2.1工程要求主控通过OPC方式进行数据采集。通过工控机安装OPC软件可以与所有上下位进行通讯与数据采集。

　　2.2.2贝加莱提供OPC Server (PVI OPC)及测试工具

　　2.2.3 OPC是工控领域标准通讯规范（软件之间）

　　2.2.4 PVI OPC支持2.0（兼容1.0）

　　2.2.5 PVI OPC支持包括数组在内的14种数据格式

　　三、贝加莱产品优势

　　在这个项目中，B&R硬件的灵活性、丰富性赢得了客户的认可，在这里主要介绍项目中的几个关键硬件应用。

　　1. 高速任务处理：B&R 2005 CPU380处理器的任务周期可以达到200us，完全满足快速包装对于角度的检测和报警的判断。

　　2. 大容量存储能力：64kB的变量分配内存，如需要可动态分配，64MB SDRAM数据存储和可扩展的数据及程序存储满足工艺参数存储需要

　　3. 多语言开发：支持C语言，Basic，梯形图，语句表，结构文本等。

　　4. 灵活的伺服功能：可以实现各种伺服运动，电子齿轮电子凸轮，可以动态修改数据，动态切断跟随动作等强大灵活的功能。

　　5. 特殊传感器检测：有些传感器会产生200us长度，一定频率的脉冲用来表示传感器状态，X20DI2377模块可以检测该信号，最短可以检测到10us。

　　6. 完整的产品线：B&R为系统提供了完整的灵活配置选择，上位机有PP100，PP200，PP300，PP400等系列性能逐步提高，上位显示变量可以达到50ms刷新。下位有2003，2005，X20系列控制器，还有伺服驱动、同步电机、工控机等产品。

　　四、硬件配置图

 
　　1. 主机控制器采用贝加莱2005系列CP380主频500 MHz ，最小循环任务时间200us，用于读取主编码器角度，主机编码器采用9位绝对式编码器，使用DI486.6-1模块读取，主机转速450转/分时，可以对每一度进行采样，并判断各种报警。主机所有检测角度均为具体角度，没有采用角度范围。主机可以对22个传感器5个周期的每一度的状态进行保存，便于用户修改检测角度（该结构体大小为22x5x360=39600Byte）；

　　2. 面板使用15寸PP320触摸屏。铝合金外框，正面IP65防护，主频500 MHz；

　　3. 主机带了7个本地模块，通过X2X接口扩展了14个远程X20模块；

　　4. 主机控制三个伺服，两个用于控制铝纸盘，一个控制出口皮带。

　　五、伺服控制

 

　　1. 出口皮带是电子凸轮运动，当有烟包出来的时候跟随推杆一起向前运动，当没有烟包出来的时候不动作，同时有一手动按钮可以控制出口皮带一直运动。出口皮带起始运动角度，结束运动角度，每次步长均可以动态修改。（设备运行中修改并生效）

　　2. 铝纸盘的伺服速度由主机发送，主机检测设备运行速度和铝纸盘摆杆位置，计算出应该运行速度，发送给伺服。

　　六、解决方案要点

　　在烟草设备改造中碰到的主要问题是伺服同步，要求没有烟的时候不运动，打破同步关系后自动复位。其中送铝纸伺服控制要点如下：

　　1. 减速器减速比43*53/11/33 = 6.278 无法除尽，为了保证主轴每转一圈伺服跟随距离没有累计误差，所以需要按照减速比设定伺服编码器参数。伺服会自动计算，保证每有累计误差。

　　2. 送铝制时是电子齿轮工作方式，当下一包无烟的时候，需要减速进入电子凸轮，在有烟的时候加速进入电子凸轮，下一包还有烟在一次进入电子齿轮。并且要考虑所有跳转的反向运动过程。

　　3. 当用户按下手动按钮，耦合关系被破坏，为了保证下一包依然准确包装，需要先走到当前应当开始的位置然后启动CAM（cam_restart）,伺服内部保存了应当走到的位置，保证了当前包的正确包装。

　　4. 使用了补偿轴。由于主轴编码器的安装位置距离真正送铝纸机构有较长距离，机械上会产生一个与速度成正比的偏差，导致了铝纸快速与慢速时长短有1-2度的误差，增加补偿后使得该误差明显变小。

　　七、结果

　　改造后设备运行效率得到明显提高，由于检测速度极大提高，实时控制，使得不良品率得到了明显的降低。

　　重新设计的画面较之之前的更加美观，易于学习操作，并且由于系统的可靠性大大提高，系统维护费也得到了大大降低。

　　客户对这个系统的改造非常满意，贝加莱产品的高性能及工程师对项目问题的解决能力得到了客户的高度评价。