1. 概述
纖維濾棒成型機(jī)組是卷煙廠生產(chǎn)過濾嘴棒設(shè)備。近年來，卷煙生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，過濾嘴棒質(zhì)量直接影響到香煙口感和對煙氣中有害物質(zhì)過濾，而過濾嘴棒質(zhì)量很大一部分原因取決于設(shè)備動態(tài)及穩(wěn)定運(yùn)行，我廠現(xiàn)主要生產(chǎn)的是ZL22A濾棒成型機(jī)組，ZL22A機(jī)組動力是靠變速箱及同步齒形帶來傳遞，開松輥三個輥調(diào)速是靠無級變速器來實(shí)現(xiàn)，為了能使設(shè)備更穩(wěn)定運(yùn)行，我們對該設(shè)備進(jìn)行伺服了改造，取消無級變速器等的機(jī)械傳動，用伺服控制器來代替，改造后的設(shè)備稱為ZL22C纖維濾棒成型機(jī)組，它的生產(chǎn)速度由400m/min提高到500m/min；其主控部分采用的是SIEMENS的S7-300系列PLC(可編程控器)，機(jī)組的主傳動采用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器組成的電軸同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)跟隨精度高、可靠性強(qiáng)，它取代了ZL22A開松機(jī)部分的無級減速器等機(jī)械部件，使維修更加方便、控制更加靈活。PLC與9300系列伺服通過Profibus DP總線進(jìn)行通訊，將主軸的啟停信號、運(yùn)行速度、從軸的運(yùn)行比例預(yù)置到發(fā)送給各控制器，控制器將一些動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。在換紙技術(shù)上，ZL22C采用的是不降速換紙，這樣使操作方便、快捷，同時也提高了生產(chǎn)效率, 使吸阻更穩(wěn)定操作和維修更方便。下圖為ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組的同步系統(tǒng)控制圖：
ZL22C濾棒成型機(jī)組性能雖然在ZL22A濾棒成型機(jī)組的基礎(chǔ)上有了很大改進(jìn)，但是為了在煙草行業(yè)能有更大的市場、更強(qiáng)的競爭力，我們還必須對ZL22C機(jī)組做進(jìn)一步的改進(jìn)，通過對煙草市場的調(diào)研、分析，我們將提高濾棒長度的控制精度、系統(tǒng)的實(shí)時快速響應(yīng)性提到日程上來。提高棒長的控制精度使機(jī)組的性能更優(yōu)越，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時快速響應(yīng)性它不但可以將大家都關(guān)心的同步控制精度的同步誤差實(shí)時的顯示出來，還可以為將來開發(fā)一些實(shí)時在線檢測設(shè)備留有開發(fā)空間。
2. 提高棒長的控制精度
2.1 ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組濾棒的形成
ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組由開松機(jī)、成型機(jī)、裝盤機(jī)三部分組成，纖維束通過懸臂上的扁平噴咀吹開纖維束使其寬些，再經(jīng)過兩個轉(zhuǎn)速不同的開松輥對其進(jìn)行拉伸和開松，然后進(jìn)入噴淋室噴灑三醋酸甘油乙脂，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向輥傳送到成型機(jī)上的收集喇叭口，接著絲束與過濾棒紙帶一起送到成型腔中成型，形成過濾棒后由切刀裝置切成單根的過濾棒，最后進(jìn)入裝盤機(jī)進(jìn)行裝盤。下圖為ZL22C濾棒形成示意圖：
2.2如何提高棒長的控制精度
ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組的過濾棒長度主要是由同步系統(tǒng)中控制物料進(jìn)給的布帶輪電機(jī)與控制切割的刀頭電機(jī)的同步性來決定的，提高棒長控制精度主要是提高它們的電機(jī)編碼器反饋精度及伺服控制器的控制精度。
ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組選用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器及旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機(jī)。我們的具體做法就是將旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機(jī)該為編碼器反饋伺服電機(jī)，下面的表格為反饋精度的對比表。
注：以3000轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)
提高伺服控制器的控制精度，我們將9300系列控制器升級到處理速度更快的9400系列。
3. 9400系列伺服在ZL22C型機(jī)組上的具體應(yīng)用
3.1 9400系列伺服控制器的突出特點(diǎn)
9400系列控制器之所以優(yōu)于9300系列控制器是由它的自身特點(diǎn)決定的。
*具有高性能驅(qū)動，具有模塊化設(shè)計、全組裝概念以及簡便可集成的安全技術(shù)。
*中心處理器由9300系列的16位改為32位，信號分辨率提高一倍。
*它的安裝背板和驅(qū)動電子模塊是分開的，使它的組裝和使用非常的方便；模塊化的驅(qū)動系統(tǒng)更容易地適應(yīng)用戶的應(yīng)用，使用戶具有更大的自由度；
*可選的、可插拔的安全模塊滿足IEC61508SIL8安全標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 9400系列伺服控制器的硬件配置
為了控制系統(tǒng)的的兼容性，我們將ZL22C機(jī)組的整個電軸同步系統(tǒng)都改為9400系列。我們采用的是9400多軸伺服驅(qū)動，內(nèi)置制動斬波器，整個同步系統(tǒng)配置一個電源模塊，采用直流母線方式供電，它比單軸伺服驅(qū)動的有很好的性價比，配置如下圖：
E94APNE1004為電源模塊
E94AMHE0244、E94AMHE0074、E94AMHE0024為9400伺服控制器
E94AZEX100為直流輸入模塊
X109、X110為直流母線供電
3.3 9400系列伺服控制器同步系統(tǒng)的控制方式
在9300系統(tǒng)里采用的是實(shí)主軸控制方式，由實(shí)際主軸（刀頭伺服）發(fā)送自身的位置，通過數(shù)頻級聯(lián)的方式把主軸的位置傳遞給從軸，從軸（布帶輪等）按一定跟隨比例跟隨主軸同步運(yùn)行，主軸自身會比從軸滯后一個1ms掃描周期，要想克服這個滯后，在9400系統(tǒng)中，我們采用虛擬主軸控制方式，即采用第三方控制器通過CAN總線發(fā)送同步報文，我們將裝盤機(jī)的鏈條電機(jī)作為虛擬主軸，它只用來發(fā)送同步報文不參與控制，虛擬主軸通過報文將主軸的位置告知從軸，從軸刀頭電機(jī)、布帶輪等同時收到報文后按一定的比例同時隨動，這大大提高了同步系統(tǒng)的控制精度。控制方式如下圖：
3.4 9400系列伺服控制器軟件介紹
9400系列伺服控制器軟件為Engineer 9400 工程軟件，它是一體化的編程、調(diào)試軟件，即一個項目一個程序，多根軸同時編輯在一個項目里，調(diào)試時可多根軸同時占線調(diào)試。這樣給編程、調(diào)試帶來更大的方便。
下圖示出伺服控制主要信號流程圖：
伺服控制系統(tǒng)是通過Ethercat總線來完成上位機(jī)PC與伺服控制器之間通訊， 參數(shù)通道傳送速度比較慢，用于一些不需要實(shí)時處理的控制參數(shù)如：控制器上升時間、下降時間等參數(shù)的設(shè)定，而過程通道傳送速度比較快，用于一些需要快速處理的參數(shù)如：速度給定、比例調(diào)整、速度讀出、急停等控制。
主要功能塊介紹：
NSET 速度設(shè)定及斜坡發(fā)生器設(shè)定模塊
虛擬主的速度通過模擬量的電位器或數(shù)字量的上位機(jī)將速度給定到NSET模塊，設(shè)定后速度可通過內(nèi)部斜坡發(fā)生器來控制其平穩(wěn)增減速度及啟停。
MCTRL 電機(jī)控制模塊
它可對電機(jī)速度和相位進(jìn)行控制，它內(nèi)部是一個三閉環(huán)控制系統(tǒng)即速度環(huán)、相位環(huán)、電流環(huán)，可調(diào)節(jié)模塊中PI參數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)穩(wěn)定性。
DFSET 比例調(diào)節(jié)模塊
用于從機(jī)與主機(jī)比例關(guān)系設(shè)定。
9400系統(tǒng)伺服控制器程序介紹，ZL22C濾棒成型機(jī)組各電機(jī)控制曲線如下圖所示。
工作過程
機(jī)組工作方式有兩種，一種是手動控制，將速度給定電位器接到模擬輸入端子上。另一種是自動控制，總線模塊Ethercat將工作速度輸入到伺服控制器，兩種工作方式靠選擇模塊ASW選擇輸入到NSET模塊，NSET速度輸出端再與電機(jī)模塊MCTRL連接,控制電機(jī)。ASW選擇端ASW-SET及電機(jī)轉(zhuǎn)向R/L/Q靠Ethercat的BOOL量控制。虛擬主機(jī)靠總線CAN模塊發(fā)送同步報文將速度及相位量傳給從機(jī)(三個輥)，從機(jī)通過CAN總線接收同步報文后按比例運(yùn)行，從機(jī)比例調(diào)整則依靠DFSET模塊來完成。，比例分母保持不變，將比例分子端連到Ethercat過程通道，通過上位機(jī)給定。
換紙電機(jī)M6控制器程序
該從控制器程序與其他不同的是，它有自己啟停曲線要求，即保證新舊紙盤順利拼接，啟動新紙盤時，新盤紙不被拉斷，所以需用NSET 模塊的斜坡需按“S”形爬升，當(dāng)速度與主機(jī)同步運(yùn)行時發(fā)送給上位機(jī)一同步信號，產(chǎn)生接紙動作，接紙動作完成后，一定延時，接紙電機(jī)停止運(yùn)行，再延時松開使能，準(zhǔn)備下次接紙。紙接頭的跟蹤靠伺服控制器兩個相位積分PHINT1和PHINT2的差決定剔除位置，由Ethercat總線通知上位機(jī)PC打開剔出電磁閥產(chǎn)生剔出動作。
甘油泵M15電機(jī)控制器程序
該從控制器程序與輥控制器程序基本相同，不同是它啟動信號單獨(dú)控制，即按鈕按下啟動信號后，立即跟隨主機(jī)達(dá)到同步速度。
4. 提高主控系統(tǒng)的實(shí)時快速響應(yīng)性
4.1倍福（BECKHOFF）PC的選擇
為了使9400的快速處理速度得到充分發(fā)揮，應(yīng)該提高上位機(jī)的處理速度，ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組系統(tǒng)的主控部分為SIMATIC S7-300可編程控器，整個系統(tǒng)的執(zhí)行掃描周期為27ms，我們生產(chǎn)一支濾棒的掃描周期為t=60秒/5000支=12ms（生產(chǎn)速度為500m/min；每支棒100mm長）這樣對于檢測每支濾棒參數(shù)的實(shí)時性是無法達(dá)到的，掃描周期想大幅度的提高，必須將PLC改為PC控制，下圖為PLC與PC控制的掃描周期對比圖：
從上圖可以看出PC的執(zhí)行時間遠(yuǎn)小于PLC,所以我們選擇PC作為機(jī)組的主控系統(tǒng)，我們選定德國倍福（BECKHOFF）CP62 xx系列的PC作為整個系統(tǒng)的中心處理主站單元，它配有高性能的 Intel® 處理器（Core™ Duo 和 Core™ 2 Duo）。
倍福（BECKHOFF）CP62 xx系列的PC（12〃、800×600像素）是一種嵌入式面板 PC ，它的主要性能指標(biāo)如下：
* 采用 3.5 英寸高度集成的主板，適用于 Intel® Core™ Duo 或 Core™2 Duo 2.0 GHz 處理器
* 512 MB DDR2RAM，可在出廠前擴(kuò)展到 2 GB
* 主板集成顯卡、Intel® GMA950、DVI-I 接口
* 主板集成雙以太網(wǎng)適配器，
* 結(jié)合 Windows XP 或 Windows CE 下運(yùn)行的的高性能 TwinCAT 自動化軟件
* 用于在失電保護(hù)時保存數(shù)據(jù)的 NOVRAM 也可通過迷你 PCI 插槽插入
4.2系統(tǒng)的通訊
我們選擇CP6201自身集成的通訊方式EtherCAT，因為EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它擴(kuò)展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預(yù)測性、定時及高精度同步等特點(diǎn)。EtherCAT通訊速度極快,系統(tǒng)循環(huán)時間為100 µs (min. 50 µs),減小了數(shù)據(jù)傳輸時間,加快了任務(wù)的執(zhí)行速度，1000 個分布式 I/O 數(shù)據(jù)的刷新時間僅為 30μs － 其中包括端子模塊周期時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá) 1486 字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于 12000 個數(shù)字量 I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用 300 μs。
5. ZL22C濾棒成型機(jī)組同步控制系統(tǒng)
L22C濾棒成型機(jī)組的主控部分選擇了BECKHOFF的PC，傳動部分選擇了LENZE的9400系列伺服，通訊采用的是EtherCAT總線，現(xiàn)行的控制系統(tǒng)圖如下圖：
系統(tǒng)的總線端子模塊I/O通過EtherCAT與CP6201進(jìn)行通訊，連接通訊的總線耦合器EK1100作為總線通訊端子模塊，它能自動識別所連接的總線端子模塊，并自動將輸入/輸出分配到過程映像區(qū)的字節(jié)中。該系統(tǒng)用到了常規(guī)的數(shù)字量模塊外，還用到了溫度模塊EL3204和高速模塊EL1502,這些模塊，所有模塊均為12mm寬，非常小巧，而且每個模塊的最小通道可為1通道，使系統(tǒng)非常靈活，維修費(fèi)用大大降低。
現(xiàn)場總線端子盒通過EtherCAT將裝盤機(jī)的接近開關(guān)、光電開關(guān)的信號直接返給CP，大大提高了其響應(yīng)速度，另外將接近開關(guān)、光電開關(guān)集成管理即節(jié)約了成本也減少了工人的工作量。
傳動部分通過9400伺服控制器與伺服電機(jī)組成一個電軸同步系統(tǒng)，同步系統(tǒng)的啟停信號及比例參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息通過EtherCAT總線在PC與同步系統(tǒng)之間傳送，同步系統(tǒng)的位置信號通過虛擬主的CAN總線發(fā)送的同步報文告知各從軸的具體位置。
6. 改造效果
6.1提高了濾棒的長度精度
下表為系統(tǒng)改進(jìn)前后連續(xù)10支濾棒長度對比表（L=120mm）
車速：4166filter/min
測試廠家：
改前江西某卷煙廠
改后廣東某卷煙廠
從上面折線圖上我們可以清晰地看出棒長的穩(wěn)定性、控制精度比改前好很多。
6.2縮短系統(tǒng)的掃描周期
系統(tǒng)的掃描周期從27ms下降到2ms，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時性、快速響應(yīng)性，使得伺服控制系統(tǒng)的跟隨誤差曲線得以實(shí)時的顯示，如下圖：
上圖的兩條曲線的數(shù)據(jù)是從伺服控制器傳送給上位機(jī)PC6201的，以前的掃描周期是無法快速地傳送該動態(tài)數(shù)據(jù)。
由于系統(tǒng)的實(shí)時性、快速響應(yīng)性遠(yuǎn)小于生產(chǎn)一支濾棒的掃描周期為t=12ms，這樣為以后系統(tǒng)配置一些實(shí)時檢測設(shè)備（如：吸阻的測量儀）奠定了基礎(chǔ)
6.3提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度
