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ZJ112卷烟机自动化控制及改进研究

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：商云天

[导读] 摘要：为了掌握ZJ112卷取机电气控制系统的核心技术，避免引进HAUNI公司专有的HIP、SRM、CIS、CAN等模块或系统，对其硬件结构和软件算法进行了分析。

        山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂 250100
        摘要：为了掌握ZJ112卷取机电气控制系统的核心技术，避免引进HAUNI公司专有的HIP、SRM、CIS、CAN等模块或系统，对其硬件结构和软件算法进行了分析。采用先进的ARM微处理器优化实时系统的控制设计，采用PROFIBUS-DP现场总线代替西门子S5协议。在样机的测试和生产过程中，机组的重量数据、质量数据、抽样和报废处理均符合设计要求。通过国产化设计，控制系统能够满足用户的各种个性化需求，比进口部件具有更高的性价比和更好的可扩展性。
        关键词：ZJ112；现场总线；实时控制
        1前言
        PROTOS90E卷烟机是德国豪尼公司引进的一种生产速度为10，000支/分钟的卷烟机。该设备的给烟机采用流化床技术输送烟丝；滚压成型部分采用自动换纸机、双色牌盒、水冷烟嘴、自动供胶、虎克刀头、蜘蛛手交接等技术；MAX部分采用“五点”拼接、正压检测、红外短位置检测等技术；电气控制系统采用了可编程控制器、工业控制计算机、触摸屏、总线、WAGO分布式I/O等技术，在机械结构和电气控制方面更为先进，自动化程度更高，从而降低了操作人员的劳动强度。通过电控系统的国产化设计，不仅可以替代进口的电控系统，还可以充分掌握这些核心技术，为国产抽油烟机电控系统的研发奠定基础。
        2系统结构
        ZJ112型卷接机组的电气控制系统(图1)主要由MLP、SRM、CIS、HIP 等 CAN 总线节点组成.MLP 生产线处理器，实现控制系统各个调节、检测装置的设置，卷接机组生产数据的监测及显示。
        SRM 烟支重量检测系统，实现烟支重量的控制，为 HIP 剔废/取样提供依据(包括超轻烟、超重烟、软点、硬点、轻烟端等的检测和剔除)。
        CIS 烟支质量控制系统，实现烟支质量的检测，为 HIP 剔废/取样提供依据(包括空头、漏气、OTIS、*通风度、*吸阻的检测和剔除)。
        HIP 高速处理模块，实现烟支的剔废/取样、控制系统(PLC)与 CAN 总线的通讯、高速信号的处理。

        图1 ZJ112 型卷接机组电气控制系统结构
        3国产化设计
        3.1微处理器的选用
        最初的系统设计于20世纪90年代，其中使用的一些关键部件在20世纪80年代中后期开始投放市场。当时，主流组件仍然存在技术相对落后、进一步扩展空间不足等问题。此外，这些部件已经停产，当它们不能在市场上购买时，电子部件将面临升级的问题。为了满足机组的数据处理能力，选择了飞利浦的LPC2292 32位ARM微处理器。
        3.2通信系统的实现
        作为项目中系统各个部分的主要通信方式，通过 CAN 总线完成下列各项任务：
        （1）传递机器时钟脉冲；
        （2）控制烟条和烟支的剔废和取样(CRDX)；
        （3）展开相连的各总线用户之间的一般通讯.
        图2为CAN总线示意图. 总线用户的一般通讯是通过 CAN 应用层进行的，而剔废和取样的控制对 CAN 总线的实时性有了更高的要求. 这些要求通过一般的 CAN 应用层已无法满足，因此采用实时性较强的专用应用层 CRDX(烟支相关数据交换)协议进行。

        图2 CAN 总线
        3.3 SRM 重量控制系统
        SRM 90E 逻辑关系如图 3 所示。KIK 卡是 SRM90E 的中心计算卡，烟支的密度经过微波扫描器采集，由 CAN BUS 1 传给 KIK 卡。经过 KIK 内部算法计算出烟支的重量，与目标重量相比较，可以判断烟支重量是否合格。同时，对烟支重量的差值进行统计，根据相关算法进行分析，相隔一段时间就通过 CAN BUS 2 上传给 MLP。发现内部废烟则将其信息发送到 HIP 进行剔废处理。

        图3 SRM 90E 逻辑关系
        3.4CIS 烟支检测系统
        CIS 的内部结构如图 4 所示。CIS 烟支检测系统接收来自空头和漏气检测传感器的信号并进行处理，判断出不符合质量标准的烟支，通过 CAN 总线发送给 HIP 进行相应的剔除处理。剔除的数量和百分比、当前值和平均值通过 CAN MAX 总线传输给 MLP，并以检测系统报告的形式显示在相关的画面上。
        检测系统能够将接收到的检测值与输入的极限值作比较。任何一个超出其极值的检测值都会激发一个相应的信息并传输给 MLP。如果生产的“坏烟”过多，将会通过 CAN MAX 总线向 PLC 发出停机指令并触发停机。
        3.5 HIP 模块
        HIP 是用于对机组高速输入输出信号实时处理的模块。PLC与HIP在某种意义上是一个整体，原设计采用了 SIEMENS 的S5协议，将 HIP 模块直接插到PLC的底板上. 由于受 SIEMEMNS 专利保护的限制，项目设计时采用了通过 PROFIBUS-DP 与PLC 连接的方案。所有 PLC 的相关数据写入双口RAM 上，PLC 对双口 RAM 中数据的读取和写入通过 PROFIBUS-DP 来实现。

        图4 CIS 烟支检测系统
        图 5 为 HIP 模块的电气原理图. 其中的 EPLD模块基于 FPGA (现场可编程门阵列)技术，用来对机组的快速脉冲信号(如轴编码器)进行分频、移相等处理。

        图5 HIP 电气原理
        4关键技术问题及解决方案
        4.1 SRM 与进口微波扫描器的通信
        在项目的进行中，国产的微波扫描器暂时无法满足实际生产的需要，而 HAUNI 公司对微波扫描器进行技术保密，必须重新设计微波关键部分的通信协议，通过 CAN 总线读取微波检测的 5 段烟支重量，实现烟丝分布曲线。
        4.2 HIP 的顺序控制软件分析
        HIP 的顺序控制软件是 HIP 软件的一个核心组成部分，这部分软件详细记录下每一支烟的状态，并且通过每一支烟的状态控制机组的执行动作。通过重新编制这部分软件，不仅掌握了机组烟支生产的核心控制过程，而且还可以按照用户的实际需要改变整个控制过程的一些逻辑关系，从而提高机器的运行效率。
        4.3 烟支相关数据交换(CRDX) 协议的实现
        每一支烟的烟支状态由 HIP、SRM、CIS 通过CRDX 进行通信，最后废烟和取样烟全部由 HIP 剔出。
        5总结
        ZJ112卷取机国产电气控制系统的功能和技术指标已达到PROTOS 90E进口部件的水平，完全可以替代进口产品。普通电气元件的选择和最重要的中央微处理器的选择都优于进口元件的设计，这为电气设计中现有系统的升级留下了足够的空间。
        ZJ112卷取机电气控制系统国产化项目直接影响到ZJ112卷取机的生产成本及其对HAUNI公司的技术依赖。国产化项目完成后，机组的生产成本将大大降低，这可以充分体现产品的价格优势。研究电气控制系统的核心技术，逐步积累，形成自己的设计模式，对我国烟草机械产品的升级和发展具有重要意义。
        参考文献
        [1]徐晓龙.卷烟机组的PLC控制系统开发及应用实践研究论述[J].电脑知识与技术，2016, 12 (5) :247-249
        [2]赵迎春.YJ17供料成条机电气系统的设计与研究[J].沈阳工程学院学报(自然科学版)，2016, 12 (3) :223-226
        [3]赵迎春.基于PLC的YJ17卷制成型机电控系统的分析[J].兰州工业学院学报，2017, 24 (1):73-76
        [4]周锐鹏.基于INTERBUS现场总线的PROTOS卷接机的设计[J].南京航空航天大学，2004