IPC在ZJ17卷烟机重量控制系统中的应用

摘要：ZJ17卷烟机重量控制系统与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。文章针对ZJ17卷烟机重量控制系统存在的可靠性差、控制精度低等问题，提出基于IPC的重量控制系统改进方案并成功实施。

关键词：IPC技术；卷烟机；重量控制；控制精度

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷烟机重量控制系统主要是由人机界面、重量控制电控单元、微波检测头、轴编码器、劈刀及执行机构组成。设备正常运行时，轴编码器提供时钟脉冲，微波检测头检测运行烟条的实时密度，重量控制电控单元依据烟条密度信号计算烟支重量，与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。

1 设备现状及改造的必要性

ZJ17卷烟机重量控制系统的重量控制电控单元采用DSP数字信号处理芯片，存在运算速度低、抗干扰能力差、可靠性低等问题。三相交流电机驱动的劈刀调整机构存在响应滞后、控制精度低、稳定性差等问题，容易出现过调现象，影响烟支重量的稳定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工业个人计算机，是一种加固的增强型个人计算机。随着计算机技术的发展，基于Twincat的软PLC系统循环扫描时间已在1ms以下，已能够满足中、高速卷烟机对信号处理速度的要求。随着IPC小型化、模块化的发展，目前已有安装方便、抗干扰能力强、可靠性高的IPC产品出现。

随着伺服控制技术的发展，交流伺服控制系统具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率较高，采用交流伺服控制电机对劈刀驱动机构进行改进能够提高劈刀运行时的准确性。

基于IPC的重量控制系统采用了目前市场通用的模块来完成硬件设计，统一了系统硬件设备，软件系统采用通用的IEC61131-C的标准编程语言来编写，实现了软件编程的统一。系统控制软件在一台IPC里执行，利用计算机强大的计算能力来完成系统控制，进一步提高烟支重量控制精度、提高设备有效作业率。目前，IPC控制技术已经在德国HAUNI公司的超高速机组M5、M8等卷接机组上得到了成功

应用。

2 技术方案及实施措施

本改造方案保留原重量控制系统的微波检测头、位移传感器、轴编码器、劈刀执行机构等部件，保留原重量控制系统电控单元的布线方式及电缆，更换重量控制系统电控单元为IPC系统，更换劈刀驱动执行机构三相交流异步电机为伺服电机，重新设计重量控制系统的人机界面并优化控制算法。电控单元的控制模块、I/O模块、接口模块、通讯模块都采用IPC标准模块，使系统结构统一、维护方便。整个系统中使用一组IPC系统，实现烟支的重量控制、数据统计以及废品剔除等功能，IPC模块与卷烟机工控机、分布I/O之间的通讯均通过EtherCAT实时工业以太网完成。重新设计人机界面软件，优化重量控制算法，对重量控制数据图形显示、参数设置、故障显示诊断以及维修测等功能进行优化、简化，并与卷烟机原程序和界面达到有机的统一。改造后的电控单元如图1所示：

图1 改造后电控单元实物图

2.1 重量控制电控单元的改进

根据轴编码器的指示脉冲和增量脉冲信号，结合密度脉冲信号和位移传感器位置，计算出烟支的重量，根据用户的需求控制烟支的重量，控制劈刀的位置，统计计算出烟支的重量偏差、烟丝曲线等数据；同时在人机界面中进行参数设置，并显示重量相关的数据。IPC模块安装于原重量控制柜中，通过DIN导轨安装在固定板上。重量控制系统硬件接口部分都是采用进口的模块来控制的，软件运行在IPC模块中，SRM部分的接口模块和IPC装在一起，IPC和人机界面之间也是通过网线来进行通讯的。系统硬件组成如表1所示：

通过IPC技术改造后重量控制系统具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系统能够通过扫描器送来的密度脉冲信号等，计算出烟支的重量，并将它和人机界面中设定的重量进行比较，达到控制烟支重量的目的，从而使烟支重量尽可能接近预设的目标重量，确保重量在较小的范围内波动，使得标准重量偏差减至最小，减小烟丝的损耗。（2）识别不合格的烟支。重量控制系统将计算出来的烟支实际重量和人机界面中设定的烟支重量极限值进行比较，超限的烟支即为不合格烟支，打开废品剔除功能，就可以剔除掉不合格烟支。系统能识别重烟、轻烟、软点、硬点、轻端等不合格烟支。（3）生产数据计算。能够计算烟支的重量偏差、长期偏差和短期标准偏差，能够计算出端头的压实量和压实端位置，能够计算生产过程中每小时的标准偏差。（4）取样功能。在生产过程中，能够在人机界面中方便地对烟支进行取样，取样方式也可以根据不同的需要有各种不同的选择。（5）自诊断功能。系统可以识别扫描器、轴编码器、位移传感器等的当前工作状态，并能对执行机构进行强制运行操作，以方便系统调试。

2.2 劈刀驱动机构改进

采用伺服控制器和驱动伺服电机替代原机的三机异步电机控制劈刀盘的上下运动，系统组成框图如图2所示：

图2 劈刀控制系统框图

机器运行时，伺服控制器由重量控制系统来控制，劈刀运行使能信号决定伺服控制器是否运行，劈刀上下行信号控制劈刀伺服电机的运行方向。劈刀执行机构上的位移传感器检测劈刀的实时位置，参与控制算法并在人机界面上进行显示。

2.3 人机界面改进

仍使用ZJ17卷接机组的人机界面，将重量控制部分的程序重新设计。新的人机界面系统主要完成以下功能：（1）重量控制系统输入输出点的状态监控、故障诊断及参数设置。（2）重量控制系统状态监控、参数设置、功能测试及数据显示。（3）烟支重量曲线、紧头位置曲线的绘制、显示。（4）重量控制系统相关数据显示。

3 结语

本重量控制系统是在烟机设备国产化的要求下，在消化原系统的基础上，结合我国卷烟机的特点，采用IPC技术进行信号采集、数据处理和系统控制，使控制系统结构简单、维护方便、控制精确，控制速度也得到了很大的提高。本系统所使用的模块都是目前市场上通用的标准模块，检测速度快、精度高、抗干扰能力强，具有很强的自诊断和保护功能，既保证了硬件上的通用性，又增强了系统的可维护性、易移植性和易扩展性。

参考文献

[1] 德国HAUNI公司.PROTOS70卷烟机电气操作手册

[S].1995.

[2] 德国倍福电气有限公司.德国倍福产品选型手册[S].

2006.

[3] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC编程手册

[S].2005.

[4] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC Control PID

软件库使用手册[S].2003.

作者简介：周雪军（1972—），河南中烟工业有限责任公司新郑卷烟厂工程师，研究方向：烟机设备维护与改进。

摘要：ZJ17卷烟机重量控制系统与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。文章针对ZJ17卷烟机重量控制系统存在的可靠性差、控制精度低等问题，提出基于IPC的重量控制系统改进方案并成功实施。

关键词：IPC技术；卷烟机；重量控制；控制精度

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷烟机重量控制系统主要是由人机界面、重量控制电控单元、微波检测头、轴编码器、劈刀及执行机构组成。设备正常运行时，轴编码器提供时钟脉冲，微波检测头检测运行烟条的实时密度，重量控制电控单元依据烟条密度信号计算烟支重量，与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。

1 设备现状及改造的必要性

ZJ17卷烟机重量控制系统的重量控制电控单元采用DSP数字信号处理芯片，存在运算速度低、抗干扰能力差、可靠性低等问题。三相交流电机驱动的劈刀调整机构存在响应滞后、控制精度低、稳定性差等问题，容易出现过调现象，影响烟支重量的稳定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工业个人计算机，是一种加固的增强型个人计算机。随着计算机技术的发展，基于Twincat的软PLC系统循环扫描时间已在1ms以下，已能够满足中、高速卷烟机对信号处理速度的要求。随着IPC小型化、模块化的发展，目前已有安装方便、抗干扰能力强、可靠性高的IPC产品出现。

随着伺服控制技术的发展，交流伺服控制系统具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率较高，采用交流伺服控制电机对劈刀驱动机构进行改进能够提高劈刀运行时的准确性。

基于IPC的重量控制系统采用了目前市场通用的模块来完成硬件设计，统一了系统硬件设备，软件系统采用通用的IEC61131-C的标准编程语言来编写，实现了软件编程的统一。系统控制软件在一台IPC里执行，利用计算机强大的计算能力来完成系统控制，进一步提高烟支重量控制精度、提高设备有效作业率。目前，IPC控制技术已经在德国HAUNI公司的超高速机组M5、M8等卷接机组上得到了成功

应用。

2 技术方案及实施措施

本改造方案保留原重量控制系统的微波检测头、位移传感器、轴编码器、劈刀执行机构等部件，保留原重量控制系统电控单元的布线方式及电缆，更换重量控制系统电控单元为IPC系统，更换劈刀驱动执行机构三相交流异步电机为伺服电机，重新设计重量控制系统的人机界面并优化控制算法。电控单元的控制模块、I/O模块、接口模块、通讯模块都采用IPC标准模块，使系统结构统一、维护方便。整个系统中使用一组IPC系统，实现烟支的重量控制、数据统计以及废品剔除等功能，IPC模块与卷烟机工控机、分布I/O之间的通讯均通过EtherCAT实时工业以太网完成。重新设计人机界面软件，优化重量控制算法，对重量控制数据图形显示、参数设置、故障显示诊断以及维修测等功能进行优化、简化，并与卷烟机原程序和界面达到有机的统一。改造后的电控单元如图1所示：

图1 改造后电控单元实物图

2.1 重量控制电控单元的改进

根据轴编码器的指示脉冲和增量脉冲信号，结合密度脉冲信号和位移传感器位置，计算出烟支的重量，根据用户的需求控制烟支的重量，控制劈刀的位置，统计计算出烟支的重量偏差、烟丝曲线等数据；同时在人机界面中进行参数设置，并显示重量相关的数据。IPC模块安装于原重量控制柜中，通过DIN导轨安装在固定板上。重量控制系统硬件接口部分都是采用进口的模块来控制的，软件运行在IPC模块中，SRM部分的接口模块和IPC装在一起，IPC和人机界面之间也是通过网线来进行通讯的。系统硬件组成如表1所示：

通过IPC技术改造后重量控制系统具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系统能够通过扫描器送来的密度脉冲信号等，计算出烟支的重量，并将它和人机界面中设定的重量进行比较，达到控制烟支重量的目的，从而使烟支重量尽可能接近预设的目标重量，确保重量在较小的范围内波动，使得标准重量偏差减至最小，减小烟丝的损耗。（2）识别不合格的烟支。重量控制系统将计算出来的烟支实际重量和人机界面中设定的烟支重量极限值进行比较，超限的烟支即为不合格烟支，打开废品剔除功能，就可以剔除掉不合格烟支。系统能识别重烟、轻烟、软点、硬点、轻端等不合格烟支。（3）生产数据计算。能够计算烟支的重量偏差、长期偏差和短期标准偏差，能够计算出端头的压实量和压实端位置，能够计算生产过程中每小时的标准偏差。（4）取样功能。在生产过程中，能够在人机界面中方便地对烟支进行取样，取样方式也可以根据不同的需要有各种不同的选择。（5）自诊断功能。系统可以识别扫描器、轴编码器、位移传感器等的当前工作状态，并能对执行机构进行强制运行操作，以方便系统调试。

2.2 劈刀驱动机构改进

采用伺服控制器和驱动伺服电机替代原机的三机异步电机控制劈刀盘的上下运动，系统组成框图如图2所示：

图2 劈刀控制系统框图

机器运行时，伺服控制器由重量控制系统来控制，劈刀运行使能信号决定伺服控制器是否运行，劈刀上下行信号控制劈刀伺服电机的运行方向。劈刀执行机构上的位移传感器检测劈刀的实时位置，参与控制算法并在人机界面上进行显示。

2.3 人机界面改进

仍使用ZJ17卷接机组的人机界面，将重量控制部分的程序重新设计。新的人机界面系统主要完成以下功能：（1）重量控制系统输入输出点的状态监控、故障诊断及参数设置。（2）重量控制系统状态监控、参数设置、功能测试及数据显示。（3）烟支重量曲线、紧头位置曲线的绘制、显示。（4）重量控制系统相关数据显示。

3 结语

本重量控制系统是在烟机设备国产化的要求下，在消化原系统的基础上，结合我国卷烟机的特点，采用IPC技术进行信号采集、数据处理和系统控制，使控制系统结构简单、维护方便、控制精确，控制速度也得到了很大的提高。本系统所使用的模块都是目前市场上通用的标准模块，检测速度快、精度高、抗干扰能力强，具有很强的自诊断和保护功能，既保证了硬件上的通用性，又增强了系统的可维护性、易移植性和易扩展性。

参考文献

[1] 德国HAUNI公司.PROTOS70卷烟机电气操作手册

[S].1995.

[2] 德国倍福电气有限公司.德国倍福产品选型手册[S].

2006.

[3] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC编程手册

[S].2005.

[4] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC Control PID

软件库使用手册[S].2003.

作者简介：周雪军（1972—），河南中烟工业有限责任公司新郑卷烟厂工程师，研究方向：烟机设备维护与改进。

摘要：ZJ17卷烟机重量控制系统与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。文章针对ZJ17卷烟机重量控制系统存在的可靠性差、控制精度低等问题，提出基于IPC的重量控制系统改进方案并成功实施。

关键词：IPC技术；卷烟机；重量控制；控制精度

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0029-02

ZJ17卷烟机重量控制系统主要是由人机界面、重量控制电控单元、微波检测头、轴编码器、劈刀及执行机构组成。设备正常运行时，轴编码器提供时钟脉冲，微波检测头检测运行烟条的实时密度，重量控制电控单元依据烟条密度信号计算烟支重量，与人机界面的烟支重量设定值比较后，驱动执行机构调整劈刀位置，调整烟枪烟丝供给量，实现烟支重量控制的目的。

1 设备现状及改造的必要性

ZJ17卷烟机重量控制系统的重量控制电控单元采用DSP数字信号处理芯片，存在运算速度低、抗干扰能力差、可靠性低等问题。三相交流电机驱动的劈刀调整机构存在响应滞后、控制精度低、稳定性差等问题，容易出现过调现象，影响烟支重量的稳定性。

IPC（Industrial Personal Computer）即工业个人计算机，是一种加固的增强型个人计算机。随着计算机技术的发展，基于Twincat的软PLC系统循环扫描时间已在1ms以下，已能够满足中、高速卷烟机对信号处理速度的要求。随着IPC小型化、模块化的发展，目前已有安装方便、抗干扰能力强、可靠性高的IPC产品出现。

随着伺服控制技术的发展，交流伺服控制系统具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率较高，采用交流伺服控制电机对劈刀驱动机构进行改进能够提高劈刀运行时的准确性。

基于IPC的重量控制系统采用了目前市场通用的模块来完成硬件设计，统一了系统硬件设备，软件系统采用通用的IEC61131-C的标准编程语言来编写，实现了软件编程的统一。系统控制软件在一台IPC里执行，利用计算机强大的计算能力来完成系统控制，进一步提高烟支重量控制精度、提高设备有效作业率。目前，IPC控制技术已经在德国HAUNI公司的超高速机组M5、M8等卷接机组上得到了成功

应用。

2 技术方案及实施措施

本改造方案保留原重量控制系统的微波检测头、位移传感器、轴编码器、劈刀执行机构等部件，保留原重量控制系统电控单元的布线方式及电缆，更换重量控制系统电控单元为IPC系统，更换劈刀驱动执行机构三相交流异步电机为伺服电机，重新设计重量控制系统的人机界面并优化控制算法。电控单元的控制模块、I/O模块、接口模块、通讯模块都采用IPC标准模块，使系统结构统一、维护方便。整个系统中使用一组IPC系统，实现烟支的重量控制、数据统计以及废品剔除等功能，IPC模块与卷烟机工控机、分布I/O之间的通讯均通过EtherCAT实时工业以太网完成。重新设计人机界面软件，优化重量控制算法，对重量控制数据图形显示、参数设置、故障显示诊断以及维修测等功能进行优化、简化，并与卷烟机原程序和界面达到有机的统一。改造后的电控单元如图1所示：

图1 改造后电控单元实物图

2.1 重量控制电控单元的改进

根据轴编码器的指示脉冲和增量脉冲信号，结合密度脉冲信号和位移传感器位置，计算出烟支的重量，根据用户的需求控制烟支的重量，控制劈刀的位置，统计计算出烟支的重量偏差、烟丝曲线等数据；同时在人机界面中进行参数设置，并显示重量相关的数据。IPC模块安装于原重量控制柜中，通过DIN导轨安装在固定板上。重量控制系统硬件接口部分都是采用进口的模块来控制的，软件运行在IPC模块中，SRM部分的接口模块和IPC装在一起，IPC和人机界面之间也是通过网线来进行通讯的。系统硬件组成如表1所示：

通过IPC技术改造后重量控制系统具有以下功能：（1）重量控制。重量控制系统能够通过扫描器送来的密度脉冲信号等，计算出烟支的重量，并将它和人机界面中设定的重量进行比较，达到控制烟支重量的目的，从而使烟支重量尽可能接近预设的目标重量，确保重量在较小的范围内波动，使得标准重量偏差减至最小，减小烟丝的损耗。（2）识别不合格的烟支。重量控制系统将计算出来的烟支实际重量和人机界面中设定的烟支重量极限值进行比较，超限的烟支即为不合格烟支，打开废品剔除功能，就可以剔除掉不合格烟支。系统能识别重烟、轻烟、软点、硬点、轻端等不合格烟支。（3）生产数据计算。能够计算烟支的重量偏差、长期偏差和短期标准偏差，能够计算出端头的压实量和压实端位置，能够计算生产过程中每小时的标准偏差。（4）取样功能。在生产过程中，能够在人机界面中方便地对烟支进行取样，取样方式也可以根据不同的需要有各种不同的选择。（5）自诊断功能。系统可以识别扫描器、轴编码器、位移传感器等的当前工作状态，并能对执行机构进行强制运行操作，以方便系统调试。

2.2 劈刀驱动机构改进

采用伺服控制器和驱动伺服电机替代原机的三机异步电机控制劈刀盘的上下运动，系统组成框图如图2所示：

图2 劈刀控制系统框图

机器运行时，伺服控制器由重量控制系统来控制，劈刀运行使能信号决定伺服控制器是否运行，劈刀上下行信号控制劈刀伺服电机的运行方向。劈刀执行机构上的位移传感器检测劈刀的实时位置，参与控制算法并在人机界面上进行显示。

2.3 人机界面改进

仍使用ZJ17卷接机组的人机界面，将重量控制部分的程序重新设计。新的人机界面系统主要完成以下功能：（1）重量控制系统输入输出点的状态监控、故障诊断及参数设置。（2）重量控制系统状态监控、参数设置、功能测试及数据显示。（3）烟支重量曲线、紧头位置曲线的绘制、显示。（4）重量控制系统相关数据显示。

3 结语

本重量控制系统是在烟机设备国产化的要求下，在消化原系统的基础上，结合我国卷烟机的特点，采用IPC技术进行信号采集、数据处理和系统控制，使控制系统结构简单、维护方便、控制精确，控制速度也得到了很大的提高。本系统所使用的模块都是目前市场上通用的标准模块，检测速度快、精度高、抗干扰能力强，具有很强的自诊断和保护功能，既保证了硬件上的通用性，又增强了系统的可维护性、易移植性和易扩展性。

参考文献

[1] 德国HAUNI公司.PROTOS70卷烟机电气操作手册

[S].1995.

[2] 德国倍福电气有限公司.德国倍福产品选型手册[S].

2006.

[3] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC编程手册

[S].2005.

[4] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC Control PID

软件库使用手册[S].2003.

作者简介：周雪军（1972—），河南中烟工业有限责任公司新郑卷烟厂工程师，研究方向：烟机设备维护与改进。