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KDF2纖維濾棒成型機組是煙廠生產卷煙濾棒的設備。經過十幾年的應用，原有機組逐漸顯示出技術上的局限性：機械結構復雜；電控系統相對落后；生產環境比較差，噪音響；維修難度高，能源利用率低等。因此，原有機組越來越不適應現代生產要求。
為此，筆者參照上*的高速濾棒成型設備的設計原理，結合國內市場的需求和機組的特點，運用伺服傳動系統的優良特性及PLC在工業控制中的優勢，設計了此套控制系統。
1 系統概述
纖維濾棒成型機組控制和傳動系統采用了Lenze公司的伺服系統、Digital公司的觸摸式控制屏和西門子公司的PLC，分別通過MPI和DP通訊控制。

纖維濾棒成型機通過二次開松、增塑劑添加、卷制成形、刀盤切斷和排列裝盤的過程生產濾棒。 
2 控制策略　　 
(1) 對增塑劑添加的控制策略
起初延用原系統的欠阻尼響應曲線的控制方式。但是，在實際調試過程中，發現該控制方式存在一定的缺陷，具體表現為：每天次上電開機時，增塑劑存儲器中增塑劑積累時間過長，造成一段時間內濾棒增塑劑含量過低。根據售后服務部門的反饋，某些煙廠為保證濾棒質量往往會剔除盒濾棒。這樣會有較大的浪費。　　 
產生這種情況是因為煙廠每天工作結束時或者CPU重啟時機組都會停機，并排空存儲器中的增塑劑。由于欠阻尼響應到達設定值時間過長，造成開始階段濾棒增塑劑含量過低。日常生產班次中，每次停機不排空增塑劑，而是在存儲器中保有一定儲存量。　　 
根據自動控制原理，車速斜坡響應可以分為過阻尼響應、臨界阻尼響應和欠阻尼響應。理論上說，臨界阻尼響應是理想的控制方式，這種響應方式既實現了控制的快速性又實現了控制的穩定性；過阻尼響應是為了穩定性犧牲快速性；欠阻尼響應則是為了快速性犧牲穩定性。然而，臨界阻尼由于條件過于苛刻，在實際控制中是無法實現的。　　 
根據剩余的兩種響應曲線的特性，筆者認為CPU啟動時好使用欠阻尼響應曲線，其理由是：CPU啟動狀態下，對增塑劑積累時間的要求優先于增塑劑含量的穩定性；而其他狀態下使用過阻尼響應曲線，此時對含量的穩定要求優先于積累的快速性。　 
因此，利用S7-300啟動時的組織塊OB100在CPU啟動中只執行一次的特性，對增塑劑伺服電機的控制方式依據機組不同的啟動狀態采取了不同響應曲線下的控制方法。具體來說，在CPU啟動時（此時增塑劑存儲量必定為零），通過啟動組織塊OB100中送出高速運轉命令至增塑劑伺服電機，使控制曲線成為欠阻尼響應狀態以實現對存儲器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動狀態，控制增塑劑伺服電機的FC功能塊將送出普通速度命令，使控制曲線成為比較接近臨界阻尼的過阻尼響應狀態。　 
新的設計*避免了CPU重啟時帶來的增塑劑積累過慢的問題、減少了廢品數量，因此這樣的設計不會影響正常生產狀況時增塑劑含量的穩定性。　　 
(2) 對濾棒剔除支數的計算策略
在纖維濾棒成型機的生產中，為保證濾棒質量，每當速度低于一定的設定值時，機組就會剔除此時的濾棒。此時機組的速度是不斷變化的，按通常方式無法計算出具體的剔除支數。這對統計生產效率帶來了相當的困難。　　 
筆者可以得到動態的車速反饋，但這條反饋曲線是不斷波動和變化的非線性曲線。對于非線性曲線，數學上只能夠采用面積積分求解的計算方法。對于此項目就是要求給出一定時間內主電機的圓周行程，即機組一段時間內所生產的濾棒長度。　 
從這一角度出發，筆者考慮采用了對車速進行模擬積分的計算方法，即從積分的基本定義出發，求出剔除時間內的濾棒生產長度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個濾棒長度得剔除支數的計算方法。　　 
按照積分的定義要求，積分求解是在一定條件下才能夠成立。這個條件就是Δt要足夠的小即Δt→0。在實際過程中，近似認為Δt=20ms時可以滿足條件。此時，計算得出的濾棒支數與實際濾棒支數的誤差在±3支以內。在精度上，以高生產速度3300支/分鐘計（此時濾棒長度為120mm），±3支的精度是*可以滿足精度要求。所以筆者認為只要將Δt控制在20ms時就可以滿足積分求解的條件。　　 
原系統的PLC掃描一周的時間高達幾十毫秒，顯然不滿足要求。而此項目采用的S7-315-2DP，其單指令掃描周期為10μs級、整個掃描周期被縮短為7~8ms，這樣就滿足了積分計算的要求。　　 
(3) 對拼接紙圈的控制策略
改造之前，纖維濾棒成型機執行的是降低運行速度再進行紙圈拼接。這種降速接紙方式對實際生產是不利的：每次降速都會造成車速的大幅度變化，影響了濾棒的質量。為消除這種影響，筆者采用了不降速拼接的方法。　　 
不降速拼接和降速拼接并沒有本質的區別：兩者采用的接紙動作一樣，兩者只是在機械結構和電氣控制元件上有區別。接紙速度的提高勢必使紙圈的靜摩擦力同等上升。如果轉速斜坡率過高會產生很大的靜摩擦力，該力會撕裂紙圈。如果轉速斜坡率過低，拼接時的紙圈浪費將增加。　　 
為避免煩瑣，該項目放棄變頻器對接紙電機轉速的分段控制。為求出靜摩擦力和紙圈長度兩者之間的優控制，筆者對接紙電機上升時間采取優篩選法。通過優篩選法得到的電機上升時間大約為3.4s。考慮到生產情況及電磁閥等器件的時滯效應，將這一時間進一步放寬為3.5s。　　 
3 程序設計　　 
程序設計采用了結構化設計，將所需實現的各主要功能編制成為S7-300中的用戶功能塊（FC塊），在主程序循環模塊（組織塊OB1）中調用這些已經編制好的子程序。　　 
程序設計分成硬件設計和軟件設計兩方面。在硬件方面針對系統要求進行設計，在軟件方面則按需要編制了速度計算模塊、報警和故障模塊、伺服電機執行模塊、增塑劑執行模塊、生產統計計算模塊等FC塊和預設、保持系統及生產數據的數據塊DB塊。　　 
(1) 硬件設計與組態
本系統在S7-300的硬件方面采用了1塊PS307 5A電源模塊，1塊CPU-315-2DP，4塊24V/0V SM321數字量輸入模塊，3塊24V/0.5A SM322數字量輸出模塊，1塊FM352-2高速計數模塊，2塊SM331模擬量輸入模塊，1塊SM332模擬量輸出模塊以及用于DP總線通訊的IM153-1通訊模塊1塊。　　 
S7-300外圍設備為5個伺服電機的DP通訊端。　　 
對上述硬件按要求進行組態，分別占據Profibus-DP通訊端的2、3~7和9號站，具體硬件組態如圖3所示。　　 
(2) 軟件設計
由于編制的用戶功能模塊很多，限于篇幅，在這里不能一一作出介紹。以下介紹幾個比較重要的用戶功能模塊。　　 
① 數據塊組（Group of Data-Blocks）
數據塊組由一系列數據塊組成。這些數據塊除了一部分是S7-300程序中FB（功能塊的一種）所要求的之外，其他的數據塊都是用戶自定義的。這是因為生產中機組的一些系統和生產數據必須被預設或保存。由于S7-300內部保持型M區的保存數量相對不足，例如：CPU315-2DP中整個可使用的M區的容量僅1024Bytes。同時，程序運行中所大量使用中間參數也需要不可重復的地址空間，所以將大部分的數據（特別是在觸摸屏上顯示的參數）編制成保持型DB塊。　　　 
② 速度計算模塊(FC for Speed)
雖然機組的高生產能力為400m/min，但是在許多煙廠并不需要一直運行在高速度下。該項目提供可從觸摸屏上選擇5檔不同的車速系統，本模塊就是將無序設定的參數按由大到小的方式降序排列，并在觸摸屏上以這種次序顯示出來。在程序內部，本模塊會進行數據轉換并將轉換后的數據提供給伺服電機執行模塊　　 　　     ③ 伺服電機執行模塊(FC for Servo-Motor)
在得到速度計算模塊和一些其他模塊（如開松輥參數模塊等）的數據后，伺服電機執行模塊會向對應的伺服控制塊發出指令和接收伺服電機狀態參數。指令包括伺服控制字、車速命令、快停命令、上升時間和下降時間等，狀態參數包括電機當前運行速度等。這些指令和參數通過過程通道和參數通道兩種方式控制“一主三從”共計4個伺服電機。　　 
④ 增塑劑執行模塊(FC for Glyceride-Motor)
控制增塑劑的伺服電機是相對獨立于其他伺服電機，控制結構類似于主電機。增塑劑執行模塊通過內部計算得到增塑劑伺服電機的運行速度。同時，由于存在增塑劑軟件補償的問題，所以高速和低速運行的參數為不同的兩組參數，程序按設置發送。這是這個模塊區別于伺服電機執行模塊的地方。　 
⑤ 生產統計計算模塊(FC for Statistics)
由于要在生產中向工作人員提供實時的生產狀況，所以編制了這個功能塊，這樣就可以通過多次反復調用FC205來得到各班次的生產狀況。這樣節約了編程的時間和工作量，也同時減少了程序編寫出錯的隱患。