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摘 要：基于PC控制技术，采用德国倍福的嵌入式PC控制器（IPC），对于卷烟机ZJ17设备上的重量控制系统进行改造升级，取消传统电子板卡系统，完成重量控制过程，废品剔除，生产数据统计等等功能。重新编写上位机数据通讯接口程序，实现新重量控制系统融入原来卷烟设备中。
关键词：重量控制系统 倍福嵌入式控制器 卷烟机
中图分类号：TS433 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0074-03
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
在我国烟草行业卷烟机设备中，ZJ17系列卷烟机占有相当大的比例，并已成为目前国内各家卷烟厂的主流卷烟机机型。近年通过PLC电控系统改造，已基本完成对原机继电器和分立元件组成的逻辑电路板控制系统的改造升级，但由于SRM重量控制系统的高速特性，采用逻辑控制的PLC无法满足要求，故改造完成后原有SRM重量控制系统仍采用专用控制器，并通过CAN总线方式与上位机通讯，由于SRM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，存在的问题有：
（1）运算速度低，实验证明，设备速度达到7500支/min以上，已经是芯片处理能力的极限，会出现重量控制不稳定，误剔等故障。
（2）抗干扰能力差，该装置在设备的位置，位于主电机变频器旁边，需要设备有良好的外部电源供给，并且良好的接地环境，否则容易造成系统不稳定。
（3）可靠性低。集成的电子板卡，涉及到大量的电子部件，由于SRM系统属专用型，并未在市场广泛使用，制作SRM过程采用人工制版，焊接，其中过程难免出现问题隐患。现实过程中也出现过大量板卡问题。
（4）经济性差。整套系统分为电源卡，输入卡，输出卡，以及控制卡。板卡的专用型，导致采购昂贵，并且出现问题，需要整个板卡整体更换。
随着电控技术的进步，基于PC-based的IPC控制系统得到了广泛应用，由于IPC处理速度快的特点十分显著，故在需要完成运动控制、数据采集等领域应用越来越广泛，本项目正是从原有SRM重量控制系统的原理出发，就如何技术实现SRM重量控制系统的IPC改造进行了深入研究。
2 SRM重量控制系统的IPC改造设计及技术实现
SRM重量控制系统的IPC改造采用德国倍福公司的新型智能工业计算机（IPC）CX2020作为主控制器，以全面解读ZJ17型的SRM程序为基础，重新开发软件。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，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系统与卷烟机工控机人机交互系统通讯TCP/IP方式、IPC下面外挂I/O连接的通讯均通过EtherCAT总线完成。保留原人机界面软件，总线编写通讯数据接口程序，优化重量控制算法，對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。
2.1 硬件IO模块的选型和配置
根据SRM系统处理的输入输出信号表如表1所示。
IO拓扑框图如图1所示。
IO拓扑框图如图2所示。
2.2 微波处理信号的处理
SRM控制系统核心问题就是重量密度的读取。烟丝密度数据来源于机组的烟支密度微波检测单元，而微波检测对于烟条密度检测，输出的都是脉宽的方式，检测的烟丝密度越小，脉宽越窄，烟丝密度越大，则脉宽越宽。只要采用足够快的硬件模块，能准确地识别每一个脉宽的宽度，就可以准确地得到一根烟的即时的密度值。
本次改造采用倍福EL1252，带时间戳的超采样输入模块，该模块采集信号最高精度是1μs，由于带有时间戳标志，能准确的识别上一次脉冲上升沿和下一次脉冲上升沿对应的两个时间标识，两个时间的差值即是这个脉宽的宽度值。上一次时间值不等于这一次时间值的时候，把两个值做减法，得到中间的差值即是脉宽值，得到的脉宽值后续做相关处理，转换成烟丝密度值。
2.3 轴编码器信号处理
微波检测得到烟丝密度值后，再需要得到烟条的长度信号，计算烟条的分段重量，用于计算烟条的平均重量，超重，超轻，轻烟端的种种判断。
烟条的长度信号，设备采集了轴编码器信号。轴编码器每转一圈，对应卷制成型机生产出两支双倍长度的烟支，即256个增量脉冲、1个指示脉冲对应两支双倍长度烟支。每支单长烟对应的就是64个增量脉冲。
解决SE脉冲信号的采集，采用倍福EL1262超采样输入模块，其中最大精度也可以达到1μs，考虑到脉冲最快最小周期：117μs（在系统处理速度上有专门文字说明这个时间周期），程序硬件配置在100μs的任务周期下采样8个点，也就是最小精度是12.5μs，也能够完全捕捉到任何一个脉冲。 2.4 平整盘的控制技术实现
重量控制回路中，微波器对烟支重量进行检测，将实际重量信号反馈到控制系统，与设定重量比较，控制执行机构，调节平准器上下移动，从而控制烟支重量。在位置控制回路中，执行机构的位移量通过位移传感器反馈到控制系统与平准器设定的位置信号比较，进一步校正重量控制系统。
平整盘电机上下动作，由两个普通输出点控制即可，采用倍福普通EL2004输出模块。软件程序上，如果实际重量与额定重量不一致，重量调节装置会计算出一个新的平整盘位置。当位移传感器报告平整盘已经到达新的位置，则实际重量和额定重量将被重新进行比较。通过不断改善的平整盘位置设定，使实际重量尽可能地向额定重量靠近。
2.5 目标烟取样剔除
从微波检测点，到取样阀门或者废品阀门的距离是固定的，可能对于不同烟的长度，对应的值稍有差别，这些差别值可以通过上位机修改。
硬件配置输出阀采用的是超采样输出模块EL2262 精度最大可以达到1μs，计算MAX鼓轮上每一根双长烟的槽间距数据：（以每分钟8000支为例）
60×1000×1000/（8000/2）=15000μs
单支烟运行槽间距除以2：7500μs
硬件配置上，考虑到任务输出精度完全能够满足的情况下，采用了100μs的任务周期，直接输出bool变量，也完全能满足取样，剔除的精度。
3 結语
本重量控制系统IPC改造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[Z].1995.
[2] 德国倍福电气有限公司.德国倍福产品选型手册[Z].2006.
[3] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC编程手册[Z].2005.
关键词：重量控制系统 倍福嵌入式控制器 卷烟机
中图分类号：TS433 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0074-03
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
在我国烟草行业卷烟机设备中，ZJ17系列卷烟机占有相当大的比例，并已成为目前国内各家卷烟厂的主流卷烟机机型。近年通过PLC电控系统改造，已基本完成对原机继电器和分立元件组成的逻辑电路板控制系统的改造升级，但由于SRM重量控制系统的高速特性，采用逻辑控制的PLC无法满足要求，故改造完成后原有SRM重量控制系统仍采用专用控制器，并通过CAN总线方式与上位机通讯，由于SRM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，存在的问题有：
（1）运算速度低，实验证明，设备速度达到7500支/min以上，已经是芯片处理能力的极限，会出现重量控制不稳定，误剔等故障。
（2）抗干扰能力差，该装置在设备的位置，位于主电机变频器旁边，需要设备有良好的外部电源供给，并且良好的接地环境，否则容易造成系统不稳定。
（3）可靠性低。集成的电子板卡，涉及到大量的电子部件，由于SRM系统属专用型，并未在市场广泛使用，制作SRM过程采用人工制版，焊接，其中过程难免出现问题隐患。现实过程中也出现过大量板卡问题。
（4）经济性差。整套系统分为电源卡，输入卡，输出卡，以及控制卡。板卡的专用型，导致采购昂贵，并且出现问题，需要整个板卡整体更换。
随着电控技术的进步，基于PC-based的IPC控制系统得到了广泛应用，由于IPC处理速度快的特点十分显著，故在需要完成运动控制、数据采集等领域应用越来越广泛，本项目正是从原有SRM重量控制系统的原理出发，就如何技术实现SRM重量控制系统的IPC改造进行了深入研究。
2 SRM重量控制系统的IPC改造设计及技术实现
SRM重量控制系统的IPC改造采用德国倍福公司的新型智能工业计算机（IPC）CX2020作为主控制器，以全面解读ZJ17型的SRM程序为基础，重新开发软件。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，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系统与卷烟机工控机人机交互系统通讯TCP/IP方式、IPC下面外挂I/O连接的通讯均通过EtherCAT总线完成。保留原人机界面软件，总线编写通讯数据接口程序，优化重量控制算法，對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。
2.1 硬件IO模块的选型和配置
根据SRM系统处理的输入输出信号表如表1所示。
IO拓扑框图如图1所示。
IO拓扑框图如图2所示。
2.2 微波处理信号的处理
SRM控制系统核心问题就是重量密度的读取。烟丝密度数据来源于机组的烟支密度微波检测单元，而微波检测对于烟条密度检测，输出的都是脉宽的方式，检测的烟丝密度越小，脉宽越窄，烟丝密度越大，则脉宽越宽。只要采用足够快的硬件模块，能准确地识别每一个脉宽的宽度，就可以准确地得到一根烟的即时的密度值。
本次改造采用倍福EL1252，带时间戳的超采样输入模块，该模块采集信号最高精度是1μs，由于带有时间戳标志，能准确的识别上一次脉冲上升沿和下一次脉冲上升沿对应的两个时间标识，两个时间的差值即是这个脉宽的宽度值。上一次时间值不等于这一次时间值的时候，把两个值做减法，得到中间的差值即是脉宽值，得到的脉宽值后续做相关处理，转换成烟丝密度值。
2.3 轴编码器信号处理
微波检测得到烟丝密度值后，再需要得到烟条的长度信号，计算烟条的分段重量，用于计算烟条的平均重量，超重，超轻，轻烟端的种种判断。
烟条的长度信号，设备采集了轴编码器信号。轴编码器每转一圈，对应卷制成型机生产出两支双倍长度的烟支，即256个增量脉冲、1个指示脉冲对应两支双倍长度烟支。每支单长烟对应的就是64个增量脉冲。
解决SE脉冲信号的采集，采用倍福EL1262超采样输入模块，其中最大精度也可以达到1μs，考虑到脉冲最快最小周期：117μs（在系统处理速度上有专门文字说明这个时间周期），程序硬件配置在100μs的任务周期下采样8个点，也就是最小精度是12.5μs，也能够完全捕捉到任何一个脉冲。 2.4 平整盘的控制技术实现
重量控制回路中，微波器对烟支重量进行检测，将实际重量信号反馈到控制系统，与设定重量比较，控制执行机构，调节平准器上下移动，从而控制烟支重量。在位置控制回路中，执行机构的位移量通过位移传感器反馈到控制系统与平准器设定的位置信号比较，进一步校正重量控制系统。
平整盘电机上下动作，由两个普通输出点控制即可，采用倍福普通EL2004输出模块。软件程序上，如果实际重量与额定重量不一致，重量调节装置会计算出一个新的平整盘位置。当位移传感器报告平整盘已经到达新的位置，则实际重量和额定重量将被重新进行比较。通过不断改善的平整盘位置设定，使实际重量尽可能地向额定重量靠近。
2.5 目标烟取样剔除
从微波检测点，到取样阀门或者废品阀门的距离是固定的，可能对于不同烟的长度，对应的值稍有差别，这些差别值可以通过上位机修改。
硬件配置输出阀采用的是超采样输出模块EL2262 精度最大可以达到1μs，计算MAX鼓轮上每一根双长烟的槽间距数据：（以每分钟8000支为例）
60×1000×1000/（8000/2）=15000μs
单支烟运行槽间距除以2：7500μs
硬件配置上，考虑到任务输出精度完全能够满足的情况下，采用了100μs的任务周期，直接输出bool变量，也完全能满足取样，剔除的精度。
3 結语
本重量控制系统IPC改造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[Z].1995.
[2] 德国倍福电气有限公司.德国倍福产品选型手册[Z].2006.
[3] 德国倍福电气有限公司.Twin CAT PLC编程手册[Z].2005.