基于倍福PLC的FOCKE 700_778称重系统设计与应用.pdf

2023 年 31 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application基于倍福 PLC 的 FOCKE 700_778 称重系统设计与应用袁战伟，徐 帅*，沙 磊，宫 伟（红云红河集团昆明卷烟厂，昆明 650202）昆明卷烟厂在 20 世纪 90 年代引进并投入使用的FOCKE 700 硬盒包装机，采用双通道设计，生产速度可达 700 包/min。其中，778 部分完成条烟的包装，并输送给下游机装箱。778 部分入口输送带将二五平包烟包组输送到推子前，由推子将烟包组推入套口中进行下一步的包装纸包装。由于推子推入烟包组时，偶尔会造成烟包组卡阻，导致烟包组缺少烟包。为防止缺少烟包的条烟流入到下一道工序，原机在输出部分加装了一个条烟称重系统，采用传统西门子 PLC 控制，称重传感器对每一条烟进行称重，并与标准重量进行比较，差值超过一定范围，就认定为有质量缺陷的条烟，并进行剔除。经过 20 多年的生产运行，由于设备老化，该系统存在控制精度低、响应速度慢等缺点，经常造成正常条烟被误剔，容易造成条烟堵塞停机，大大降低了设备效率。为此，本文设计了一种基于倍福 PLC 的称重系统，新系统实现人机互动，界面友好，采用当今工业控制领域先进的高速通信模块和数据输入模块，且 PLC运算速度快，实时性强。经过长期实践检验，结果表明新称重系统很好地解决了大量正常条烟被误剔除的情况，进一步提高了设备效率，降低维护成本。1FOCKE 700_778称重系统方案设计称重控制系统由皮带传送部分、称重测量部分及剔摘要：FOCKE 700_778 的条包称重系统采用传统西门子 PLC 控制，由于设备老化，该系统存在控制精度低，响应速度慢等缺点，经常造成正常条包被误剔，容易造成条烟堵塞停机，大大降低了设备效率，并且增加质量隐患。该文针对这一问题开展技术研究，提出一种基于倍福 PLC 的称重系统。新系统将称重传感器采集的信号，经过模数转换，通过高速通信模块传送给控制 PLC，经过 PLC 程序处理后，对不合格品进行剔除处理，同时可以在显示屏上对称重系统的部分参数和功能进行修改和设定。在实际的生产过程中进行效果测试，并长期运行，结果表明，新称重系统具有响应速度快、控制精度高、设备运行可靠度高等优点，能够在烟草行业设备中推广使用。关键词：误剔；倍福 PLC；称重系统；高速通信模块；响应快中图分类号院TP27文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-0126-04Abstract:The traditional Siemens PLC control is adopted in the strip and package weighing system of FOCKE 700_778.Dueto the aging of the equipment,the system has some shortcomings such as low control precision and slow response speed,whichoften causes the normal package to be picked up by mistake,which is easy to cause cigarette blockage and shutdown,whichgreatly reduces the equipment efficiency and increases the hidden trouble of quality.In order to solve this problem,this papercarries out technical research and puts forward a weighing system based on Beckhoff PLC.In the new system,the signal collectedbytheweighingsensoristransmittedtothecontrolPLCthroughtheanalog-to-digitalconversionandthehigh-speedcommunication module.After being processed by the PLC program,the unqualified products are eliminated.At the same time,some parameters and functions of the weighing system can be modified and set on the display screen.The effect is tested in theactual production process and has been running for a long time.The results show that the new weighing system has theadvantages of fast response,high control precision and high reliability of equipment operation,and can be widely used in tobaccoindustry equipment.Keywords:error ticking;Beckhoff PLC;weighing system;high-speed communication module;fast response第一作者简介：袁战伟（1983-），男，硕士，工程师。研究方向为烟草设备电气控制系统设计与应用。*通信作者：徐帅（1990-），男，助理工程师。研究方向为机电设计。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.030126-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期除部分组成，其中皮带传送部分作为烟条供料的一部分，还包括烟条提升装置，提升装置内的烟条由底部逐步向上提升，到达顶部出口后，由横向输出皮带输送给后面的工序，整个系统生产工序流程如图 1 所示。图 1称重控制系统生产工序流程图当烟条被横向输出输送带的凸耳带带入横向传输的工序后，并跟随主电机的速度进入到称重传感器的工位上，在设定的凸轮角度内，称重传感器完成数据采集，通过数模转换后将数据传送给倍福 PLC，PLC 将该条烟重量与标准值进行比对，超过一定误差范围的条烟被标记为缺陷条烟，通过后序的剔除工位完成剔除动作，而合格的烟条被输送到下一工序。称重系统框图如图 2 所示。图 2称重系统框图虚线框内为新称重系统控制框图，为方便理解，将倍福 PLC 与工控机 IPC 以及触摸屏的关系一并画出。该方案基于倍福（Beckhoff）TwinCAT PLC 作为控制核心，完成数据采集、传输，以及控制信号发出给执行机构，并通过 Ethernet 总线与工控机进行通信，方便后续查看和操作。称重传感器采用 HBM 的 PW4M-OP 规格型号的微型单点称重传感器，其特点是基于应变测量原理，具有极高的测量精度和性价比，适用于小包装的控制任务，过载能力高达额定量程单位 10 倍；A/D 转换器采用 HBM AD112D 将传感器所采集到的烟条重量由模拟信号转换为数字信号并发送给 PLC，HBM AD112高速动态测量链能为多列选别秤提供毫克级数字化解决方案，其可连接多种型号称重传感器，响应速度快，安装调试简单方便，能以极高精度（毫克级）对小型袋装食品、药品进行快速分选。高速通信模块采用 BeckhoffEL6021 作为串口通信模块与 TwinCAT PLC 建立通信，EL6021 模块串行接口支持通过 RS-232 或 RS422/RS485 接口连接设备。在使用时可以选择独立于总线系统的全双工或半双工模式进行通信，通信信道速度可达115.2 K 波特；同时 RS232 接口通过电隔离信号确保高抗干扰性。HMI 显示器对整个系统的进程进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过以太网或扩展通信口直接通信。执行机构采用原机模式，通过电磁阀驱动气缸动作，将不合格条烟剔除。2方案实施方案实施主要完成电气硬件连接，硬件配置，以及编写程序以实现相关功能，具体如下所述。2.1硬件电气连接称重传感器与 AD112D 转换器是连在一起使用的，同时将 AD112D 的输出信号输送到高速通信模块EL6021 中，进而输送到倍福 PLC，完成硬件的基本连接。具体部分电气连接如图 3 所示。图3只是整个称重系统部分电气连接示意图，其余部分并未画出。EL6021 模块与倍福子站其他模块采用 K-BUS 通信，通过 PROFIBUS-DP 总线，将数据从倍福控制子站传送到倍福PLC，而倍福PLC与工控机采用EtherCat通信，工控机与HMI采用基于USB接口的连接。图 3烟条称重系统电气连接示意图127-2023 年 31 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2.2硬件配置在完成电气元器件物理连接后，需在倍福 TwinCat中完成硬件配置，完成硬件与软件 I/O 点的映射等相关工作，具体主要由以下 4 步组成：淤成功连接硬件后，设置 IP 地址与 CX 为相同的网段（169.254.70.X），使用 TwinCAT System Manage 成功连接 CX，完成硬件扫描，找到模块 EL6021。于对 EL6021 进行参数配置，在 COEONLINE 选项里面 8 000 设置波特率和数据格式。盂打开 PLC Control，新建任务，在 Resource 窗口，双击“LibraryManage”键添加串口通信 Lib。榆在 Glob原alVariable 中声明变量，添加串口通信程序，在新程序中输入代码。2.3软件实现2.3.1称重信号处理烟条是由横向输出皮带传送的，皮带传送伴随着抖动、精度不高等问题，所以在烟条称重时存在着干扰信号，需要在程序上对干扰信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确，通过数字滤波对干扰信号处理后，得到更多对程序有用的称重数据。在处理方法上由常见的限幅滤波、限速滤波、中值滤波和滑动平均滤波等。本文采用中值滤波方法，系统采集的信号是与重量成线性比例变化的模拟量信号，转换成数字信号后输送到系统，系统启动生产后采集 50 条烟的平均值作为标准值，烟条在标准值设定的依3%范围内作上下波动即可得到较好的效果。所求目标值的平均值为x=1n（x1+x2+xn）=移xin。（1）目标值的实时值为xi=x（1依3%）。（2）根据中值滤波得到的平均值既可以反映这个过程段目标值的数据变化，也能克服随机误差带来的不良影响。2.3.2PLC 主程序设计根据包装机的工艺流程，烟条传送过程中的移位标记，机器转动角度等要求，确定各动作的顺序和相互之间的逻辑关系，设计控制程序。数据处理主要有以下 4 部分组成，数据采集部分，标准值中值计算部分，数据处理过程，数据交互处理，分别如图 4图 7所示。图 4数据采集部分程序图 5标准值中值计算部分程序除数据处理相关程序外，整个控制系统还设计提升器堵塞、条烟是否超重、剔除不合格的条烟等程序段，分别如图 8图 10 所示。其中，在称重之前很有必要监控提升器是否堵塞。否则，一旦提升器发生堵塞，条烟不会进入称重工位，程序计算出来的条烟重量为零，就会误判为坏烟，进而启动剔除条烟程序。剔除条烟程序剔除系统判定为坏烟的条烟，执行机构采用原机自带的电磁阀和气缸。图 6数据处理过程程序128-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期图 7数据交互处理程序3运行检验对本次改造活动进行长期目标跟踪，并对改造前后设备误剔条烟频次进行统计，改造后，误剔条烟频次已经由 400 次/月/台降至 22 次/月/台，相当于每天发生误剔烟 1 次，对生产造成的影响可以说是微乎其微，如图 11 所示，图中可以明显地看到，说明改造取得成功。图 8提升器堵塞程序图 9条烟是否超重程序图 10剔除条烟程序图 11改造活动前后效果对比4结束语论文针对 FOCKE 700_778 条包称重系统控制精度低，响应速度慢，经常造成正常条包被误剔，容易造成条烟堵塞停机等缺点，设计了一种基于倍福 PLC 的新称重系统，采用相关高速通信模块，并集成人机交互界面，重新编写软件程序。在实际的运行过程中进行效果检验，结果表明，改进后的新称重系统具有运行稳定、条包误剔除率低、设备运行效率高等优点，体现出良好的经济价值。参考文献院1 云南中烟工业有限责任公司.倍福 IPC 应用技术M.昆明：云南人民出版社，2016.2 张建勋.GD 包装机直流电机控制系统的改造J.烟草科技，2004（8）：22-23.3 曹立国.动态称重模型及其系统校正J.林业机械与木工设备，2009（7）：45-46.4 庞伟屹.基于单片机的传输带动态称重系统设计与实现D.石家庄：河北科技大学，2010：3-6.5 胡春海，陈静.用于动态称重的模型参数估计方法J.自动化与仪表，2005（4）：35-37.6 魏鲁原，伍斌，崔霞.动态称重系统的设计J.自动化仪表，2002，23（8）：34-37.7 肖绚，樊勇.动态称重系统的研究J.中国陶瓷，2001，37（6）：9-12.4003002001000改造前改造后1129-