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   纖維濾棒成型機(jī)通過(guò)二次開(kāi)松、增塑劑添加、卷制成形、刀盤(pán)切斷和排列裝盤(pán)的過(guò)程生產(chǎn)濾棒。    
  2 控制策略   
  (1) 對(duì)增塑劑添加的控制策略
   起初延用原系統(tǒng)的欠阻尼響應(yīng)曲線的控制方式。但是，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該控制方式存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)為：每天第一次上電開(kāi)機(jī)時(shí)，增塑劑存儲(chǔ)器中增塑劑積累時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成一段時(shí)間內(nèi)濾棒增塑劑含量過(guò)低。根據(jù)售后服務(wù)部門(mén)的反饋，某些煙廠為保證濾棒質(zhì)量往往會(huì)剔除第一盒濾棒。這樣會(huì)有較大的浪費(fèi)。   
   產(chǎn)生這種情況是因?yàn)闊煆S每天工作結(jié)束時(shí)或者CPU重啟時(shí)機(jī)組都會(huì)停機(jī)，并排空存儲(chǔ)器中的增塑劑。由于欠阻尼響應(yīng)到達(dá)設(shè)定值時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成開(kāi)始階段濾棒增塑劑含量過(guò)低。日常生產(chǎn)班次中，每次停機(jī)不排空增塑劑，而是在存儲(chǔ)器中保有一定儲(chǔ)存量。   
   根據(jù)自動(dòng)控制原理，車(chē)速斜坡響應(yīng)可以分為過(guò)阻尼響應(yīng)、臨界阻尼響應(yīng)和欠阻尼響應(yīng)。理論上說(shuō)，臨界阻尼響應(yīng)是最理想的控制方式，這種響應(yīng)方式既實(shí)現(xiàn)了控制的快速性又實(shí)現(xiàn)了控制的穩(wěn)定性；過(guò)阻尼響應(yīng)是為了穩(wěn)定性犧牲快速性；欠阻尼響應(yīng)則是為了快速性犧牲穩(wěn)定性。然而，臨界阻尼由于條件過(guò)于苛刻，在實(shí)際控制中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。   
   根據(jù)剩余的兩種響應(yīng)曲線的特性，筆者認(rèn)為CPU啟動(dòng)時(shí)最好使用欠阻尼響應(yīng)曲線，其理由是：CPU啟動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)增塑劑積累時(shí)間的要求優(yōu)先于增塑劑含量的穩(wěn)定性；而其他狀態(tài)下使用過(guò)阻尼響應(yīng)曲線，此時(shí)對(duì)含量的穩(wěn)定要求優(yōu)先于積累的快速性。  
   因此，利用S7-300啟動(dòng)時(shí)的組織塊OB100在CPU啟動(dòng)中只執(zhí)行一次的特性，對(duì)增塑劑伺服電機(jī)的控制方式依據(jù)機(jī)組不同的啟動(dòng)狀態(tài)采取了不同響應(yīng)曲線下的控制方法。具體來(lái)說(shuō)，在CPU啟動(dòng)時(shí)（此時(shí)增塑劑存儲(chǔ)量必定為零），通過(guò)啟動(dòng)組織塊OB100中送出高速運(yùn)轉(zhuǎn)命令至增塑劑伺服電機(jī)，使控制曲線成為欠阻尼響應(yīng)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器中增塑劑的快速積累。而在非CPU啟動(dòng)狀態(tài)，控制增塑劑伺服電機(jī)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(guò)阻尼響應(yīng)狀態(tài)。  
   新的設(shè)計(jì)完全避免了CPU重啟時(shí)帶來(lái)的增塑劑積累過(guò)慢的問(wèn)題、減少了廢品數(shù)量，因此這樣的設(shè)計(jì)不會(huì)影響正常生產(chǎn)狀況時(shí)增塑劑含量的穩(wěn)定性。   
  (2) 對(duì)濾棒剔除支數(shù)的計(jì)算策略
   在纖維濾棒成型機(jī)的生產(chǎn)中，為保證濾棒質(zhì)量，每當(dāng)速度低于一定的設(shè)定值時(shí)，機(jī)組就會(huì)剔除此時(shí)的濾棒。此時(shí)機(jī)組的速度是不斷變化的，按通常方式無(wú)法計(jì)算出具體的剔除支數(shù)。這對(duì)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)效率帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦щy。   
   筆者可以得到動(dòng)態(tài)的車(chē)速反饋，但這條反饋曲線是不斷波動(dòng)和變化的非線性曲線。對(duì)于非線性曲線，數(shù)學(xué)上只能夠采用面積積分求解的計(jì)算方法。對(duì)于此項(xiàng)目就是要求給出一定時(shí)間內(nèi)主電機(jī)的圓周行程，即機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)的濾棒長(zhǎng)度。  
   從這一角度出發(fā)，筆者考慮采用了對(duì)車(chē)速進(jìn)行模擬積分的計(jì)算方法，即從積分的基本定義出發(fā)，求出剔除時(shí)間內(nèi)的濾棒生產(chǎn)長(zhǎng)度L=Σ(Δv*Δt)，再除以單個(gè)濾棒長(zhǎng)度得剔除支數(shù)的計(jì)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(gè)條件就是Δt要足夠的小即Δt→0。在實(shí)際過(guò)程中，近似認(rèn)為Δt=20ms時(shí)可以滿足條件。此時(shí)，計(jì)算得出的濾棒支數(shù)與實(shí)際濾棒支數(shù)的誤差在±3支以內(nèi)。在精度上，以最高生產(chǎn)速度3300支/分鐘計(jì)（此時(shí)濾棒長(zhǎng)度為120mm），±3支的精度是完全可以滿足精度要求。所以筆者認(rèn)為只要將Δt控制在20ms時(shí)就可以滿足積分求解的條件。   
   原系統(tǒng)的PLC掃描一周的時(shí)間高達(dá)幾十毫秒，顯然不滿足要求。而此項(xiàng)目采用的S7-315-2DP，其單指令掃描周期為10μs級(jí)、整個(gè)掃描周期被縮短為7~8ms，這樣就滿足了積分計(jì)算的要求。   
  (3) 對(duì)拼接紙圈的控制策略
   改造之前，纖維濾棒成型機(jī)執(zhí)行的是降低運(yùn)行速度再進(jìn)行紙圈拼接。這種降速接紙方式對(duì)實(shí)際生產(chǎn)是不利的：每次降速都會(huì)造成車(chē)速的大幅度變化，影響了濾棒的質(zhì)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(méi)有本質(zhì)的區(qū)別：兩者采用的接紙動(dòng)作一樣，兩者只是在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制元件上有區(qū)別。接紙速度的提高勢(shì)必使紙圈的靜摩擦力同等上升。如果轉(zhuǎn)速斜坡率過(guò)高會(huì)產(chǎn)生很大的靜摩擦力，該力會(huì)撕裂紙圈。如果轉(zhuǎn)速斜坡率過(guò)低，拼接時(shí)的紙圈浪費(fèi)將增加。   
   為避免煩瑣，該項(xiàng)目放棄變頻器對(duì)接紙電機(jī)轉(zhuǎn)速的分段控制。為求出靜摩擦力和紙圈長(zhǎng)度兩者之間的最優(yōu)控制，筆者對(duì)接紙電機(jī)上升時(shí)間采取最優(yōu)篩選法。通過(guò)最優(yōu)篩選法得到的電機(jī)上升時(shí)間大約為3.4s。考慮到生產(chǎn)情況及電磁閥等器件的時(shí)滯效應(yīng)，將這一時(shí)間進(jìn)一步放寬為3.5s。   
  3 程序設(shè)計(jì)   
   程序設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將所需實(shí)現(xiàn)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(huán)模塊（組織塊OB1）中調(diào)用這些已經(jīng)編制好的子程序。   
   程序設(shè)計(jì)分成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。在硬件方面針對(duì)系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在軟件方面則按需要編制了速度計(jì)算模塊、報(bào)警和故障模塊、伺服電機(jī)執(zhí)行模塊、增塑劑執(zhí)行模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊等FC塊和預(yù)設(shè)、保持系統(tǒng)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊DB塊。   
  (1) 硬件設(shè)計(jì)與組態(tài)
   本系統(tǒng)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(shù)字量輸入模塊，3塊24V/0.5A SM322數(shù)字量輸出模塊，1塊FM352-2高速計(jì)數(shù)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(shè)備為5個(gè)伺服電機(jī)的DP通訊端。   
   對(duì)上述硬件按要求進(jìn)行組態(tài)，分別占據(jù)Profibus-DP通訊端的2、3~7和9號(hào)站，具體硬件組態(tài)如圖3所示。   
  (2) 軟件設(shè)計(jì)
   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(gè)比較重要的用戶功能模塊。   
   ① 數(shù)據(jù)塊組（Group of Data-Blocks）
   數(shù)據(jù)塊組由一系列數(shù)據(jù)塊組成。這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊都是用戶自定義的。這是因?yàn)樯a(chǎn)中機(jī)組的一些系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)必須被預(yù)設(shè)或保存。由于S7-300內(nèi)部保持型M區(qū)的保存數(shù)量相對(duì)不足，例如：CPU315-2DP中整個(gè)可使用的M區(qū)的容量?jī)H1024Bytes。同時(shí)，程序運(yùn)行中所大量使用中間參數(shù)也需要不可重復(fù)的地址空間，所以將大部分的數(shù)據(jù)（特別是在觸摸屏上顯示的參數(shù)）編制成保持型DB塊。    
  ② 速度計(jì)算模塊(FC for Speed)
  雖然機(jī)組的最高生產(chǎn)能力為400m/min，但是在許多煙廠并不需要一直運(yùn)行在高速度下。該項(xiàng)目提供可從觸摸屏上選擇5檔不同的車(chē)速系統(tǒng)，本模塊就是將無(wú)序設(shè)定的參數(shù)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(lái)。在程序內(nèi)部，本模塊會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)提供給伺服電機(jī)執(zhí)行模塊          ③ 伺服電機(jī)執(zhí)行模塊(FC for Servo-Motor)
  在得到速度計(jì)算模塊和一些其他模塊（如開(kāi)松輥參數(shù)模塊等）的數(shù)據(jù)后，伺服電機(jī)執(zhí)行模塊會(huì)向?qū)?yīng)的伺服控制塊發(fā)出指令和接收伺服電機(jī)狀態(tài)參數(shù)。指令包括伺服控制字、車(chē)速命令、快停命令、上升時(shí)間和下降時(shí)間等，狀態(tài)參數(shù)包括電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度等。這些指令和參數(shù)通過(guò)過(guò)程通道和參數(shù)通道兩種方式控制“一主三從”共計(jì)4個(gè)伺服電機(jī)。   
   ④ 增塑劑執(zhí)行模塊(FC for Glyceride-Motor)
   控制增塑劑的伺服電機(jī)是相對(duì)獨(dú)立于其他伺服電機(jī)，控制結(jié)構(gòu)類(lèi)似于主電機(jī)。增塑劑執(zhí)行模塊通過(guò)內(nèi)部計(jì)算得到增塑劑伺服電機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí)，由于存在增塑劑軟件補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，所以高速和低速運(yùn)行的參數(shù)為不同的兩組參數(shù)，程序按設(shè)置發(fā)送。這是這個(gè)模塊區(qū)別于伺服電機(jī)執(zhí)行模塊的地方。  
   ⑤ 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊(FC for Statistics)
   由于要在生產(chǎn)中向工作人員提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀況，所以編制了這個(gè)功能塊，這樣就可以通過(guò)多次反復(fù)調(diào)用FC205來(lái)得到各班次的生產(chǎn)狀況。這樣節(jié)約了編程的時(shí)間和工作量，也同時(shí)減少了程序編寫(xiě)出錯(cuò)的隱患。  
  4 結(jié)語(yǔ)   
   該控制系統(tǒng)全面提高了纖維濾棒成型機(jī)組的總體性能，控制功能得到完善和提升。將舊的交流變頻控制系統(tǒng)升級(jí)為由S7-300控制下交流伺服系統(tǒng)，使KDF2型纖維濾棒成型機(jī)具有新的競(jìng)爭(zhēng)力。   
   考慮到今后煙廠信息集成化和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集的需要，這里使用的S7-300已經(jīng)預(yù)留了數(shù)據(jù)采集端口，在程序中也進(jìn)行了相應(yīng)的處理。這無(wú)疑又增強(qiáng)了機(jī)組的生命力。