西门子模块6ES7317-2EK14-0AB0
传统发动机装配线大多采用手工方式记录装配过程重要参数。目前，多数国内发动机制造厂使用一种纸质跟踪卡片，每一台发动机上装配线前根据不同型号选择不同的纸质跟踪卡片，或用一种通用的纸质跟踪卡片以菜单形式由操作者记录不同型号发动机的控制要点，跟踪卡片固定在发动机上或装配托盘上。这种方法往往由于工艺流程长并且每个记录由不同的操作人员负责，导致发动机装配记录准确率低，并不易保管和统计。随着汽车召回法规的实施，汽车厂和发动机厂实施装配信息采集技术更加迫切。据我们了解，国内的设备制造商和软件公司完成整个装配线的信息采集系统经验不多。本文结合道依茨（一汽）大连柴油机有限公司规划设计的装配线，重点介绍生产线数据采集系统在装配线的现场实际应用。
装配信息采集技术规划
在装配线规划前，我们考察德国一家工厂装配线信息系统，这个工厂产品主要销售欧美市场，为满足美国及欧盟召回法规规定，装配线上采用了完善的计算机数据采集系统和信息管理软件，建立每台发动机终生质量信息档案。点击该发动机的终生质量信息档案可以清楚地看到：发动机的零件清单、零件的供应商、每次质量改进零件状态、发动机维修图、工序操作者代码、装配线工位测量记录以及售后维修记录等，全部信息都集中在该公司的ERP系统上。我们在该公司看到有两条流水线，一个是发动机装配流水线；另一个是通过ERP将销售、产品、标准、生产、工艺、质量和服务联系起来的管理流水线。
在国外工厂方案的启发下，我们在装配线规划时提出了使用装配信息采集技术来保证装配质量。规划方案包括PLC总线网路、数据采集系统、生产线信息系统和ECU数据管理系统（见图1）。
图1 企业信息系统规划
1．PLC总线网络应用
PLC总线网络是装配信息采集系统的基础，全部的基础数据来源于该系统。我们的PLC总线网络采用现场总线区域控制方式，通过现场分布I/O统一控制装配线的运行及完成各工位间的通信。为实现自动数据采集，装配线每个托盘带有一个数据码块，在需要有自动记录数据的工位装有无线读写头，托盘的数据码块和无线读写头只要在一定区域即可以实现无线通信，数据码块信息定义在发动机上线时，定义的内容来源我公司ERP系统开发的标题文件，托盘码块定义数据格式如表1所示。
表1 托盘码块定义数据格式 
在自动工位通过读取托盘码块发动机类型代码（表1中第1项），设备自动调用针对该型号发动机操作子程序完成发动机自动装配。对于需要上传质量数据工位也是通过数据码块将发动机流水号（表1中第4项）与对应的质量数据进行关联并上传。专用的测量工位我们一般使用光栅尺传感器或扭矩传感器，先将测量数据传给上位计算机，上位计算机通过专用软件处理后以标准通信协议发给PLC。发动机装配生产线电气系统由13台Siemens PLC300组成，这13台PLC组成PLC控制网络（见图2）。
图2 PLC及其网络
PLC采集发动机参数值储存在DB模块上，通过DB模块传给数据采集系统服务器，两个系统通过ISO3964通信协议进行信息交换。
2．数据采集系统应用
数据采集系统是实现对装配生产线13个PLC进行监控的计算机服务器。系统用以太网方式与13个PLC连接，完成装配线上的信息采集、工位监控等功能。编程软件是在西门子公司WINCC基础上二次开发的，整线监控画面（见图3）是对整个生产流水线的图例，可以了解所有工位的当前状况。
图3 监控画面
该系统可以随时以发动机流水号或生产日期等不同方式检索发动机的质量记录，也可以对系统采集的任意一组质量数据进行统计和分析。每天质量记录定时用数据库文件形式上传给我公司的售后服务器，对于有权限的用户可以使用远程网络进行数据查询。
3．生产线信息系统应用
发动机生产线信息系统是生产线信息处理和控制的软件系统，系统不但具有对数据采集系统的数据进行处理的功能，还实现了生产订单的管理，发布电子工艺卡功能。系统主要实现了基于B/S结构的信息发布和管理功能，所有数据处理、任务控制等都在生产线信息系统服务器上实现。在生产线的两侧，有20个可以发布生产线信息的终端PC机，每个终端PC通过获取生产线信息服务器上的信息，显示本地工位上的电子工艺卡和安装部件信息。
图4 电子工艺卡
系统通过企业ERP网络接收生产订单、对应机型电子装配工艺卡，信息的发布过程是由生产线PLC传递的机型为索引进行对应发布，图4所示为一个工位的电子工艺卡。操作者从电子工艺卡上可以了解到发动机的订单号，装配的零件数量、名称和技术要求等信息。数据采集系统服务器、发动机生产线信息系统服务器及每个工位PC之间在装配过程中都需要按设计的步骤进行信息交换。图5所示为两个系统和工位PC的网络拓扑关系。为保证控制数据传输的稳定性，数据采集系统服务器与发动机生产线信息系统服务器之间通过网络对接线反线连接，从而使发动机生产线信息系统服务器与数据采集系统服务器及PLC系统的数据具备交互功能。
图5 两个系统和工位PC的网络拓扑关系
4．ECU数据管理系统应用
ECU数据管理系统是服务于电控发动机生产的重要系统，硬件是ECU数据管理服务器及ECU编程电脑。ECU（Electric Control Unit）是发动机中央控制的核心部件，需要装配过程中采集部分装配数据来补偿ECU的相关参数。我们的ECU有3个型号满足不同需求的发动机，每个系统都有不同的补偿方法，补偿数据写入ECU可以使发动机达到性能的**状态。发动机上装配线时进行ECU类型定义并写入托盘数据码块中。表2是ECU类型定义表和数据补偿信息的分类。
数据补偿信息来源于生产线上的数据采集系统和PLC交互的数据，同时在系统中保存对应机型的生产文件列表和生产文件，生产文件是一种写入发动机ECU专用程序，一旦发动机进入监控工位，系统自动从数据库中取出已经采集完成的补偿参数据，并结合发动机流水号、ECU生产文件名生成ECU所需格式文件。不同系统的ECU格式文件后缀不同，系统根据文件后缀差异将格式文件分配不同文件夹内。我们生产线设有5台ECU编程电脑，不同型号ECU使用不同的编程电脑。ECU服务器和ECU编程电脑采用微软平台映射技术，操作工人可以在ECU编程电脑获得服务器上映射生产文件和格式文件，并用ECU写入软件将补偿信息和生产文件写入ECU电控单元内。数据写入成功后，与该数据对应的补偿文件自动上传到企业的售后服务器。
：介绍了MK95 卷烟机PID重量控制系统的结构，对其控制原理进行了分析：重量信号的检测、控制过程、削减盘电机速度控制、数字PID控制算法的实现、PID参数选择。同时还论述了系统定标及校正问题。通过对现场采集数据分析，采用PLC 控制器的PID控制算法实现的烟支重量控制系统，硬件设计简单，可在线调整参数，系统响应速度快，控制准确可靠，完全可替代原模拟重量控制系统。
关键词： 卷烟机；重量控制；PLC；PID算法
传统的MK95 卷烟机烟支重量控制系统采用的主要是模拟线路板控制，为此我们设计了卷烟重量PID 控制系统。通过PLC 运用PID 算法实现的烟支重量控制系统，具有响应速度快、调节平稳、性能可靠、维修方便等优点，完全可以替代传统重量控制系统。
1系统硬件结构
卷烟机PID重量控制系统硬件结构如图1 所示，主要包括烟支重量检测、烟支重量信号处理及电控系统、执行机构三大部分组成。其中烟支重量检测由核扫描器、信的原理，当核扫描器射线穿过烟条时射线衰减，从而射线衰减量与烟支重量就存在一定的对应关系，通过射线衰减量就能够测得烟支重量。射线衰减量通过核扫器内电离室转变为电信号，根据检测器的输出电压信号可获得相应的烟支重量信号。其转换公式为：
F ＝Klg（V／V0 ）
F：电压V 对应烟支重量；K：比例系数；V：有烟支时检测器的输出电压；V0 ：无烟支时检测器的输出电压。
2．2控制过程
放射源检测器输出的电压信号由A68AD 模块转换成数字量，控制程序将测量值与烟支重量的目标值进行比较，经过PID控制算法运算再去控制烟支重量。
2．3削减盘电机速度控制
由于卷烟吸味及卷烟质量的要求，每支卷烟的烟支重量分布并不均匀，通常两端烟丝密度大，中间烟丝密度小，因此控制烟支密度分布的削减盘电机需要不停的加号处理及电控系统由PLC减速转动，以控制削减盘的上下移动。此外，在卷烟机的工作过程中，烟支重量（烟条密度） 的变化取决于卷烟机风室供丝量和削减盘的位置等，当烟支重量偏重或偏轻时，削减盘电机控制削减盘向下或向上移位，以增加或削减供丝量；当烟支重量在设定的正常区间时，削减盘基本上在平稳的上下移动，以实现烟支重量控制及密度分布控制的目的。此外，由于在测控系统中，无论开环还是闭环控制，都要考虑伺服机构的启动、停止或者运动方向的加减速处理，以获得平稳的运动和较高的位置控制精度，而梯形速度曲线具有计算比较简单、响应速度快、控制较为平稳的优点，所以本控制系统采用了梯形速度曲线控制。
控制系统硬件结构
梯形速度曲线在时间上可以分为3 个阶段：第一阶段为加速运动阶段，电动机以规定的加速度a 加速到*大速度V；第二阶段为匀速运动阶段，电动机以*大速度V 匀速运动；第三阶段为减速运动阶段，电动机以减速度－a减速到停止状态。
图2 表示了梯形速度时间曲线。电机从时间t0 （坐标原点） 开始运行，直至运行到时间t3 ，电机的运动速度在运动前后都为零。
梯形速度时间曲线
（1） 加速区域
当核扫描器测得烟支密度偏重时（此时削减盘电机对应位置θ1 ），为了加快响度速度，电机以加速度a 运转时间t1 ，削减盘相应运行到位置θ2 （如图2）。此时，
Δt1 ＝t1 ＝v／a，θ2 ＝v2 ／2a。
（2） 恒速区域
此后，削减盘电机以*大速度v（t） 平稳运行时间（t2－t1 ），削减盘对应位置θ3 ，此时（t2 ） 核扫描器测得烟支重量已达到设定值下限。此时，Δt2 ＝t2 －t1 ＝（θ3 －θ2 ） ／v －v／a，θ3 ＝θ2 －v2 ／a。
（3） 减速区域
当核扫描器测得烟支重量已达到设定值下限时，电机由*大速度减速运行，直至削减盘达到目标位置θ4 ，电机停转。此时，Δt3 ＝t3 －t2 ＝Δt1 ，θ4 ＝－v2 ／2a。
（4） 速度控制
由此，可以根据上述几组公式计算出相应位置时刻的速度值并加以控制，当实际检测的位置值与位置指令不相等时，运动控制器首先计算出偏差（指令值减实际值），然后根据位置偏差值进行判断，计算出速度指令值，*后进行速度控制。
削减盘位置
2．4PID 控制算法
在本烟支重量控制系统中，将原来在模拟烟支重量控制系统中的硬件PID控制器实现的功能用软件来代替，称作数字PID 控制器，所形成的一套算法则称作数字PID算法。数字PID 控制器与模拟PID 控制器相比，数据显示直观，参数修改方便，可以根据试验和经验在线调整参数，可以得到更好的控制性能。
在模拟调节系统中，PID 控制算法的模拟表达式为
u（t） ＝Kp e（t） ＋1Ti ∫e（t） ＋Td de（t）
dt （1）
式中，Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；e（t） 为偏差信号，等于给定量r（t） 与反馈量c（s） 之差；u（t） 为调节器的输出信号。
其控制的简化框图如图4 所示。
由于在PLC 控制系统中，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，为了使PLC 控制系统实现在模拟控制系统中式（1） 所表示的控制量，必须将其离散化。利用积分累加求和及一阶后相差分近似可得离散后的数字
PID 表达式如下：
u（k） ＝Kp e（k） ＋KiΣk
i ＝0
e（i） ＋
kd （e（k） －e（k －1）） （2）
上式中，T 为采样周期；e（k） 为系统的k 次采样时刻的偏差值；e（k －1） 为系统的（k －1） 次采样时刻的偏差值。如果采样周期T 取得足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID 算式，因此，使被控过程与连续控制过程十分接近。上式就为离散化的位置式PID 控制算法的表达式。
同理，可得到第k －1 个采样时刻的控制器输出值：
u（k －1） ＝Kp e（k －1） ＋KiΣk －1
i ＝0
e（i） ＋
kd （e（k －1） －e（k －2）） （3）
2．5PID 参数选择
PID 调节器参数的选择有2 种可用方法：理论设计法和试凑法。理论设计法要有被控对象的准确的数学模型，这在实际中往往很难做到。本控制系统采用试凑法来确定控制参数。这种方法比较直观，易于操作。调节时，根据PID 控制器各校正环节的作用来进行，各校正环节的作用简述如下：
1） 比例环节。增大比例系数Kp 将加快系统响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统产生较大的超调，并产生振荡，破坏系统的稳定性，本系统Kp 取值0．5。
2） 积分环节。增大积分常数Ti ，会有利于减小超调，减小振荡，但系统的静态误差的消除将随之减慢，本系统Ti 采用1．2。
3） 微分环节。增大微分常数Td ，也可以加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统的抗干忧能力降低，本控制系统Td 取值为0．8。
3系统定标及校正
由于放射源探测器的响应非线性及射线量与系统输出信号的非线性关系等原因，烟支密度检测系统存在非线性问题。系统非线性可通过理论预算和实验预测得到，并通过系统定标和曲线校正来消除或减小其对系统控制性能的*终影响。为使系统提供需代表烟条重量大小的脉冲信号同控制系统所需格式一致，使脉宽大小对应烟条重量数据，根据重量中心值和上下限值对脉冲宽度进行定标和数据调整。根据烟支重量检测信号的中心值和上下限值来确定削减盘电机的运转中心点和上下限值，从而实现对烟支重量准确控制。
4系统应用效果
本控制系统已完全应用于济南卷烟厂6 台MK95 卷烟机组，通过近2 年来的使用看，效果很好，完全达到了原有控制系统的要求。我们在生产现场采集了大量的数据，所有采集样品均为84 mm 长度的卷烟。所取烟支样品100支为一组，设定单支烟重为wi （i ＝1，2，⋯，n），则烟支平均重量为w0 ＝ 1n Σni ＝1wi （4）
烟支重量偏差
Δwi ＝wi －w0
标准方差
δn －1 ＝ 1 n －1Σni ＝1 （wi －w0 ）2 （5）
变异系数
Cp ＝δn －1w0 ×100％ （6）
通过采集数据可以看出，采集数据标准偏差值较小，基本呈现正态分布，变异系数较小，烟支平均重量控制稳定性较好。
5系统的应用前景
该系统由于采用PLC 控制器的PID 控制算法，系统硬件设计简单，便于实现和维护；根据不同的设备及车速可以试调PID 各参数，十分方便快捷；同时，由于该系统响应速度快，控制准确可靠，完全可以实现对传统模拟重理控制系统的替代。