CN112068508A - 一种棒形物料输送和存储的控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棒形物料输送和存储的控制***和方法，该***包括人机界面、电气控制柜、控制网络、伺服驱动装置、步进驱动装置、电气执行机构和现场检测元件；电气控制柜包括电气控制单元；现场检测元件与电气控制单元连接，用于采集现场数据并发给电气控制单元；电气控制单元通过控制网络与人机界面、伺服驱动装置、步进驱动装置连接，用于将电气控制单元处理结果数据发送给人机界面、伺服驱动装置和步进驱动装置；伺服驱动装置、步进驱动装置与电气执行机构连接，用于控制电气执行机构。该***能够精确计算棒状物料存储量及物料存储位置，可满足现在市面上绝大部分高速上下游设备的需求，设备运行稳定，故障率低，维护简单易行，易于推广应用。

Description

一种棒形物料输送和存储的控制***和方法

技术领域

本发明属于烟草加工技术领域，具体涉及一种棒形物料输送和存储的控制***和方法。

背景技术

在卷烟生产线上，需要在上游的卷烟成型设备与下游的卷烟包装设备之间布置一个或多个缓存设备，用于平衡上、下游设备的正常生产，即当下游的卷烟包装设备出现故障或者停机时，为了不影响上游的卷烟成型设备的正常生产，需要将生产的卷烟烟支送入缓存设备中暂存，维持卷烟成型设备的正常生产；当上游的卷烟成型设备故障或者停机时，改由缓存设备向下游的卷烟包装设备提供卷烟烟支，以确保卷烟包装设备的正常运行。

现有技术中的缓存设备主要以先存入后送出的缓存方式为主，该方式被称为先进后出的缓存方式。但先进后出的缓存方式会使最先存入的卷烟在缓存器中滞留较长时间，从而会使特殊香味的卷烟因长时间滞留而降低卷烟原有香气。因此，这类卷烟不适用先进后出的缓存方式。

先进先出的缓存方式逐渐成为烟草生产的首选方式，但由于目前市场上先进先出的缓存设备存在以下缺陷：控制***较为复杂，运行过程中存在不稳定状态；设备故障率较高，诊断不完善，维修难度大；存储量较小，输送速度较低，难于匹配上下游设备的高速需求。由于存在诸多不利因素，长期以来困扰着生产企业的生产。因此，有必要对现有技术加以改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种棒形物料输送和存储的控制***和方法，该***电气控制单元根据料位检测传感器检测到的实时料位信号，对料位做出实时调节，保证物料平稳输送，从而实现棒状物料的高速输送，速度可以达到16000支/分，且保证物料平稳，不产生乱棒横棒，可满足现在市面上绝大部分高速上下游设备的需求；采用工业级的PLC、伺服电机、步进电机、传感器，精度高、寿命长，再结合闭环控制技术、保证设备整体运行稳定，故障率低，有效作业率不低于98%，且能够对棒状物料的输送过程实时追踪，能够精确计算棒状物料存储量及物料存储位置，从而保证了棒状物料的质量；采用模块化设计，结构简单，再结合现有通讯技术，将各故障点实时信号收集并反馈回电气控制单元，从而该***具有完善的设备自诊断功能，能精确定位故障位置，维护简单易行；人机界面参数设置三级密码保护，确保数据安全，这样更便于生产管理和提高生产的连续稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种棒形物料输送和存储的控制***，包括人机界面、电气控制柜、控制网络、伺服驱动装置、步进驱动装置、电气执行机构和现场检测元件；

所述电气控制柜包括电气控制单元；

所述现场检测元件与所述电气控制单元连接，用于采集现场数据并发给所述电气控制单元；

电气控制单元通过所述控制网络分别与所述人机界面、所述伺服驱动装置、所述步进驱动装置连接，用于将所述电气控制单元处理结果数据发送给所述人机界面、所述伺服驱动装置和所述步进驱动装置；

伺服驱动装置、步进驱动装置与所述电气执行机构连接，用于控制所述电气执行机构。

进一步，优选的是，电气控制单元包括中央控制单元、输入输出模块、Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块；

所述中央控制单元用于***控制和计算，并控制所述Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块；

所述输入输出模块用于采集现场的数字量和模拟量信号，并发送给所述中央控制单元；

所述Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块与所述控制网络连接，用于网络通讯及控制；

Ethernet通讯模块与人机界面相连，EtherCAT通讯模块与伺服驱动装置相连，Profinet通讯模块与步进驱动装置相连。

进一步，优选的是，人机界面为工业计算机或者触摸屏，用于输入控制信号、控制参数和对控制按钮的操作，并用于查询、诊断、记录和监视控制***工作状态。

进一步，优选的是，所述控制网络还包括网络适配单元，所述网络适配单元用于扩展网络控制能力。

进一步，优选的是，所述伺服驱动装置包括不少于10个伺服驱动模块；所述步进驱动装置包括不少于8个步进驱动模块；所述的伺服驱动模块用于控制伺服电机；所述的步进驱动模块用于控制步进电机。

进一步，优选的是，所述电气执行机构包括不少于10个伺服电机和不少于8个步进电机。

伺服电机用于棒状物料的高速输送和将棒状物料由较低位置提升输送到较高位置；步进电机用于棒状物料的低速输送和水平方向输送；为确保棒状物料在输送过程中的料层可调、过渡平稳，所以电机数量较多。

进一步，优选的是，现场检测元件包括多圈绝对值编码器、现场传感器、料位传感器和速度检测元件；

所述多圈绝对值编码器用于采集物料存储库内棒状物料的实时位置信号；

所述现场传感器，用于检测现场设备的工作状态；

所述料位传感器用于采集料位高度；

所述速度检测元件用于检测上游设备和下游设备的物料输送速度信号。

本发明中所述的现场传感器包括光电传感器、接近开关，但不限于此。检测现场设备的工作状态包括输送带过载检测、料仓堵塞检测、料位过高、料位过低，但不限于此。

本发明同时提供一种棒形物料输送和存储的控制方法，采用上述棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1），现场速度检测元件采集上游设备和下游设备的物料输送速度信号以及现场设备运行参数；

步骤（2），通过人机界面输入控制指令和控制参数到电气控制单元；

步骤（3），所述现场检测元件将上游设备和下游设备的物料输送速度信号以及现场设备运行参数发送给所述电气控制单元；

步骤（4），电气控制单元进行处理后，将产生的控制参数发送给所述人机界面、伺服驱动装置和步进驱动装置；

步骤（5），伺服驱动装置控制伺服电机动作，步进驱动装置控制步进电机动作；

步骤（6），人机界面显示设备工作状态和所述控制参数。

本发明步骤（1）中现场设备运行参数包括上游设备所生产棒状物料的直径、长度，但不限于此。

进一步，优选的是，假设存在两个物料存储库A、B，物料存储库A、B与上游的分流料仓通过分流通道A、B相连；物料存储库A、B与下游的汇流料仓通过汇流通道A、B相连；则步骤（4）电气控制单元进行处理产生的控制参数的具体方法如下：

如果上游设备停机，则分流通道A、分流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给汇流料仓，经过出料提升机将物料输送到下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值；

如果下游设备停机，则汇流通道A、汇流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值；

如果上游设备的速度大于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值，并控制上游设备停机；

如果上游设备的速度小于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值，并控制下游设备停机。

如果上游设备的速度等于下游设备的速度或者上游设备的速度与下游设备的速度差小于0-500支/分或者下游设备的速度与上游设备的速度差小于0-500支/分时，所述物料存储库A、物料存储库B不具备存储功能，存储库内各层速度相等，仅作为输送通道将物料由上游设备输送到下游设备。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明采用工业级的PLC、伺服电机、步进电机、传感器，不仅精度高、寿命长、运行稳定，而且故障率极低，有效作业率不低于98%；采用多圈绝对值编码器作为计算物料的储量，精度高、运行稳定、故障率低；采用模块化设计，结构简单，故障点少，便于检修；采样IO-Link通讯智能传感器作为料位检测传感器，信号传输稳定可靠，抗干扰能力强，从而保证物料在传输过程中的连续稳定，更好的保证了物料的质量；增加人机界面，不仅整个物料传输过程的参数都可以通过人机界面对相关的参数进行调整，而且还可以通过人机界面显示整个控制***的元器件诊断状态，精确定位故障位置，使得***维护简单易行；人机界面参数设置三级密码保护，确保数据安全，这样更有利于生产管理和提高生产的连续稳定性；远程运维诊断功能，极大提高了设备的智能化程度。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明控制***结构示意图；

图3为本发明伺服电机控制原理图；

图4为本发明步进电机控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

图2是本发明具体实施方式中控制棒形物料输送和存储的***结构示意图。如图2所示，该控制棒形物料输送和存储的***包括电气控制柜1、控制网络、伺服驱动装置、步进驱动装置、电气执行机构和现场检测元件、人机界面15。其中，电气控制柜包括电气控制单元2，电气控制单元进一步包括中央控制单元3、输入输出模块5、Ethernet通讯模块4、EtherCAT通讯6模块和Profinet通讯模块7；伺服驱动装置进一步包括不少于10个伺服驱动模块8；步进驱动装置进一步包括不少于8个步进驱动模块9；电气执行机构进一步包括不少于10个伺服电机11和不少于8个步进电机10；现场检测元件进一步包括多圈绝对值编码器16、现场传感器14、料位传感器12和速度检测元件13。

电气控制单元2中的Ethernet通讯模块4受到中央控制单元3控制，通过控制网络与人机界面15连接，人机界面15可以是工业计算机或者触摸屏，安装于棒状物料输送和存储设备的特定位置（例如：触摸屏吊装于提升机侧面易于操作位置），用于输入控制信号和控制参数，并用于查询和监视整个设备的工作状态。通过人机界面15，操作者可以输入控制信号和控制参数，并能够操作、查询和监视***工作状态。高级管理员同样可以通过该人机界面15改变操作模式，实现调试、试运行、正常操作等功能。

电气控制单元2中的中央控制单元3用于***控制和计算（例如：控制伺服驱动装置、步进驱动装置、计算各段输送带需给定速度和计算料层高度）。

伺服驱动模块8与作为电气执行机构的伺服电机11连接，控制其动作，以完成不同的功能。

步进驱动模块9与作为电气执行机构的步进电机10连接，控制其动作，以完成不同的功能。

电气控制单元2中的输入输出模块5用于采集现场的数字量和模拟量信号，并发送给中央控制单元3，其通过控制网络与现场检测元件中的现场传感器14、料位传感器12和速度检测元件13连接，现场传感器14用于检测现场设备的工作状态（如：输送带过载检测、料仓堵塞检测、料位过高、料位过低等设备工作状态）；料位传感器12用于采集料位高度，速度检测元件13用于检测上游设备和下游设备的物料输送速度信号，电气控制单元2还与现场检测元件中的多圈绝对值编码器16连接，多圈绝对值编码器16用于采集存储库内棒状物料的位置信号。

控制网络主要以双绞线或者其他通通讯电缆连接该***的各单元，可以通过工业以太网或者现场网络总线向人机界面15、伺服驱动装置和步进驱动装置传递参数和控制信号，同时可以向电气控制单元2采集来自人机界面15、伺服驱动装置、步进驱动装置和现场检测元件的参数、信号，并配置有网络适配单元，置于电气控制柜，以提高整个***的网络扩展能力。

下面介绍控制棒形物料输送和存储的流程：

现场检测元件采集上游设备和下游设备的速度信号以及现场设备的运行参数，对于上游设备和下游设备，需采集相关的速度信号进行计算，而对于现场的设备，需要监控几乎所有的信号参数，包括物料料层高度，电机速度和状态、设备的运行状态和位置等，还包括操作人员的输入参数、工艺要求等。

操作者通过人机界面输入控制指令和控制参数到电气控制单元，控制本***的停止、调试、填料、排空、手动及自动运行。

还可以通过现场检测元件将上游设备和下游设备的速度信号以及现场设备的运行参数发送给电气控制单元。

电气控制单元进行处理后，将产生的控制参数发送给人机界面、伺服驱动装置和步进驱动装置。

伺服驱动装置和步进驱动装置控制电气执行机构动作，其中通过料位传感器获取物料存储库中物料的料层高度，当物料高度超过设定值后启动后续条件，对***的运行进行调节，保证***运行连续稳定。

假设存在两个物料存储库A、B，物料存储库A、B与上游的分流料仓通过分流通道A、B相连；物料存储库A、B与下游的汇流料仓通过汇流通道A、B相连；则电气控制单元进行处理产生的控制参数的具体方法如下：

如果上游设备停机，则分流通道A、分流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给汇流料仓，经过出料提升机将物料输送到下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值；

如果下游设备停机，则汇流通道A、汇流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值；

如果上游设备的速度大于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值，并控制上游设备停机；

如果上游设备的速度小于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值，并控制下游设备停机。

如果上游设备的速度等于下游设备的速度或者上游设备的速度与下游设备的速度差小于0-500支/分或者下游设备的速度与上游设备的速度差小于0-500支/分时，所述物料存储库A、物料存储库B不具备存储功能，存储库内各层速度相等，仅作为输送通道将物料由上游设备输送到下游设备。

该***的运行速度等多项参数可以根据不同的现场环境要求调节，一旦必要的参数输入，可以自动达到稳定运行，人机界面可以显示工作状态和控制参数，并进行报警、控制参数等的输入、显示和存储。

运用本发明后，在实际生产中的事故率明显减少，同样操作者的工作强度明显减少；操作者和高级管理员可以很容易的查看操作参数、生产记录、故障报警，大大提高了对物料和设备的监控；不但提高的开机率，并且提高了上下游设备的工作效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，包括人机界面、电气控制柜、控制网络、伺服驱动装置、步进驱动装置、电气执行机构和现场检测元件；

所述电气控制柜包括电气控制单元；

所述现场检测元件与所述电气控制单元连接，用于采集现场数据并发给所述电气控制单元；

电气控制单元通过所述控制网络分别与所述人机界面、所述伺服驱动装置、所述步进驱动装置连接，用于将所述电气控制单元处理结果数据发送给所述人机界面、所述伺服驱动装置和所述步进驱动装置；

伺服驱动装置、步进驱动装置与所述电气执行机构连接，用于控制所述电气执行机构。

2.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，电气控制单元包括中央控制单元、输入输出模块、Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块；

所述中央控制单元用于***控制和计算，并控制所述Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块；

所述输入输出模块用于采集现场的数字量和模拟量信号，并发送给所述中央控制单元；

所述Ethernet通讯模块、EtherCAT通讯模块和Profinet通讯模块与所述控制网络连接，用于网络通讯及控制；

Ethernet通讯模块与人机界面相连，EtherCAT通讯模块与伺服驱动装置相连，Profinet通讯模块与步进驱动装置相连。

3.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，人机界面为工业计算机或者触摸屏，用于输入控制信号、控制参数和对控制按钮的操作，并用于查询、诊断、记录和监视控制***工作状态。

4.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，所述控制网络还包括网络适配单元，所述网络适配单元用于扩展网络控制能力。

5.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，所述伺服驱动装置包括不少于10个伺服驱动模块；所述步进驱动装置包括不少于8个步进驱动模块；所述的伺服驱动模块用于控制伺服电机；所述的步进驱动模块用于控制步进电机。

6.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，所述电气执行机构包括不少于10个伺服电机和不少于8个步进电机。

7.根据权利要求1所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，现场检测元件包括多圈绝对值编码器、现场传感器、料位传感器和速度检测元件；

所述多圈绝对值编码器用于采集物料存储库内棒状物料的实时位置信号；

所述现场传感器，用于检测现场设备的工作状态；

所述料位传感器用于采集料位高度；

所述速度检测元件用于检测上游设备和下游设备的物料输送速度信号。

8.一种棒形物料输送和存储的控制方法，采用权利要求1~7任意一项所述的棒形物料输送和存储的控制***，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1），现场速度检测元件采集上游设备和下游设备的物料输送速度信号以及现场设备运行参数；

步骤（2），通过人机界面输入控制指令和控制参数到电气控制单元；

步骤（3），所述现场检测元件将上游设备和下游设备的物料输送速度信号以及现场设备运行参数发送给所述电气控制单元；

步骤（4），电气控制单元进行处理后，将产生的控制参数发送给所述人机界面、伺服驱动装置和步进驱动装置；

步骤（5），伺服驱动装置控制伺服电机动作，步进驱动装置控制步进电机动作；

步骤（6），人机界面显示设备工作状态和所述控制参数。

9.根据权利要求8所述的棒形物料输送和存储的控制方法，其特征在于，假设存在两个物料存储库A、B，物料存储库A、B与上游的分流料仓通过分流通道A、B相连；物料存储库A、B与下游的汇流料仓通过汇流通道A、B相连；则步骤（4）电气控制单元进行处理产生的控制参数的具体方法如下：

如果上游设备停机，则分流通道A、分流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给汇流料仓，经过出料提升机将物料输送到下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值；

如果下游设备停机，则汇流通道A、汇流通道B停止运行，控制物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值；

如果上游设备的速度大于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B存储上游设备输送的物料，直到所述物料存储库A、物料存储库B里装满物料或者高于预设值，并控制上游设备停机；

如果上游设备的速度小于下游设备的速度且速度差大于500-1500支/分时，控制所述物料存储库A、物料存储库B将其中的物料输送给下游设备，直到所述物料存储库A、物料存储库B里没有物料或者低于预设值，并控制下游设备停机。

如果上游设备的速度等于下游设备的速度或者上游设备的速度与下游设备的速度差小于0-500支/分或者下游设备的速度与上游设备的速度差小于0-500支/分时，所述物料存储库A、物料存储库B不具备存储功能，存储库内各层速度相等，仅作为输送通道将物料由上游设备输送到下游设备。

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