徐曉龍

摘要：卷煙機(jī)組的控制系統(tǒng)是集合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的復(fù)雜工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種檢測(cè)信號(hào)以及傳達(dá)的控制命令進(jìn)行處理，通過對(duì)各個(gè)控制器的協(xié)調(diào)工作，最終生產(chǎn)出高質(zhì)量的煙支，因此對(duì)機(jī)組通信的速度和效率要求高。隨著卷煙生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，對(duì)卷煙設(shè)備提出了更高的要求，文章以煙草行業(yè)中在用的PROTOS70為例，具體介紹PLC控制系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：卷煙機(jī)組；PLC控制系統(tǒng)；開發(fā)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0247-03

Abstract： The control system of cigarette machine set is a set of field bus technology， computer control technology and network technology as one of the complex industrial automation system. System mainly on a variety of field detection signal and communication control command， through the coordination of each controller， eventually produce the high quality of the cigarette， so unit communication speed and efficiency requirements for high. With the development of the cigarette manufacturing enterprises， the paper puts forward higher requirements to the cigarette equipment. The paper takes the PROTOS70 as an example， introduces the development and application of PLC control system in detail.

Key words： cigarette set； PLC control system； development and Application

德國(guó)虹霓PROTOS70機(jī)組是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)普遍使用的一種高速卷接機(jī)組，具有可靠性高、煙支卷接質(zhì)量好的特點(diǎn)。其電路控制系統(tǒng)大多采用的是多塊集成電路板及繼電器邏輯完成。伴隨PCL技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)在卷煙機(jī)組電力控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)后的德國(guó)虹霓PROTOS70機(jī)組大多使用的是PCL電力控制系統(tǒng)。但隨著該系統(tǒng)電路的老化和停產(chǎn)，國(guó)內(nèi)德國(guó)虹霓PROTOS70機(jī)組面臨PCL改造。文章在闡述國(guó)內(nèi)德國(guó)虹霓PROTOS70機(jī)組構(gòu)造的基礎(chǔ)上，分析PLC技術(shù)在卷煙機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)劣，并在工業(yè)發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，為卷煙機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行策略分析。

1 PROTOS70卷煙機(jī)組概述

1.1 PROTOS70卷煙機(jī)組的電控系統(tǒng)

國(guó)產(chǎn)PROTOS70卷煙機(jī)組的電控系統(tǒng)主要由Yj17卷煙機(jī)、接裝機(jī)組成，機(jī)組的電控系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：第一，PLC控制柜。主要負(fù)責(zé)完成全部的生產(chǎn)工藝；第二，人機(jī)界面HMI。主要負(fù)責(zé)對(duì)卷煙生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)的監(jiān)控，具有人機(jī)交互的功能；第三，CIS卷煙質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)對(duì)煙支質(zhì)量的檢測(cè)判斷和識(shí)別，并對(duì)不正規(guī)的煙品進(jìn)行及時(shí)剔除；第四，SRM重量控制系統(tǒng)。主要是對(duì)煙支的重量進(jìn)行控制。

1.2 PROTOS70卷煙機(jī)組的 PLC硬件組成

國(guó)產(chǎn)PROTOS70卷煙機(jī)組的PLC結(jié)構(gòu)選用的是S7-400，下設(shè)多個(gè)從站，分別位于VE、SE和MAX中。基于SE和MAX對(duì)實(shí)時(shí)效率和速度要求高，在從站中一般需要配置獨(dú)立的CPU模塊。主站和從站ET200M、閥島。變頻器等共同構(gòu)成控制層。人機(jī)界面、卷煙質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)以及重量控制系統(tǒng)通過總線的連接共同構(gòu)成管理層。

2 PLC控制技術(shù)概述

PLC控制系統(tǒng)是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。PLC硬件結(jié)構(gòu)專用性強(qiáng)，通用性差，不能支持一些先進(jìn)的微機(jī)軟件使用。但由于應(yīng)用PLC技術(shù)的人員素質(zhì)高，使得其和其他控制技術(shù)相比具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、操作方便、維護(hù)工作任務(wù)小、系統(tǒng)功能完善等方面的優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備中。PLC程序主要是在其監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上運(yùn)行的，在軟件設(shè)施方面，特別是抗干擾性能上得到了人們周全的考慮。PLC的主要工作方式為：將采樣輸入——執(zhí)行程序——刷新輸出狀態(tài)。PLC的I/0滯后性強(qiáng)，且循環(huán)周期長(zhǎng)加重了自身的滯后性。在一般情況下不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，但對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)快速的I/0信號(hào)要使用特殊功能模塊時(shí)，其自身的滯后性弊端會(huì)逐漸顯露。隨著卷煙機(jī)生產(chǎn)速度的提升以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)和各種工業(yè)控制機(jī)之間實(shí)現(xiàn)了融合和統(tǒng)一，因此，解決I/0信號(hào)問題成為PLC控制技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

3 卷煙機(jī)組工藝流程及關(guān)鍵控制單元剖析

3.1 卷煙機(jī)組煙支的工藝流程

卷煙機(jī)組分為供絲和煙支成型兩部分，其中供絲部分的任務(wù)是為了保證煙絲供應(yīng)的穩(wěn)定和均勻，實(shí)現(xiàn)對(duì)重量的調(diào)節(jié)。因而對(duì)供絲的速度和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)有著較高的要求，要求每個(gè)煙支的質(zhì)量要有一定的回絲量。同時(shí)由于最后是采用負(fù)壓吸絲 的方法將煙絲送到煙支成型的部分，一旦煙絲出現(xiàn)了不均勻的供應(yīng)，不僅對(duì)產(chǎn)生堵絲停機(jī)的問題，還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大量的廢氣煙支?？梢姡瑹熃z的供應(yīng)對(duì)卷煙機(jī)的革新發(fā)展具有重要影響意義。煙支成型部分主要將部分煙絲制作成一種條狀的煙條，并將其切割成不同的煙條傳送到接裝機(jī)上。卷煙機(jī)組接裝機(jī)的工藝功能為在接收到雙倍長(zhǎng)煙支后，要將其分解成兩支長(zhǎng)度相等的單倍長(zhǎng)煙支。之后將兩支單煙支保持一定距離地匯合到鼓輪中。水松紙從紙盤上被拉出，在上膠和加熱后被切割成水松紙片，通過搓板搓接形成一種具有濾嘴的雙倍長(zhǎng)煙支。

3.2 卷煙機(jī)組關(guān)鍵的控制單元

3.2.1 操作站、主控器、通訊網(wǎng)絡(luò)及I/O單元

操作站、主控器、通訊網(wǎng)絡(luò)及I/O單元是卷煙機(jī)組系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素，對(duì)卷煙機(jī)組控制系統(tǒng)的主要框架具有重要的決定意義。該控制單元要根據(jù)用戶的需求和操作管理的便利來選擇一種適合企業(yè)發(fā)展的控制構(gòu)架，從而形成自己的控制系統(tǒng)。每一種單元之間的主控器設(shè)置的側(cè)重點(diǎn)不同，操作站主要是針對(duì)設(shè)備的操作調(diào)度系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)的計(jì)算、傳輸以及子功能模塊和主控系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)的主控器采用中型或者大型的PLC系統(tǒng)，操作不夠細(xì)致，對(duì)系統(tǒng)的處理速度有一定制約。現(xiàn)代的卷煙機(jī)組實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC主控器的細(xì)化，將主控器和主操作進(jìn)行合并。

3.2.2 安全保護(hù)控制單元

安全保護(hù)控制單元主要利用一些安全保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)裝置的保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)卷煙機(jī)組PLC系統(tǒng)應(yīng)用符合安全標(biāo)準(zhǔn)和安全要求。該單元首先要對(duì)機(jī)組設(shè)備的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估分析，從而對(duì)卷煙機(jī)組設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行確定

3.2.3 執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)單元

卷煙機(jī)組的執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)單元一般包括氣缸和電機(jī)，主要是指電機(jī)和氣動(dòng)執(zhí)行件的驅(qū)動(dòng)。隨著近幾年用戶對(duì)設(shè)備使用和管理水平要求的提高，對(duì)卷煙機(jī)組驅(qū)動(dòng)單元的要求也變得更為嚴(yán)格。在機(jī)電、電氣一體化發(fā)展的進(jìn)程中，卷煙機(jī)組制造的驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)了在新技術(shù)上的探索。

3.2.4 子功能模塊

子功能模塊的設(shè)置能夠在一定程度上減輕主控單元的負(fù)擔(dān)，提升卷煙機(jī)組系統(tǒng)的處理速度?，F(xiàn)階段，在卷煙機(jī)組的發(fā)展中，對(duì)子功能模塊和主控單元之間數(shù)據(jù)交換問題以及子功能模塊控制器選擇問題的研究是卷煙機(jī)組系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 卷煙機(jī)組的PLC控制系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用優(yōu)化策略

卷煙機(jī)組的PLC控制的關(guān)鍵在于確定操作站、主控器、通訊網(wǎng)絡(luò)以及I/O單元的控制框架，并在控制框架確定的同時(shí)選用現(xiàn)成合適的控制器件，通過對(duì)控制器件的開發(fā)設(shè)計(jì)出適合自己的應(yīng)用程序。同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制單元的安全保護(hù)、加強(qiáng)對(duì)子功能模塊的完善、優(yōu)化系統(tǒng)執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)單元。根據(jù)卷煙機(jī)組PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，針對(duì)現(xiàn)階段PLC系統(tǒng)存在的問題，在滿足客戶需要的同時(shí)提出PLC控制系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用優(yōu)化策略。

4.1 操作站、主控器、通訊網(wǎng)絡(luò)及I/O單元方面的優(yōu)化

新型PROTOS70卷煙機(jī)組控制系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是主操作站通過企業(yè)MIS網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳給MIS系統(tǒng)，并在設(shè)備一層總線、各個(gè)主控器以及子功能模塊連接的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換共享。首先，這種數(shù)據(jù)的共享連接減少了PLC系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，同時(shí)，主控器能夠?qū)?duì)溫度、質(zhì)量、重量等方面的控制有效分離，提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。其次，MLP工控實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展。再次，實(shí)現(xiàn)了分布化的智能處理。PLC系統(tǒng)以總線節(jié)點(diǎn)為基本單元，簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的處理方法，減少了故障發(fā)生對(duì)系統(tǒng)的干擾。同時(shí)，分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還提供了節(jié)點(diǎn)間的通訊方式，能夠在智能設(shè)備上下載相關(guān)的應(yīng)用程序，將故障信息技術(shù)上達(dá)，利用IP路由器、電話線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等工具實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的安全控制保護(hù)

實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的安全控制保護(hù)主要體現(xiàn)在對(duì)直接負(fù)責(zé)設(shè)備和人們安全電路的控制以及對(duì)控制信號(hào)安全實(shí)施的控制，主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，安全開關(guān)的使用要選擇帶有IEC標(biāo)志的元件，通過對(duì)安全開關(guān)常閉觸點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)觸點(diǎn)的保護(hù)。這種開關(guān)的使用在傳感器出現(xiàn)回路以及斷線的問題時(shí)，會(huì)在很大程度上減少危險(xiǎn)事件的發(fā)生。第二，加強(qiáng)對(duì)安全繼電器的使用。安全繼電器是系統(tǒng)安全自動(dòng)化的基礎(chǔ)，能夠?qū)Σ僮魅藛T和機(jī)器產(chǎn)品進(jìn)行同時(shí)保護(hù)。因此，在PLC系統(tǒng)中要加強(qiáng)對(duì)安全門、防護(hù)罩、機(jī)器靜止監(jiān)視等功能單元的使用。第三，只能運(yùn)用安全開關(guān)的常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)觸點(diǎn)的保護(hù)。第四，要采用交流伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的多軸同步驅(qū)動(dòng)。同時(shí)要對(duì)軸意外啟動(dòng)的問題從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行控制。第五，對(duì)于具有多個(gè)操作站的機(jī)器，有關(guān)人員要采取措施實(shí)現(xiàn)在具體時(shí)間點(diǎn)對(duì)某一個(gè)操作站的使用，并要將操作站放置在合理的位置。第六，加強(qiáng)對(duì)控制信號(hào)安全實(shí)施的控制，提升控制信號(hào)的抗干擾能力。主要表現(xiàn)為對(duì)EMC性能的重點(diǎn)控制：首先，通過電容器、電抗器、二極管以及可變電阻的裝置和組合有效對(duì)干擾源進(jìn)行抑制。其次，通過接地和導(dǎo)電罩殼的安裝來對(duì)電氣裝備進(jìn)行屏蔽，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備和裝備的分離。最后，要避免因?yàn)殪o電放電、電磁量的放射對(duì)電網(wǎng)帶來的干擾。

4.3 完善執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)單元

卷煙機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行件的驅(qū)動(dòng)，因而對(duì)卷煙機(jī)的同步精度要求較為嚴(yán)格，卷煙機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般采用的是伺服驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)對(duì)同步的要求不嚴(yán)格，因此，要將伺服驅(qū)動(dòng)變?yōu)樽冾l驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)執(zhí)行件的驅(qū)動(dòng)是指將原分立電磁閥驅(qū)動(dòng)用閥島集中驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：第一，總開關(guān)的電磁閥一般不能使用閥島；第二，和機(jī)器安全保護(hù)控制回路相關(guān)的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)不能利用閥島驅(qū)動(dòng)；第三，對(duì)于響應(yīng)速度高的電磁閥不能使用閥島。第四，一般使用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的閥島，并要根據(jù)具體的系統(tǒng)布局將啟動(dòng)執(zhí)行件分為幾個(gè)動(dòng)作模塊，當(dāng)模塊之間超過一個(gè)閥島時(shí)，實(shí)現(xiàn)模塊之間總線的連接。第五，要將主控單元作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作的清晰、準(zhǔn)確。

4.4 完善卷煙機(jī)的子功能模塊

卷煙機(jī)的主控器出了主要的控制功能之外，還具有其他的額外功能，一般需要復(fù)雜的計(jì)算處理，在很大程度上制約了主控單元的速度，特別是在卷煙機(jī)速度不斷提升的今天，更加需要通過對(duì)其子功能的完善將其從繁瑣的主要控制單元中脫離。完善卷煙機(jī)的子功能模塊需要從溫度控制、信號(hào)處理、重量控制和質(zhì)量檢測(cè)方面進(jìn)行。第一，溫度控制。隨著卷煙機(jī)組生產(chǎn)速度的提升，其高速卷接設(shè)備上充分應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線控制技術(shù)和PLC系統(tǒng)等。為了提升卷煙機(jī)組系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠發(fā)展，現(xiàn)階段的高速卷煙機(jī)組電力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由原有的集中控制到現(xiàn)在的分布式控制發(fā)展，很多卷煙機(jī)組系統(tǒng)的溫度控制是在獨(dú)立溫度控制器專用的電路板上實(shí)現(xiàn)的，存在的故障較多，而以PLC系統(tǒng)作為子系統(tǒng)控制的溫度控制方式有效改善了這種問題。PLC系統(tǒng)在整機(jī)控制功能完善的同時(shí)能夠?qū)ψ约訜崞鞯臏囟冗M(jìn)行控制。第二，高速信號(hào)處理。PLC的工作方式是循環(huán)掃描，對(duì)一些快速的信號(hào)，無法充分計(jì)算其延遲時(shí)間。因此，需要對(duì)此進(jìn)行完善。比如可以采用SEIMENS專門處理高速信號(hào)的通用智能處理器HPI卡來對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)不合格煙支的剔除。這種處理器的信號(hào)處理獨(dú)立于PLC程序掃描之外，具有高速的處理效率，能夠滿足卷煙機(jī)高速信號(hào)的處理需求。

5 總結(jié)

綜上所述，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展下卷煙機(jī)組的PLC控制系統(tǒng)在很大程度上提升了PROTOS70機(jī)組整體的穩(wěn)定性，具有機(jī)器故障率低、操作界面良好、操作方便、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的及時(shí)處理和維修、機(jī)器設(shè)備沒有質(zhì)量問題的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)完善后的PLC系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能，在使用現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上能夠充分滿足工廠自動(dòng)化和CIMS系統(tǒng)信息集成的要求，展現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)單機(jī)控制、聯(lián)機(jī)控制、聯(lián)網(wǎng)控制以及對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)全面采集、存儲(chǔ)的功能。因此，需要有關(guān)煙草人員不斷完善信息化PLC系統(tǒng)控制在卷煙機(jī)組的應(yīng)用，從而提升煙草的質(zhì)量和品質(zhì)。

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