卷煙機組的PLC控制系統(tǒng)開發(fā)及應用實踐研究論述

徐曉龍

摘要：卷煙機組的控制系統(tǒng)是集合現(xiàn)場總線技術，計算機控制技術和網絡技術為一體的復雜工業(yè)自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要對現(xiàn)場各種檢測信號以及傳達的控制命令進行處理，通過對各個控制器的協(xié)調工作，最終生產出高質量的煙支，因此對機組通信的速度和效率要求高。隨著卷煙生產企業(yè)的發(fā)展，對卷煙設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)及應用。

關鍵詞：卷煙機組；PLC控制系統(tǒng)；開發(fā)應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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

德國虹霓PROTOS70機組是現(xiàn)階段國內煙草行業(yè)普遍使用的一種高速卷接機組，具有可靠性高、煙支卷接質量好的特點。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技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線控制技術在卷煙機組電力控制系統(tǒng)在工業(yè)領域得到快速發(fā)展，國產后的德國虹霓PROTOS70機組大多使用的是PCL電力控制系統(tǒng)。但隨著該系統(tǒng)電路的老化和停產，國內德國虹霓PROTOS70機組面臨PCL改造。文章在闡述國內德國虹霓PROTOS70機組構造的基礎上，分析PLC技術在卷煙機上應用的優(yōu)劣，并在工業(yè)發(fā)展和計算機技術的支持下，為卷煙機控制系統(tǒng)的優(yōu)化進行策略分析。

1 PROTOS70卷煙機組概述

1.1 PROTOS70卷煙機組的電控系統(tǒng)

國產PROTOS70卷煙機組的電控系統(tǒng)主要由Yj17卷煙機、接裝機組成，機組的電控系統(tǒng)主要分為四個部分：第一，PLC控制柜。主要負責完成全部的生產工藝；第二，人機界面HMI。主要負責對卷煙生產全過程數據的監(jiān)控，具有人機交互的功能；第三，CIS卷煙質量檢測系統(tǒng)。主要負責對煙支質量的檢測判斷和識別，并對不正規(guī)的煙品進行及時剔除；第四，SRM重量控制系統(tǒng)。主要是對煙支的重量進行控制。

1.2 PROTOS70卷煙機組的 PLC硬件組成

國產PROTOS70卷煙機組的PLC結構選用的是S7-400，下設多個從站，分別位于VE、SE和MAX中?；赟E和MAX對實時效率和速度要求高，在從站中一般需要配置獨立的CPU模塊。主站和從站ET200M、閥島。變頻器等共同構成控制層。人機界面、卷煙質量檢測系統(tǒng)以及重量控制系統(tǒng)通過總線的連接共同構成管理層。

2 PLC控制技術概述

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)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。PLC硬件結構專用性強，通用性差，不能支持一些先進的微機軟件使用。但由于應用PLC技術的人員素質高，使得其和其他控制技術相比具有可靠性強、抗干擾能力強、編程簡單、操作方便、維護工作任務小、系統(tǒng)功能完善等方面的優(yōu)勢，被廣泛地應用到工業(yè)設備中。PLC程序主要是在其監(jiān)控程序的基礎上運行的，在軟件設施方面，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，且循環(huán)周期長加重了自身的滯后性。在一般情況下不會產生實質性影響，但對于運轉快速的I/0信號要使用特殊功能模塊時，其自身的滯后性弊端會逐漸顯露。隨著卷煙機生產速度的提升以及工業(yè)控制計算機技術的發(fā)展，PLC技術和各種工業(yè)控制機之間實現(xiàn)了融合和統(tǒng)一，因此，解決I/0信號問題成為PLC控制技術的難點和關鍵。

3 卷煙機組工藝流程及關鍵控制單元剖析

3.1 卷煙機組煙支的工藝流程

卷煙機組分為供絲和煙支成型兩部分，其中供絲部分的任務是為了保證煙絲供應的穩(wěn)定和均勻，實現(xiàn)對重量的調節(jié)。因而對供絲的速度和動態(tài)生產有著較高的要求，要求每個煙支的質量要有一定的回絲量。同時由于最后是采用負壓吸絲 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，不僅對產生堵絲停機的問題，還會導致出現(xiàn)大量的廢氣煙支?？梢姡瑹熃z的供應對卷煙機的革新發(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上。卷煙機組接裝機的工藝功能為在接收到雙倍長煙支后，要將其分解成兩支長度相等的單倍長煙支。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煙支。

3.2 卷煙機組關鍵的控制單元

3.2.1 操作站、主控器、通訊網絡及I/O單元

操作站、主控器、通訊網絡及I/O單元是卷煙機組系統(tǒng)的主要構成要素，對卷煙機組控制系統(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置的側重點不同，操作站主要是針對設備的操作調度系統(tǒng)，包含數據的計算、傳輸以及子功能模塊和主控系統(tǒng)之間的協(xié)調。傳統(tǒng)的主控器采用中型或者大型的PLC系統(tǒng)，操作不夠細致，對系統(tǒng)的處理速度有一定制約?，F(xiàn)代的卷煙機組實現(xiàn)了對PLC主控器的細化，將主控器和主操作進行合并。

3.2.2 安全保護控制單元

安全保護控制單元主要利用一些安全保護裝置來實現(xiàn)對系統(tǒng)裝置的保護，從而實現(xiàn)卷煙機組PLC系統(tǒng)應用符合安全標準和安全要求。該單元首先要對機組設備的危險性進行評估分析，從而對卷煙機組設備的風險等級進行確定

3.2.3 執(zhí)行和驅動單元

卷煙機組的執(zhí)行和驅動單元一般包括氣缸和電機，主要是指電機和氣動執(zhí)行件的驅動。隨著近幾年用戶對設備使用和管理水平要求的提高，對卷煙機組驅動單元的要求也變得更為嚴格。在機電、電氣一體化發(fā)展的進程中，卷煙機組制造的驅動單元實現(xiàn)了在新技術上的探索。

3.2.4 子功能模塊

子功能模塊的設置能夠在一定程度上減輕主控單元的負擔，提升卷煙機組系統(tǒng)的處理速度?，F(xiàn)階段，在卷煙機組的發(fā)展中，對子功能模塊和主控單元之間數據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組系統(tǒng)研究的重點和難點。

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

卷煙機組的PLC控制的關鍵在于確定操作站、主控器、通訊網絡以及I/O單元的控制框架，并在控制框架確定的同時選用現(xiàn)成合適的控制器件，通過對控制器件的開發(fā)設計出適合自己的應用程序。同時，還要實現(xiàn)對控制單元的安全保護、加強對子功能模塊的完善、優(yōu)化系統(tǒng)執(zhí)行和驅動單元。根據卷煙機組PLC控制系統(tǒng)的關鍵，針對現(xiàn)階段PLC系統(tǒng)存在的問題，在滿足客戶需要的同時提出PLC控制系統(tǒng)開發(fā)及應用優(yōu)化策略。

4.1 操作站、主控器、通訊網絡及I/O單元方面的優(yōu)化

新型PROTOS70卷煙機組控制系統(tǒng)的總結構設計，主要是主操作站通過企業(yè)MIS網將數據上傳給MIS系統(tǒng)，并在設備一層總線、各個主控器以及子功能模塊連接的基礎上實現(xiàn)數據的交換共享。首先，這種數據的共享連接減少了PLC系統(tǒng)操作的復雜性，同時，主控器能夠將對溫度、質量、重量等方面的控制有效分離，提升系統(tǒng)的運行速度，降低操作風險。其次，MLP工控實現(xiàn)了對內部網絡和外部網絡的同時連接，實現(xiàn)了工業(yè)自動化發(fā)展。再次，實現(xiàn)了分布化的智能處理。PLC系統(tǒng)以總線節(jié)點為基本單元，簡化了節(jié)點的處理方法，減少了故障發(fā)生對系統(tǒng)的干擾。同時，分布式的網絡結構還提供了節(jié)點間的通訊方式，能夠在智能設備上下載相關的應用程序，將故障信息技術上達，利用IP路由器、電話線和計算機網絡等工具實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)的遠程監(jiān)視。

4.2 實現(xiàn)對機器的安全控制保護

實現(xiàn)對機器的安全控制保護主要體現(xiàn)在對直接負責設備和人們安全電路的控制以及對控制信號安全實施的控制，主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，安全開關的使用要選擇帶有IEC標志的元件，通過對安全開關常閉觸點的應用實現(xiàn)對觸點的保護。這種開關的使用在傳感器出現(xiàn)回路以及斷線的問題時，會在很大程度上減少危險事件的發(fā)生。第二，加強對安全繼電器的使用。安全繼電器是系統(tǒng)安全自動化的基礎，能夠對操作人員和機器產品進行同時保護。因此，在PLC系統(tǒng)中要加強對安全門、防護罩、機器靜止監(jiān)視等功能單元的使用。第三，只能運用安全開關的常閉觸點實現(xiàn)對觸點的保護。第四，要采用交流伺服技術實現(xiàn)對設備的多軸同步驅動。同時要對軸意外啟動的問題從硬件和軟件兩個方面進行控制。第五，對于具有多個操作站的機器，有關人員要采取措施實現(xiàn)在具體時間點對某一個操作站的使用，并要將操作站放置在合理的位置。第六，加強對控制信號安全實施的控制，提升控制信號的抗干擾能力。主要表現(xiàn)為對EMC性能的重點控制：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干擾源進行抑制。其次，通過接地和導電罩殼的安裝來對電氣裝備進行屏蔽，實現(xiàn)系統(tǒng)設備和裝備的分離。最后，要避免因為靜電放電、電磁量的放射對電網帶來的干擾。

4.3 完善執(zhí)行機構及其驅動單元

卷煙機的驅動主要是電機驅動和氣動執(zhí)行件的驅動，因而對卷煙機的同步精度要求較為嚴格，卷煙機的驅動一般采用的是伺服驅動。這種驅動對同步的要求不嚴格，因此，要將伺服驅動變?yōu)樽冾l驅動。氣動執(zhí)行件的驅動是指將原分立電磁閥驅動用閥島集中驅動。這種驅動應遵循以下幾個原則：第一，總開關的電磁閥一般不能使用閥島；第二，和機器安全保護控制回路相關的氣動機構不能利用閥島驅動；第三，對于響應速度高的電磁閥不能使用閥島。第四，一般使用具有現(xiàn)場總線接口的閥島，并要根據具體的系統(tǒng)布局將啟動執(zhí)行件分為幾個動作模塊，當模塊之間超過一個閥島時，實現(xiàn)模塊之間總線的連接。第五，要將主控單元作為整個系統(tǒng)的控制中心，通過現(xiàn)場總線聯(lián)網，實現(xiàn)設備操作的清晰、準確。

4.4 完善卷煙機的子功能模塊

卷煙機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，一般需要復雜的計算處理，在很大程度上制約了主控單元的速度，特別是在卷煙機速度不斷提升的今天，更加需要通過對其子功能的完善將其從繁瑣的主要控制單元中脫離。完善卷煙機的子功能模塊需要從溫度控制、信號處理、重量控制和質量檢測方面進行。第一，溫度控制。隨著卷煙機組生產速度的提升，其高速卷接設備上充分應用了計算機技術、總線控制技術和PLC系統(tǒng)等。為了提升卷煙機組系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠發(fā)展，現(xiàn)階段的高速卷煙機組電力控制系統(tǒng)實現(xiàn)了由原有的集中控制到現(xiàn)在的分布式控制發(fā)展，很多卷煙機組系統(tǒng)的溫度控制是在獨立溫度控制器專用的電路板上實現(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)在整機控制功能完善的同時能夠對自加熱器的溫度進行控制。第二，高速信號處理。PLC的工作方式是循環(huán)掃描，對一些快速的信號，無法充分計算其延遲時間。因此，需要對此進行完善。比如可以采用SEIMENS專門處理高速信號的通用智能處理器HPI卡來對高速信號進行處理、實現(xiàn)對不合格煙支的剔除。這種處理器的信號處理獨立于PLC程序掃描之外，具有高速的處理效率，能夠滿足卷煙機高速信號的處理需求。

5 總結

綜上所述，基于計算機技術發(fā)展下卷煙機組的PLC控制系統(tǒng)在很大程度上提升了PROTOS70機組整體的穩(wěn)定性，具有機器故障率低、操作界面良好、操作方便、能夠實現(xiàn)對故障的及時處理和維修、機器設備沒有質量問題的優(yōu)點，同時完善后的PLC系統(tǒng)具有數據的采集和傳輸功能，在使用現(xiàn)場總線的基礎上能夠充分滿足工廠自動化和CIMS系統(tǒng)信息集成的要求，展現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)單機控制、聯(lián)機控制、聯(lián)網控制以及對生產數據全面采集、存儲的功能。因此，需要有關煙草人員不斷完善信息化PLC系統(tǒng)控制在卷煙機組的應用，從而提升煙草的質量和品質。

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