煙支在線激光打孔設(shè)備UPS 的設(shè)計(jì)與維護(hù)

賈卓，李勇

（山西昆明煙草有限責(zé)任公司卷包車間，山西太原 030001）

煙支在線激光打孔技術(shù)在卷煙生產(chǎn)過程中已廣泛普及，然而當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)若發(fā)生市電故障或關(guān)機(jī)操作不當(dāng)時(shí)則會導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失，影響煙支正常生產(chǎn)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，對煙支在線激光打孔設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，有效降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)效率。

1 煙支在線激光打孔的概述

煙支在線激光打孔是指煙支在卷煙機(jī)內(nèi)部生產(chǎn)制造時(shí)，利用激光發(fā)生器發(fā)射高能級激光束并投射至煙支濾嘴棒處進(jìn)行在線打孔[1]。通過設(shè)置設(shè)備參數(shù)，可調(diào)節(jié)激光束能量，將煙支濾嘴外部的水松紙及高透紙打穿，并形成具有一定深度的小孔。通過加入該項(xiàng)工藝流程，可在不降低卷煙機(jī)生產(chǎn)速度的同時(shí)完成煙支在線打孔的工作，同時(shí)成形后的煙支通風(fēng)度變異系數(shù)小，吸阻調(diào)節(jié)范圍廣，具備了較強(qiáng)的降焦能力。且可根據(jù)工藝具體要求調(diào)整打孔時(shí)間、打孔數(shù)量，在降低煙支焦油含量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)度與吸阻的可調(diào)可控，也降低了對人體及環(huán)境的不良影響[2]。相較于傳統(tǒng)預(yù)打孔，在線激光打孔實(shí)現(xiàn)打孔通風(fēng)效果更為直接、有效，還能大幅降低輔材料成本。隨著近年來中細(xì)煙支的發(fā)展，在線激光打孔裝置已成為中細(xì)煙支卷接機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置，并且對設(shè)備的電源系統(tǒng)提出了更高的要求。若設(shè)備電源系統(tǒng)可靠性較低，則較易發(fā)生設(shè)備參數(shù)丟失，生產(chǎn)出大批量無打孔、打孔數(shù)少、打孔跑偏等缺陷煙支[3]。

2 設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 UPS 在煙機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用

UPS 可以理解為具有儲備電源能量的設(shè)備，能夠使得設(shè)備長期保持在一個(gè)恒定的電流電壓且能夠維持穩(wěn)定的工作頻率。當(dāng)前UPS 在以倍福IPC（Industrial Personal Computer，工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)）為控制核心的煙機(jī)電控系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，以ZJ118 卷煙機(jī)為例，ZJ118 型卷接機(jī)組的IPC 控制系統(tǒng)包含UPS、中央處理器、電源模塊等。其中UPS 型號為CX1100-0930，輸入輸出電壓均為DC24 V（Direct Current，直流電）。電壓通過UPS 送入電源模塊，再經(jīng)由電源模塊為中央處理器供電。當(dāng)設(shè)備斷電或市電意外斷開時(shí)，此刻電源輸出端會自動切換，UPS 持續(xù)輸出DC24 V 電壓為電源模塊及中央處理器供電，直至設(shè)備參數(shù)及停機(jī)程序運(yùn)行完成后再斷電，能夠較好地保護(hù)負(fù)載設(shè)施設(shè)備的可靠穩(wěn)定以及相關(guān)軟硬件的有效工作，有效降低了設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)丟失及系統(tǒng)運(yùn)行等故障率[4]。然而當(dāng)前在線激光打孔設(shè)備的工控機(jī)內(nèi)置WindowsXP 系統(tǒng)，且無配置相應(yīng)的UPS 進(jìn)入設(shè)備電控系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生意外斷電時(shí)，則會產(chǎn)生工控機(jī)系統(tǒng)及生產(chǎn)參數(shù)受到損壞或系統(tǒng)文件丟失等故障，甚至導(dǎo)致工控機(jī)硬盤、主板等受到不可逆的損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性及煙支質(zhì)量。

2.2 UPS 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

UPS 作為市電輸入端與設(shè)備負(fù)載之間的緩沖系統(tǒng)，可以有效避免用戶受到電網(wǎng)異常的干擾，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行使用。在市電輸入異?；蛟O(shè)備意外斷電時(shí)，可通過UPS 內(nèi)部的蓄電池為負(fù)載設(shè)備提供能量，從而使設(shè)備可繼續(xù)工作一段時(shí)間，也可為操作或維修人員提供相應(yīng)操作時(shí)間。其中UPS 的原理框圖如圖1 所示。

圖1 UPS 電源原理框圖

如圖1 所示，UPS 內(nèi)部的整流電路可將電網(wǎng)中的交流電經(jīng)過降壓、整流變?yōu)橹绷麟妷?，并送入逆變器中。?dāng)前UPS 中使用的逆變器大多采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，可使該逆變器具有抗負(fù)載沖擊及供電電壓跳變等功能，保證UPS 穩(wěn)定工作。其中UPS 核心處理器為內(nèi)置的整流電路及逆變器提供各開關(guān)管的驅(qū)動信號，并且還集成檢測、通信及SPWM正弦脈寬調(diào)制等功能，極大改善了UPS 的動態(tài)特性及穩(wěn)定性。當(dāng)市電輸入發(fā)生故障時(shí)，UPS 開始為設(shè)備負(fù)載供電，內(nèi)置蓄電池輸出電能經(jīng)由逆變器輸出至設(shè)備負(fù)載，并且通過通信模塊實(shí)時(shí)顯示UPS 供電情況。

對在線激光打孔設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造原理圖如圖2 所示。市電回路經(jīng)由單向?yàn)V波器輸出AC220 V（Alternating Current，交流電），直接送入至UPS 中，對UPS 內(nèi)置的蓄電池充電的同時(shí)為工控機(jī)提供輸入電壓，同時(shí)UPS 還具有一定的穩(wěn)壓效果。當(dāng)電源意外中斷時(shí)，UPS 可迅速工作，由內(nèi)置蓄電池輸入電壓，經(jīng)由逆變器送入至設(shè)備負(fù)載，保障工控機(jī)可繼續(xù)工作一段時(shí)間，完成后續(xù)的數(shù)據(jù)保存、軟件關(guān)閉等工作并同時(shí)發(fā)出關(guān)機(jī)信號，保障設(shè)備正常關(guān)機(jī)。

圖2 UPS 電控系統(tǒng)電氣原理圖

經(jīng)測試，在線激光打孔設(shè)備工控機(jī)內(nèi)置控制軟件關(guān)閉并正常保存數(shù)據(jù)時(shí)間約為20 s，故通過WinPower軟件設(shè)置關(guān)機(jī)參數(shù)。規(guī)定在市電斷電1 min 后設(shè)備執(zhí)行工控機(jī)關(guān)機(jī)程序。由于整個(gè)工作過程需要工控機(jī)與UPS 實(shí)時(shí)通信，故在本電源系統(tǒng)中選用智能通信型UPS。基于此，本次選擇的UPS 型號為TG-500 智能上網(wǎng)型UPS，通過RS232 通信串口與工控機(jī)進(jìn)行通信，可實(shí)時(shí)關(guān)注UPS 的運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)置關(guān)機(jī)參數(shù)，同時(shí)對設(shè)備進(jìn)行突波保護(hù)，選用的電源參數(shù)如表1 所示。

表1 TG-500UPS 電源參數(shù)表

3 設(shè)備排故

3.1 UPS 失效

當(dāng)設(shè)備UPS 失效時(shí)，最明顯的表現(xiàn)方式是直接關(guān)閉電源后，在線激光打孔設(shè)備的工控機(jī)直接關(guān)機(jī)或接通市電后UPS 電源指示燈不亮，工控機(jī)無法啟動。此時(shí)首先應(yīng)檢查電源系統(tǒng)的接線方式是否存在異常，是否存在輸入電源或輸出電源接觸不良等情況，同時(shí)應(yīng)保證UPS 電源模塊開關(guān)處于開啟狀態(tài)。當(dāng)以上問題均檢查無誤后，則應(yīng)測量電源輸出電壓是否正常，如果電壓過低，則先接入市電開機(jī)后再對UPS 電源模塊進(jìn)行調(diào)試維修[5]。

3.2 設(shè)備斷電后工控機(jī)無法自動關(guān)機(jī)

出現(xiàn)此類故障的原因?yàn)閁PS 與在線激光打孔設(shè)備的工控機(jī)通信錯(cuò)誤所導(dǎo)致。此類故障需從軟件設(shè)置和硬件連接兩方面去排故維修。軟件方面的故障有：①電腦系統(tǒng)安裝了防病毒軟件或防火墻等后臺運(yùn)行的程序、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控程序，致使工控機(jī)無法搜索到UPS，需將相關(guān)軟件關(guān)閉，在搜索到UPS 后再啟動相關(guān)監(jiān)控程序；②設(shè)備關(guān)機(jī)參數(shù)或串口參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，需將UPS與工控機(jī)完成通信后，在WinPower 軟件中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要修改相關(guān)參數(shù)；③USB 轉(zhuǎn)換COM 口的驅(qū)動程序安裝錯(cuò)誤，需要將原先的驅(qū)動程序卸載并安裝新的驅(qū)動程序。硬件連接方面的故障有RS232 串口線不良，包括串口線規(guī)格型號不符、串口線存在質(zhì)量問題導(dǎo)致接觸不良、串口線長度超過15 m導(dǎo)致通信信號衰竭等。出現(xiàn)以上情況后，更改一根符合使用要求的通信線即可。

3.3 UPS 蓄電池失效

當(dāng)UPS 使用年限較長時(shí)，則可能導(dǎo)致內(nèi)部蓄電池性能下降甚至失效。此時(shí)當(dāng)市電中斷時(shí)則會出現(xiàn)UPS電源能量不足，致使無法持續(xù)維持負(fù)載供電。出現(xiàn)此類情況，則需要更換UPS 內(nèi)蓄電池或直接更換新的UPS。為延長UPS 使用壽命，保障內(nèi)部蓄電池可長時(shí)間正常工作，建議每隔3 個(gè)月對電池進(jìn)行完全充放電實(shí)驗(yàn)，使蓄電池恢復(fù)額定容量[6]。當(dāng)UPS 長時(shí)間閑置時(shí)，需利用市電對UPS 充電一段時(shí)間后再接入工控機(jī)。

4 設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)

4.1 在線激光打孔設(shè)備電控系統(tǒng)的維護(hù)

在線激光打孔設(shè)備的電控系統(tǒng)核心硬件為西門子工控主機(jī)、西門子S7-300 系列PLC 模塊、FPGA 脈沖控制板、SICK 傳感器等。由于煙支生產(chǎn)過程中會有部分煙末及煙塵經(jīng)由通風(fēng)管道進(jìn)入電控柜中，若積攢過多則易造成設(shè)備散熱不良、接觸不良等故障。此外，煙末也是影響激光打孔鏡片的主要原因，一旦有灰塵落在鏡片表面，被激光束照射后，瞬間的高溫使灰塵立即熔化。熔化后的物質(zhì)附著在鏡片表面，造成鏡片的反光率降低，讓實(shí)際用于打孔的激光功率降低。同時(shí)因附著物吸收了一部分激光功率，造成激光鏡片溫度上升，破壞鏡片鍍膜層。因此，每周應(yīng)對在線激光打孔設(shè)備的電控柜及鏡頭進(jìn)行及時(shí)的保養(yǎng)及清潔，重點(diǎn)清除設(shè)備內(nèi)殘損的煙末，以保障設(shè)備正常運(yùn)行。

4.2 UPS 的維護(hù)

本次在線激光打孔設(shè)備所選用的UPS 為MT-500，屬于智能上網(wǎng)型UPS，雖然標(biāo)稱工作溫度為0～40 ℃，然而過熱的工作環(huán)境將對UPS 的使用壽命及穩(wěn)定性造成一定影響，因此將UPS 固定至電控柜風(fēng)扇口附近，使其工作環(huán)境保持在25 ℃左右。此外，在通風(fēng)管道處加裝過濾網(wǎng)的同時(shí)每周進(jìn)行一次清潔保養(yǎng)，保證其處于散熱良好、干凈清潔的工作環(huán)境中，還可有效預(yù)防煙末對于UPS 硬件造成損壞。在選配UPS 電源系統(tǒng)功率時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有余量，避免其出現(xiàn)超載現(xiàn)象。負(fù)載的總?cè)萘繎?yīng)小于UPS 的額定功率，將UPS 的最大啟動負(fù)載控制在額定功率的80%。此外，若發(fā)現(xiàn)電源外殼出現(xiàn)形變狀況，需立即停止使用，及時(shí)排查形變原因，檢查電源溫度是否存在異常，電源是否存在漏電現(xiàn)象，檢查完畢后進(jìn)行相應(yīng)的安全處理，從而為后期維修工作提供安全保障。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著煙機(jī)設(shè)備的發(fā)展，可保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，并具有一定的抗干擾能力已成為設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)重要指標(biāo)之一。而UPS 作為其中重要的后備能源，在當(dāng)前煙機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)中也已愈發(fā)受到重視。本文通過在在線激光打孔設(shè)備中加裝UPS，有效避免了生產(chǎn)參數(shù)丟失、硬盤損壞等問題，為在線激光打孔的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。相關(guān)技術(shù)人員唯有充分重視UPS 在煙機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用，注重UPS 在日常工作中的保養(yǎng)維護(hù)，才能確保煙機(jī)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，為煙支質(zhì)量及有效作業(yè)率提供保障。