煙葉制絲生產(chǎn)線空車自動設備測試系統(tǒng)的構(gòu)建與實現(xiàn)

摘要：目前，煙草行業(yè)制絲車間煙葉制絲生產(chǎn)線正逐步向智能化探索。為降低生產(chǎn)線生產(chǎn)過程的故障斷流率，通過進行生產(chǎn)前試機以確保設備功能完好，以期將設備隱患解決在生產(chǎn)前。為此，針對原有試機方式的不足，開發(fā)一套以PLC（可編程邏輯控制器）和HMI（人機界面）為核心的空車自動設備測試系統(tǒng)對設備進行測試。應用結(jié)果表明，采用新型空車自動設備測試系統(tǒng)可將試機時間縮短52.1%，平均斷流次數(shù)降幅達到56.6%，平均生產(chǎn)線故障停機率降低63.6%，為車間設備的穩(wěn)定運行提供了有力保障。

關鍵詞：自動設備測試;斷流率;空車;HMI;PLC

中圖分類號：TP273" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0070-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.017

1" " 問題分析

制絲車間生產(chǎn)線涉及多個工序，如解包、切片、松散回潮、加料、切絲、烘絲、加香、入柜等，上述工序的運行需要開包機、切片機、松散回潮機、加料機、喂料機、切絲機、烘絲機、加香機、儲柜等多種單機設備，及將其連接在一起的各類設備。生產(chǎn)線上任何設備的故障都會造成生產(chǎn)停機斷流。為保證正常生產(chǎn)，在日常周期巡檢、每日生產(chǎn)前、設備維修后或者技術升級后都需要對設備進行測試，以確保設備正常、功能完好且無異常情況。

一般采取手動運行的方式來檢驗設備，步驟為：

1）手動啟動：在人機界面或電柜面板將手/自動控制按鈕選擇為手動，輸入設備相應的控制參數(shù)，點擊手動啟動。

2）檢驗設備：檢查與監(jiān)視設備能否正常運行、有無異常聲響。

3）停止：停止該設備的運行，并將參數(shù)恢復，然后進行下一設備的檢測。

然而，采用這種方式檢測設備面臨諸多不足，如：

1）在檢驗多個設備時需要操作工逐個選中設備并運行，操作繁多且容易遺漏。

2）設備的工藝和參數(shù)各不相同，手動運行環(huán)境與生產(chǎn)運行環(huán)境不同，操作工需要根據(jù)情況調(diào)整參數(shù)，并在測試結(jié)束時調(diào)整回生產(chǎn)時的參數(shù)，操作步驟多，耗時長，有輸錯參數(shù)、忘記恢復參數(shù)的風險。

3）手動運行無法檢驗自動聯(lián)動的各種控制狀態(tài)等。

2" " 改進方法

2.1" " 控制系統(tǒng)框架設計

針對上述問題，基于PLC（可編程邏輯控制器）與HMI（人機界面）設計控制系統(tǒng)框架。系統(tǒng)框架分為三個主要層級：現(xiàn)場控制層、PLC控制層和監(jiān)控層[1]。

2.1.1" " 現(xiàn)場控制層

這一層級包括各類傳感器，負責實時采集關鍵運行數(shù)據(jù)，如電機電流、變頻器頻率、設備運行位置及各類在線檢測儀器儀表的檢測結(jié)果。這些傳感器提供了必要的實時數(shù)據(jù)，支持系統(tǒng)對設備狀態(tài)的精準控制與調(diào)節(jié)。

2.1.2" " PLC控制層

PLC控制器位于這一層級，通過接收來自現(xiàn)場控制層的數(shù)據(jù)，依據(jù)預設的系統(tǒng)邏輯，精準管理和調(diào)節(jié)電氣設備的運行[2-3]。PLC控制器能執(zhí)行復雜的控制算法，實時處理數(shù)據(jù)并響應設備狀態(tài)，確保設備的穩(wěn)定運行，并提高生產(chǎn)效率和系統(tǒng)可靠性。

2.1.3" " 監(jiān)控層

監(jiān)控層級負責系統(tǒng)的參數(shù)配置、狀態(tài)檢測和數(shù)據(jù)記錄等功能。監(jiān)控層提供對系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的實時觀察和記錄支持，確保系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)的準確記錄。

2.2" " 系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃

系統(tǒng)架構(gòu)采用三級結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理與分析層和用戶交互層。數(shù)據(jù)采集層由現(xiàn)場控制層的傳感器組成，實時收集和傳輸設備數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理與分析層負責數(shù)據(jù)的實時處理和系統(tǒng)狀態(tài)的管理。該層由PLC控制器主導，實時解析數(shù)據(jù)，比較預設閾值，并識別異常情況[4]。該層可獲取設備的當前狀態(tài)、主要工藝參數(shù)、趨勢圖、儲柜進出料狀態(tài)、儲料狀態(tài)、換柜記錄以及光電管料位狀態(tài)。此外，該層級還提供網(wǎng)絡（總線）狀態(tài)診斷、I/O通信狀態(tài)診斷、PLC狀態(tài)診斷、數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)診斷、系統(tǒng)狀態(tài)診斷和組合啟動條件診斷等功能。用戶交互層可通過HMI和工控機向操作人員展示設備狀態(tài)和預警信息，幫助操作人員做出及時的判斷和決策，支持故障定位和判斷。

2.3" " 系統(tǒng)設計目標

本次空車自動設備測試系統(tǒng)設計目標包括4個：

1）操作簡易。新系統(tǒng)使用應更方便，能減少操作工操作量，縮短試機耗時。

2）嚴密可靠。通過讀取PLC本地儲存的工藝配方加載設備參數(shù)到任務界面，試機完成時由PLC自行恢復默認參數(shù)，避免人工參與，杜絕操作人員輸錯參數(shù)或忘記恢復參數(shù)的情況;一鍵線啟動設備可以防止操作人員漏選設備，防止人為失誤的發(fā)生。

3）實時診斷。系統(tǒng)擁有在線診斷功能，能夠?qū)崟r采集、處理和顯示設備狀態(tài)，診斷各個工藝生產(chǎn)段和設備的啟動條件，提出滿足條件及未滿足條件，并通過人機界面反映，為操作人員提供參考。

4）真實模擬。新系統(tǒng)可模擬整線設備在自動生產(chǎn)時的狀態(tài)，更加全面地排除可能存在的故障，彌補了單個手動試機的不足。

2.4" " 運作原理

針對傳統(tǒng)試機方案的不足，設計一個高度自動化，效率、準確率高的空車自動設備測試系統(tǒng)顯得尤為重要。該系統(tǒng)引入了一鍵線啟動設備的功能，使操作工無須沿線逐個啟動設備，極大地簡化了操作流程。PLC系統(tǒng)直接發(fā)出組合啟動指令，有效杜絕了漏選設備進行測試的風險。各生產(chǎn)品牌的工藝配方參數(shù)已在PLC的本地存儲管理，通過讀取本地配方并將其加載至接口區(qū)，測試配方的加載與本地試機測試得以順利進行。PLC系統(tǒng)允許修改本地配方的信息，免去了手動輸入和還原參數(shù)的步驟，這不僅減輕了操作工的工作量，還降低了誤操作的可能性。操作人員只需在一鍵啟動后進行巡檢，監(jiān)視沿線的人機界面和設備運行狀態(tài)。如果出現(xiàn)故障，操作人員可以查看PLC中對應線路的控制功能塊，分析不滿足條件的原因，并解決電氣、網(wǎng)絡或機械上的問題，從而完成整個試機過程。這種設計大幅提升了測試系統(tǒng)的自動化水平和操作效率，同時確保了測試的準確性。系統(tǒng)運作原理如圖1所示。

接下來以對儲柜系統(tǒng)的試機過程為例進行說明，儲柜系統(tǒng)試機流程圖如圖2所示。

首先，操作工需在圖3頁面點擊“任務裝載”按鈕，以從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中加載相關任務。如果此時生產(chǎn)管理系統(tǒng)尚未下達工單，操作工可在PLC與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的任務接口查詢界面將本地配方加載至接口區(qū)，以確保測試過程的順利進行。

隨后，點擊按鈕以激活本地測試，如圖4所示，此時原接口中的任務信息會被更新為“EmTest”字樣的測試信息。接下來，按照既定的任務確認流程，操作工需依次執(zhí)行“任務申請完成lt;確認gt;”和“配方申請完成lt;確認gt;”操作，這樣任務信息即可順利傳送至當前任務。

當任務成功傳送至當前接口后，操作工需要按照正常任務操作流程對進出柜進行選柜操作。若任務無法執(zhí)行，操作工應檢查診斷信息中的條件是否滿足。如果發(fā)現(xiàn)不滿足條件，需要進一步查看PLC系統(tǒng)中對應線路的控制功能塊，以確定具體的不滿足原因，并采取相應措施解決電氣、網(wǎng)絡或機械上的故障問題[5]。

如圖5所示，在確保任務可以執(zhí)行后，操作工按照正常生產(chǎn)的執(zhí)行步驟，首先執(zhí)行任務，然后啟動設備。試機過程結(jié)束后，操作工需按正常操作步驟點擊“生產(chǎn)結(jié)束”按鈕，完成整個試機工作，確保所有測試步驟和任務都順利完成。

3" " 改進效果

針對該系統(tǒng)應用后的各類關鍵參數(shù)進行對比分析。系統(tǒng)應用前后的斷流次數(shù)對比和生產(chǎn)故障率對比如圖6、圖7所示。

從表1中可以看出，在空車自動設備測試系統(tǒng)的試機運用中，人工操作時間顯著縮短，從原來的9.4 min下降為4.5 min，效率提高了52.1%;還實現(xiàn)了操作人員零誤操作;平均斷流次數(shù)也有明顯下降，降幅達56.6%;平均生產(chǎn)線故障停機率降低了63.6%，充分驗證了此技術方案的高效性和實際應用價值。

4" " 結(jié)束語

這套以PLC和HMI為核心的空車自動設備測試系統(tǒng)，在確保系統(tǒng)安全性和可靠性的基礎上，顯著減少了現(xiàn)場操作工的工作負擔。

通過高度自動化的設計，該系統(tǒng)有效縮短了操作人員的測試時間，從而大幅提高了試機效率。同時，它通過減少人工干預，降低了由于人為失誤引發(fā)的風險，進一步提升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和準確性。

這種高效的測試系統(tǒng)對于廣州卷煙廠的生產(chǎn)具有極其重要的實際意義，不僅優(yōu)化了生產(chǎn)流程，還為車間設備的穩(wěn)定運行提供了堅實的保障，能夠助力企業(yè)在競爭激烈的市場環(huán)境中保持高效和穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。

[參考文獻]

[1] 張貴慶.自動控制技術在卷煙制絲設備控制中的運用[J].電腦知識與技術，2022，18（19）：106-107.

[2] 張琪，張志洋，趙忠?guī)?西門子自動化產(chǎn)品在煙草集控系統(tǒng)中的應用[J].設備管理與維修，2021（20）：87-88.

[3] 王偉，宋夕超，侯魯南.基于PLC技術的機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)設計[J].中國機械，2024（18）：15-18.

[4] 余敏，宋成照.基于PLC的制絲線在線防差錯比對的應用[J].設備管理與維修，2016（增刊2）：172-173.

[5] 古恒.煙草制絲設備的常見故障及處理方法[J].科技展望，2015，25（27）：70.