摘要： 本文以MK-95卷煙機(jī)組為研究對象，詳細(xì)論述了卷煙機(jī)組的控制原理；并設(shè)計了一套以O(shè)MRON C200HE PLC為控制器，集控制、監(jiān)控于一體的現(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)。生產(chǎn)運行表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，大大提高生產(chǎn)力水平。 關(guān)鍵詞： 卷煙機(jī) PLC 自動化控制系統(tǒng) Abstract:This paper introduces the control theory of Cigarette Machine based on MK-95 in detail. A suit of automation control system modernization is developed, which adopts C200HE PLC produced by OMRON as controller, including both control and monitor.Producing result shows that the system can run steadily and raise the level of productivity greatly. Key words: Cigarette Machine PLC Automation control system 1.引言 近年來，國外卷煙機(jī)生產(chǎn)廠家（英國MOLINS公司，德國HAUNI公司等）在研制新型高速卷接機(jī)組時，對電氣系統(tǒng)進(jìn)行了徹底改革，完全拋棄了舊的電路設(shè)計思想。如英國MOLINS公司的新一代PASSIM卷接機(jī)組的控制電路分別采用了VME總線、CAN總線和PROFIBUS等技術(shù)，以PLC 為局域控制器，以PC/AT為上位機(jī)實現(xiàn)全線生產(chǎn)的自動控制和管理，使整機(jī)電路結(jié)構(gòu)合理，不僅具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且各部分都有一定的獨立性。 本課題來源于四川成都卷煙廠的MK9-5卷接機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)PLC改造項目。該機(jī)組的機(jī)械部分主要由MK9-5卷煙機(jī)、PA8-5接裝機(jī)和CID-6煙支檢測設(shè)備組成。 （1）MK9-5卷煙機(jī)是國際上較為先進(jìn)的一種高速卷煙機(jī)，由英國莫林（MOLINS）公司生產(chǎn)。它采用目前國際上較為流行的負(fù)壓風(fēng)選供絲的方法進(jìn)行煙條的卷制及煙支的切割成型。 （2） PA8-5接裝機(jī)是英國莫林斯公司生產(chǎn)的，與MK9-5卷煙機(jī)配套生產(chǎn)過濾嘴香煙的專用機(jī)器，能與其他公司生產(chǎn)的機(jī)器及輔助設(shè)備連機(jī)使用（兼容性較強(qiáng)）。它的主要工作是進(jìn)行濾嘴的切割及煙支的搓合。 （3）CID-6煙支檢測設(shè)備，是專用于檢測煙支質(zhì)量的設(shè)備。原MK9-5卷接機(jī)組的控制系統(tǒng)分三個單元進(jìn)行控制，即MK9-5卷煙機(jī)控制單元、PA8-5接裝機(jī)控制單元和CID-6卷煙質(zhì)量檢測單元。 成都卷煙廠擁有多臺該型卷煙機(jī)，從引進(jìn)至今已運行多年，發(fā)現(xiàn)其控制系統(tǒng)經(jīng)過多年運行，存在諸多問題。本文基于這一工程背景，討論了MK9-5卷接機(jī)組電氣控制系統(tǒng) 的設(shè)計與實現(xiàn)。并針對煙廠卷包車間，研究和探討了設(shè)備遠(yuǎn)程控制自動化和信息管理自動化相結(jié)合的新型集散控制系統(tǒng)的總體設(shè)計與系統(tǒng)軟件的設(shè)計。 2.系統(tǒng)的基本組成和原理 MK9-5卷接機(jī)組卷制香煙的流程是先將煙絲卷制成煙條，然后印上香煙的品名和牌號，最后經(jīng)切割成煙支并裝上濾嘴棒，制成過濾嘴香煙。具體各部分工藝流程如下： 2.1 MK9-5卷煙機(jī)煙支卷制的工藝流程 MK9-5卷煙機(jī)煙支卷制的工藝流程見圖1。 2.2 PA8-5接裝機(jī)的工藝流程 PA8-5接裝機(jī)的工藝流程見圖2。 根據(jù)煙機(jī)運行情況和當(dāng)前控制領(lǐng)域的技術(shù)水平和發(fā)展，該MK9-5卷接機(jī)組改造的指導(dǎo)思想是：機(jī)電分離，集中控制，實時監(jiān)控。在不改變原控制性能和技術(shù)指標(biāo)的前提下，應(yīng)根據(jù)機(jī)器的工作原理、控制過程、功能作用、動作順序來設(shè)計系統(tǒng)。具體的要求有： （1）要求電氣控制柜單獨設(shè)置; （2）要求將主驅(qū)動裝置由原滑差調(diào)速控制改為變頻調(diào)速控制; （3）要求將氣閘制動改為能耗制動; （4）要求去掉原有指示燈顯示，改用計算機(jī)圖形文字實現(xiàn)狀態(tài)顯示，參數(shù)修改，故障報警等功能; （5）CID-6煙支質(zhì)量檢測單元不在改造之列。 根據(jù)系統(tǒng)工藝流程控制的要求，改造后的MK9-5卷接機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計成一種PLC+通信系統(tǒng)+操作管理機(jī)結(jié)構(gòu)的二級集散控制系統(tǒng)。如圖3所示，整個系統(tǒng)在硬件上由MK9-5卷煙機(jī)、PA8-5接嘴機(jī)、電氣控制柜和觸摸屏幾大部分組成。 3.系統(tǒng)的硬件組成 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 在本系統(tǒng)中，過程管理級選用了OMRON公司的可編程終端PT，即觸摸屏用于監(jiān)控管理，安裝在MK9-5卷煙機(jī)的機(jī)身上。觸摸屏主要負(fù)責(zé)實時收集MK9-5卷煙機(jī)和PA8-5接裝機(jī)的運行數(shù)據(jù)，記錄顯示各種報警信息，提供清晰直觀的人機(jī)界面，集中 顯示生產(chǎn)狀態(tài)，以及進(jìn)行工藝參數(shù)的修改，完成系統(tǒng)的監(jiān)控功能。 3.2 電氣控制柜的設(shè)計 電氣控制柜安設(shè)在MK9-5卷煙機(jī)的后面，是整個控制系統(tǒng)中的重要組成部分。由于煙機(jī)的生產(chǎn)過程是一個高速、高振動和多粉塵的過程，因此大部分控制設(shè)備必須放置在單獨設(shè)立的電氣控制柜中，以保證正常工作。電氣控制柜內(nèi)各種控制元件和主要設(shè)備的擺放如圖6所示。下面具體介紹控制柜各部分的選型、組成與功能。 根據(jù)MK9-5卷接機(jī)組的控制特點和控制要求，要控制煙機(jī)按工藝流程正常運行，必須準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場的各類信號，并及時準(zhǔn)確地給出控制信號?，F(xiàn)將系統(tǒng)所涉及到的輸入輸出點數(shù)統(tǒng)計如下： （1） 輸入信號 本系統(tǒng)中的輸入信號總計85點，主要包括以下幾個方面： • 行程開關(guān)——檢測閥門的閉合狀態(tài)和器件的到位情況，共計22點。 • 按鈕——系統(tǒng)的點動、啟動、停車等命令信號，共計27點。 • 斷路器——檢測斷路器的通斷狀態(tài)，共計，14點。 • 接觸器——檢測接觸器的工作狀態(tài)，共計，6點。 • 傳感器——特定狀態(tài)的檢測，計6點。 • 其它連鎖信號、報警信號等，共計25點。 （2）輸出信號 本系統(tǒng)中的輸出信號總計52點，主要包括以下幾個方面： • 按鈕燈——指示按鈕的按下狀態(tài)，計10點。 • 接觸器——控制各類電機(jī)的起停，計11點。 • 電磁閥——控制卷接機(jī)組各機(jī)件的動作，計21點。 • 其它控制變頻器運轉(zhuǎn)和連鎖的輸出信號，計10 點。 根據(jù)以上各類現(xiàn)場信號，本系統(tǒng)選用了日本OMRON公司的SYSMAC C200H系列的中型可編程控制器，并配備了CPU模塊（C200HE-CPU42-E）、電源模塊（C200HW-PA204S）、開關(guān)量輸入模塊（C200H-ID216、C200H-ID211）、開關(guān)量輸出模塊（C200H-OC224）、高速計數(shù)模塊（C200H-CT021-V）和中斷模塊（C200HS-INT01）等模塊和配件，如附表所列。 附表 可編程控制器配件列表 本系統(tǒng)中有14點的輸入信號的回路電壓為12VDC，因此采用了2塊C200H-ID211模塊（見圖7），計16點。 在實際系統(tǒng)的輸入信號中，另外71點的回路電壓均為DC24V，宜采用本輸入單元。再考慮輸入點數(shù)的余量，在本系統(tǒng)中共選用了3塊32點的高密輸入模塊C200HW-ID216（見圖8），計96點。 本系統(tǒng)各輸出回路使用的電壓比較眾多復(fù)雜，既有直流電，又有交流電。而且電壓伏值也是不盡相同，包括24VDC、110VAC和120VAC等。而本輸出模塊具有8個獨立節(jié)點，每個節(jié)點都有各自的COM端，可構(gòu)成8個相互獨立的回路，端子接線如圖9所示。具體每一個回路既可接交流電，又可接直流電，符合系統(tǒng)需要。本系統(tǒng)中共采用了8塊C200H-OC224輸出模塊，共計64點輸出。 上述各個PLC模塊共分成兩排，分別安裝在PLC的底板和擴(kuò)展底板上，如圖10所示。底板上從左至右依次為電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、計數(shù)模塊和中斷模塊。本項目中，并未選用通信模塊，因此該槽上為一空模塊，待今后需要PLC進(jìn)行擴(kuò)展或聯(lián)網(wǎng)通信時插入通信模塊。擴(kuò)展底板上安放的是8塊輸出模塊。底板與擴(kuò)展底板之間是通過擴(kuò)展電纜C200H-CW311相連接。 4.軟件設(shè)計 4.1 控制軟件的設(shè)計 系統(tǒng)PLC控制軟件設(shè)計的第一步是總體設(shè)計，即根據(jù)卷接機(jī)組的生產(chǎn)工藝流程，將控制流程劃分成若干個模塊，確定各模塊需要完成的不同功能，再將各模塊連接起來的設(shè)計過程。MK9-5卷接機(jī)組的PLC控制軟件按功能主要可分為點動控制模塊，起動控制模塊，停機(jī)處理模塊和輔助功能模塊四大部分，其相互關(guān)系如圖11所示。下面簡要介紹各模塊的控制要求及功能。 （1）點動控制模塊 點動模塊主要對10多個點動聯(lián)鎖條件進(jìn)行檢測，如圖12所示。點動條件不滿足時，卷接機(jī)組無法起動運行。這些點動聯(lián)鎖條件中一部分是為保證煙機(jī)的正常運行所設(shè)，如切刀電機(jī)未起動等；另一部分可被超越開關(guān)屏蔽的聯(lián)鎖條件則是為了保護(hù)操作人員的安全而設(shè)定的，如刀頭防護(hù)罩未合上等。另外，煙機(jī)運行起來后，一旦點動聯(lián)鎖條件不再滿足，程序?qū)⒖刂茻煓C(jī)立即停車。 當(dāng)滿足點動條件后，按下點動按鈕使煙機(jī)以1/6速度運行，同時接通電磁閥對煙機(jī)的煙槍及鼓輪部位進(jìn)行吹氣清潔。松開點動按鈕煙機(jī)就停止運行。 （2）起動控制模塊 MK9-5卷接機(jī)組在滿足點動運行的前提下，還要檢測起動聯(lián)鎖條件。在起動條件具備后，按下啟動按鈕，煙機(jī)將以1/3速度運行。在1/3速度到達(dá)時，程序自動判別所選擇的操作方式后進(jìn)行相應(yīng)操作，如圖13所示。 手動方式下，PVA膠水供給、煙條加熱器放下、煙條折斷、進(jìn)入全速狀態(tài)均需人工操作；自動方式下以上操作完全由程序自動控制。 自動方式程序控制過程如下：機(jī)器達(dá)1/3速時，煙條加熱器自動推下。加熱器到位時，掉頭盤清潔電磁閥斷電，同時供給PVA膠，開始煙條卷制。1秒后打條器工作，折斷煙條，使煙條進(jìn)入喇叭嘴。3秒后跑條監(jiān)測有效。同時，在煙條進(jìn)入喇叭嘴后，計數(shù)兩個煙支脈沖，就確立煙條運行狀態(tài)，機(jī)器進(jìn)入全速運行狀態(tài)。接著，按照生產(chǎn)工藝的要求，順序控制濾嘴、水松紙的供給和涂膠，并使搓板監(jiān)測器有效，確立合格煙支狀態(tài)，使機(jī)器進(jìn)入正常運行狀態(tài)。 [align=center] [/align] （3）停機(jī)處理模塊 停機(jī)有正常停機(jī)，跑條停機(jī)，緊急停機(jī)，立即停機(jī)四種情況，后三種停機(jī)為故障停機(jī)。這四種停機(jī)處理大同小異，下面以自動方式下的正常停機(jī)為例進(jìn)行介紹：自動方式下，按下正常停機(jī)按鈕，PLC程序取消搓板阻塞檢測，停止供給濾嘴，經(jīng)42個ECP后，取消合格煙支運行狀態(tài)。 取消合格煙支運行狀態(tài)56個ECP后，停止水松紙涂膠。再間隔32個ECP后，停供水松紙。與此同時收集未涂膠的水松紙。取消合格煙支運行狀態(tài)104個ECP后，接通干燥鼓輪剔除電磁閥，剔除不合格煙支。 取消合格煙支運行狀態(tài)168個ECP后，即合格煙支進(jìn)入下游設(shè)備后發(fā)出停機(jī)指令，取消運行狀態(tài)，接通能耗制動。并使煙槍冷卻電磁閥釋放，PVA供給電磁閥釋放，煙條加熱器彈起,機(jī)器停止運行。 （4）輔助功能模塊 輔助模塊在圖11中未體現(xiàn)，它包括跑條處理、煙絲料斗控制、搓板阻塞處理、ECP檢測、蜘蛛架控制和PT通信等輔助子模塊。程序中用JMP/JMPE跳轉(zhuǎn)指令分別對它們進(jìn)行了子模塊調(diào)用，取得了良好的控制效果。 4.2 PT監(jiān)控軟件的設(shè)計 本系統(tǒng)最終考慮到觸摸屏具有價格低，功能完備，集成度高，編程簡易、開發(fā)周期短等優(yōu)點，采用了OMRON公司的可編程終端（PT）即觸摸屏及配套軟件來開發(fā)MK9-5卷接機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的可編程終端的型號是NT631C。根據(jù)本系統(tǒng)的控制特點和要求，可編程終端NT631C上設(shè)計的監(jiān)控軟件，主要功能是通過直觀清晰的圖形畫面顯示系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)等實時信息，同時建立報警系統(tǒng)和設(shè)備錯誤數(shù)據(jù)庫，并提出合理的改正措施，給車間工人的操作和維修以極大的方便。而對于直接生產(chǎn)過程的控制主要由現(xiàn)場控制站PLC來完成，監(jiān)控機(jī)的參與需要較少本系統(tǒng)中，可編程終端（PT）上的畫面數(shù)據(jù)是在Windows95環(huán)境下，使用“Windows 95的NT支持工具”（下面稱為“支持工具” ）開發(fā)的。用支持工具建立畫面的步驟如圖14所示： 在畫面數(shù)據(jù)的制作過程中，內(nèi)存表的設(shè)定和畫面的制作是最重要的兩步。內(nèi)存表是PT的重要系統(tǒng)資源，是PT中用來存儲數(shù)字值和串?dāng)?shù)據(jù)的區(qū)域。這些區(qū)域是用來與PLC通訊的。在可編程終端NT631C中，擁有數(shù)字內(nèi)存表、字符串內(nèi)存表、位內(nèi)存表、I/O注釋表等多張內(nèi)存表。 5.結(jié)束語 作者參加了四川成都卷煙廠的MK9-5卷接機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)PLC改造項目，參加了電氣控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃和設(shè)計選型，完成了系統(tǒng)原理圖和接線圖的設(shè)計與制作，編寫了系統(tǒng)的下位PLC控制程序及上位監(jiān)控軟件，并赴現(xiàn)場完成了調(diào)試。本文主要基于這一工程背景，討論了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計和觸摸屏的應(yīng)用，并對煙廠卷包車間的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。四川成都卷煙廠的MK9-5卷煙機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)順利通過驗收，運行情況良好，大大提高了生產(chǎn)的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，對老式進(jìn)口卷煙機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC改造和實現(xiàn)煙機(jī)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)制大有推廣前途。 作者簡介 姜建芳 男 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院 教授 高級工程師 從事自動控制系統(tǒng)的教學(xué)和科研工作多年，先后設(shè)計自動化控制系統(tǒng)20多項。