运用PLC对ZB25型卷烟包装机组条包缺包检测系统升级

冯展坤

摘 要：ZB25型卷烟包装机组原有条包缺包检测系统偶尔会出现缺包检测失败现象，为此加装了另一由S7-200PLC控制的缺包检测装置对原系统作为补充，并入原机检测系统后，极大提高了缺包检测的成功率。

关键词：PLC；ZB25；卷烟包装；检测系统

ZB25型卷烟包装机组的电气控制采用带专利的名为MICRO II的PC单板机集群系统。由于机械上包装烟包的动作是固定的，所以设计上所有机械动作的状态检测和包装质量在线检测都是通过绝对型轴编码器，在包装周期中以精确到1°的相位进行检测定位的（通常以一包香烟前进一个工位为360°周期，在条盒包装前以两包烟一垛前进一个工位为360°周期，在条盒包装后以5垛一条前进一个工位为360°周期）。

ZB25型卷烟包装系统还为了提高维修效率，创造性的在检测开关和控制系统的连线中加入自诊断功能。当检测开关正常时，在“0”检测状态下，检测开关以4ms为周期，0.2ms为脉冲宽度输出方波，“1”检测状态则方波反相输出。当系统检测不到检测开关发送过来的脉冲方波信号则判断该检测开关故障，机器停止并在显示屏给出相应的故障提示信息，从而可以很快知道哪个检测开关故障并对其进行更换。

在原机系统中，缺包检测是在包装流程到了条盒外包装纸对5垛烟（10包）进行包装的通道上，通过5只带自诊断功能的容性接近开关对条盒包装以后的5垛烟包的上层5包烟分别进行检测，当任一检测接近开关在检测相位检测不到烟包时则系统判定为缺包，通过锁存移位，到达后续通道的剔除工位时，在剔除相位将该条缺包的条烟进行剔除。

由于采用容性接近开关，这种开关的特性对空气湿度、检测距离都比较敏感，所以这样的检测系统缺点比较明显：

（1）当空气湿度发生改变时检测精度会发生变化，要经常根据天气情况对检测开关的设定进行调整。

（2）由于5垛烟表面还有一层条盒包装纸，而且烟包由于挤压变形，烟包高度会发生变化，这些都会对检测精度产生不良影响。

（3）只对烟垛上层烟包进行检测，当下层烟包缺包时系统就无能为力。

为了降低这种质量事故的发生机率，那就需要弥补原系统的缺陷对其进行技术改造升级。分析原系统的检测装置，造成事故的根本原因有两个：（1）容性接近开关对任何物质在其检测距离内都有反应，不能有针对性的只对烟包进行判断检测，而且灵敏度受诸多因素影响；（2）只对上层烟包进行检测，可靠性大大降低。

检测的精髓在于能对特定物质的特定特性或特定状态进行准确反映。在烟草行业中，最主要的是能对烟丝这种特定物质的各种特性和状态进行检测，但是目前市面上还找不到这种针对烟丝的特殊检测装置，所以替代现用的容性检测开关的选型就成了解决问题的核心。缺包检测实际上是烟包存在与否的检测，而且由于条盒包装纸的存在，可行的方法只能是对条盒烟整体进行密度检测，在通用的检测元件中，只有容性接近开关可以近似的实现这种检测，这就是原系统采用容性接近开关的原因。在没有特殊检测元件的情况下要改进这种检测方法，只有去掉条盒纸的影响，直接对上下两层烟包的存在与否进行检测。采用检测光线强度方式的光电开关就能很好的满足这种需要。

由于安装位置的限制，决定选择漫反射式光纤传感器作为检测开关。这种传感器是通过检测反射光线的强度判断光纤检测头前是否存检测物。传感器在通道上进行不间断的光线强度检测，通过设定适当的强度判定信号判断烟包存在与否，实现烟包的缺包检测。

由于原机电气控制系统的专利保密，加装的两只漫反射式光纤传感器是不能通过修改原系统设置直接加入到原检测系统中的，所以需要另加PLC来进行这部分功能的实施和控制。由于检测点的前移，为了对检测到的缺包信号进行锁存和移位到原系统的缺包检测输入点，则还需要：（1）烟垛的工位移位同步信号，将PLC锁存着的缺包垛烟的标识信号移位到条包装工位的入口；（2）条烟的工位移位同步信号，将从垛移位过来的缺包标识信号移位到原系统的缺包检测工位。

由于1条烟有5垛烟，所以在包装的机械动作上必然是移进5垛烟后才向前包装成1条烟，而且这两者的驱动同一个电机，所以垛的前移动作速度是条的前移动作速度的5倍。另外每条烟都用一张外包装纸进行包装，所以包装纸的输送速度与条前移动作同步。这样只需要在条外包装纸的输送轴（这个地方较容易安装和观察）上安装两个齿比为1：5的同步金属凸轮和对应的感性接近开关就可以取得相应的条同步移位信号和垛同步移位信号。

缺包检测的基本要素已经齐备，但由于自诊断功能的存在使加装系统的缺包输出信号的处理成为棘手问题。

首先，加装系统的缺包检测信号如果不加处理直接输出表示缺包的单纯低电平或不缺包的单纯高电平信号，则机组的电控系统就会将缺包检测接近开关判定为故障，造成机器停机并且不能重新复位启动。因此，需要加装系统的输出信号能模拟自诊断的周期脉冲方波信号：没有缺包信号时输出周期为4ms，脉冲宽度为3.8（4-0.2）ms的“1”状态PWM信号；有缺包信号时输出周期为4ms，脉冲宽度为0.2ms的“0”状态PWM信号。

其次，由于两套缺包检测装置的输出方波信号很难保持同步，如果将两组检测输出信号直接并接进机组电控系统，则由于信号的不同步迭加，产生紊乱的方波信号，机组电控系统同样会判定为检测开关故障。再者，两套缺包检测装置不一定得出相同的检测状态，如果将两组检测输出信号直接并接进机组电控系统，当两组信号相反时则会造成短路故障，将两套系统同时烧毁。

所以必须将两组信号经过PLC进行整合处理后才输出到机组MICRO II电控系统：将原缺包检测信号的输出通道断开，将该信号接入到PLC输入端口I0.4，在PLC程序中，当任何一只光纤传感器（I0.2或I0.3）在检测同步相位（I0.0）检测不到烟包时则产生缺包信号并进行锁存。由于该检测位位于条盒包装前的两个工位，所以缺包信号要经过垛同步（I0.0）作两个移位。垛烟前进两个工位后到达条包装工位，程序相应进入条同步（I0.1）移位，缺包信号作出四个移位后，该缺包条烟到达原机的缺包检测工位，在原机的缺包检测相位时（225o），检查原机缺包检测信号（I0.4）状态，程序将两个信号“或”处理，结果通过输出端口Q0.0生成对应状态的PWM信号输出到原机组电气控制系统。endprint

由于原机缺包检测接近开关带自诊断功能，所以其输出波形为脉冲方波信号，如何才能保证I0.4正确反映缺包与否所对应的“0”、“1”状态呢？研究S7-200编程软件Micro/WIN的软件帮助手册发现：

S7-200允许用户为某些或全部局部数字量输入点选择一个定义时延（可从0.2ms至12.8ms之间选择）的输入滤波器。该延时帮助过滤输入接在线可能对输入状态造成不良改动的噪音。通过设置输入时延，用户可以过滤数字量输入信号。输入状态改变时，输入必须在时延期限内保持在新状态，才能被认为是有效的。滤波器会消除噪音脉冲，并强制输入线在数据被接受之前必须先稳定下来。

这样就可以将I0.4-I0.7这组输入端口的输入时延设为1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，从而将0.2ms的尖脉冲（正或负）信号过滤掉，“0”、“1”状态就表现为单纯的低高电平状态，原机缺包信号就能正确的输入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于为了不造成两组检测装置输出信号的相互干扰甚至短路，所以断开了原缺包检测接近开关的输入到原系统的通道。但是当PLC不运行时，则会造成两组缺包检测装置都失效的后果。为此，通过加装一个由PLC控制的继电器，当PLC运行时断开原缺包检测的输出通道，原系统的缺包检测信号输入到PLC，由PLC内部将两组缺包检测装置的检测信号进行“或”处理后将结果通过Q0.0生成PWM信号输出到原系统；PLC停止时，原通道通过继电器的常闭触点保持，PLC的输出失效。

综上所述，PLC输入点要5个，输出点要2个，并且其中一个输入点要带1.6ms延时功能，一个输出点要生成4ms周期即0.25K Hz频率的PWM信号，由于继电器输出型的PLC的输出脉冲频率只能达到1Hz，所以选择型号为CPU 221 DC/DC/DC的晶体管输出型S7-200 PLC。

最后，PLC的选型已经确定和程序的运行逻辑经过上面的分析已经理顺，但是对成败还有一个决定性的因素，那就是两个同步接近开关的调整。由于机器按严格的相位运行，所以加装的这个系统也应该按照机器的相位进行检测控制。早前为了对缺包信号进行移位所加的两个同步接近开关的触发凸轮是安装在条盒外包装纸输送轴上的，该轴刚好与条盒包装的相位同步，条盒前进一个工位该轴旋转360o。所以通过调整凸轮上齿触发同步接近开关的时机就能对应调整垛的检测相位和原缺包检测信号的提取相位（即条盒缺包信号的输出相位）。在垛同步接近开关的相位调整上，选择垛烟包经过了缺包检测光纤检测位置后1/3烟包宽度时触发为标准，这个时候烟包对光纤发射过来的光线反射较稳定，检测较为准确。而条同步接近开关的相位调整，由于原缺包检测开关在机器的225°时输出有效，为了保证PLC输出有效，因此设定条同步接近开关在机器222°相位时触发，并保持6°以保证原系统能准确收到该信号，即228°时同步凸轮离开接近开关。

由于改造前经过缜密的考虑，各种因素都基本在设计阶段就作出适当的处理，所以改造过程相当顺利。改造完成后，由于采用了与原系统完全不同的检测手段，所以对原系统作出了很好的补充，经过了一段时间运行，的确能与预期一样，大大增加了缺包检测的成功率，达到了设计要求。endprint

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这样就可以将I0.4-I0.7这组输入端口的输入时延设为1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，从而将0.2ms的尖脉冲（正或负）信号过滤掉，“0”、“1”状态就表现为单纯的低高电平状态，原机缺包信号就能正确的输入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于为了不造成两组检测装置输出信号的相互干扰甚至短路，所以断开了原缺包检测接近开关的输入到原系统的通道。但是当PLC不运行时，则会造成两组缺包检测装置都失效的后果。为此，通过加装一个由PLC控制的继电器，当PLC运行时断开原缺包检测的输出通道，原系统的缺包检测信号输入到PLC，由PLC内部将两组缺包检测装置的检测信号进行“或”处理后将结果通过Q0.0生成PWM信号输出到原系统；PLC停止时，原通道通过继电器的常闭触点保持，PLC的输出失效。

综上所述，PLC输入点要5个，输出点要2个，并且其中一个输入点要带1.6ms延时功能，一个输出点要生成4ms周期即0.25K Hz频率的PWM信号，由于继电器输出型的PLC的输出脉冲频率只能达到1Hz，所以选择型号为CPU 221 DC/DC/DC的晶体管输出型S7-200 PLC。

最后，PLC的选型已经确定和程序的运行逻辑经过上面的分析已经理顺，但是对成败还有一个决定性的因素，那就是两个同步接近开关的调整。由于机器按严格的相位运行，所以加装的这个系统也应该按照机器的相位进行检测控制。早前为了对缺包信号进行移位所加的两个同步接近开关的触发凸轮是安装在条盒外包装纸输送轴上的，该轴刚好与条盒包装的相位同步，条盒前进一个工位该轴旋转360o。所以通过调整凸轮上齿触发同步接近开关的时机就能对应调整垛的检测相位和原缺包检测信号的提取相位（即条盒缺包信号的输出相位）。在垛同步接近开关的相位调整上，选择垛烟包经过了缺包检测光纤检测位置后1/3烟包宽度时触发为标准，这个时候烟包对光纤发射过来的光线反射较稳定，检测较为准确。而条同步接近开关的相位调整，由于原缺包检测开关在机器的225°时输出有效，为了保证PLC输出有效，因此设定条同步接近开关在机器222°相位时触发，并保持6°以保证原系统能准确收到该信号，即228°时同步凸轮离开接近开关。

由于改造前经过缜密的考虑，各种因素都基本在设计阶段就作出适当的处理，所以改造过程相当顺利。改造完成后，由于采用了与原系统完全不同的检测手段，所以对原系统作出了很好的补充，经过了一段时间运行，的确能与预期一样，大大增加了缺包检测的成功率，达到了设计要求。endprint

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S7-200允许用户为某些或全部局部数字量输入点选择一个定义时延（可从0.2ms至12.8ms之间选择）的输入滤波器。该延时帮助过滤输入接在线可能对输入状态造成不良改动的噪音。通过设置输入时延，用户可以过滤数字量输入信号。输入状态改变时，输入必须在时延期限内保持在新状态，才能被认为是有效的。滤波器会消除噪音脉冲，并强制输入线在数据被接受之前必须先稳定下来。

这样就可以将I0.4-I0.7这组输入端口的输入时延设为1.6ms，0.2ms<1.6ms<3.8ms，从而将0.2ms的尖脉冲（正或负）信号过滤掉，“0”、“1”状态就表现为单纯的低高电平状态，原机缺包信号就能正确的输入到端口I0.4以供PLC程序使用。

最后，由于为了不造成两组检测装置输出信号的相互干扰甚至短路，所以断开了原缺包检测接近开关的输入到原系统的通道。但是当PLC不运行时，则会造成两组缺包检测装置都失效的后果。为此，通过加装一个由PLC控制的继电器，当PLC运行时断开原缺包检测的输出通道，原系统的缺包检测信号输入到PLC，由PLC内部将两组缺包检测装置的检测信号进行“或”处理后将结果通过Q0.0生成PWM信号输出到原系统；PLC停止时，原通道通过继电器的常闭触点保持，PLC的输出失效。

综上所述，PLC输入点要5个，输出点要2个，并且其中一个输入点要带1.6ms延时功能，一个输出点要生成4ms周期即0.25K Hz频率的PWM信号，由于继电器输出型的PLC的输出脉冲频率只能达到1Hz，所以选择型号为CPU 221 DC/DC/DC的晶体管输出型S7-200 PLC。

最后，PLC的选型已经确定和程序的运行逻辑经过上面的分析已经理顺，但是对成败还有一个决定性的因素，那就是两个同步接近开关的调整。由于机器按严格的相位运行，所以加装的这个系统也应该按照机器的相位进行检测控制。早前为了对缺包信号进行移位所加的两个同步接近开关的触发凸轮是安装在条盒外包装纸输送轴上的，该轴刚好与条盒包装的相位同步，条盒前进一个工位该轴旋转360o。所以通过调整凸轮上齿触发同步接近开关的时机就能对应调整垛的检测相位和原缺包检测信号的提取相位（即条盒缺包信号的输出相位）。在垛同步接近开关的相位调整上，选择垛烟包经过了缺包检测光纤检测位置后1/3烟包宽度时触发为标准，这个时候烟包对光纤发射过来的光线反射较稳定，检测较为准确。而条同步接近开关的相位调整，由于原缺包检测开关在机器的225°时输出有效，为了保证PLC输出有效，因此设定条同步接近开关在机器222°相位时触发，并保持6°以保证原系统能准确收到该信号，即228°时同步凸轮离开接近开关。

由于改造前经过缜密的考虑，各种因素都基本在设计阶段就作出适当的处理，所以改造过程相当顺利。改造完成后，由于采用了与原系统完全不同的检测手段，所以对原系统作出了很好的补充，经过了一段时间运行，的确能与预期一样，大大增加了缺包检测的成功率，达到了设计要求。endprint