卷烟机组的PLC控制系统开发及应用实践研究论述

徐晓龙

摘要：卷烟机组的控制系统是集合现场总线技术，计算机控制技术和网络技术为一体的复杂工业自动化系统。系统主要对现场各种检测信号以及传达的控制命令进行处理，通过对各个控制器的协调工作，最终生产出高质量的烟支，因此对机组通信的速度和效率要求高。随着卷烟生产企业的发展，对卷烟设备提出了更高的要求，文章以烟草行业中在用的PROTOS70为例，具体介绍PLC控制系统开发及应用。

关键词：卷烟机组；PLC控制系统；开发应用

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

德国虹霓PROTOS70机组是现阶段国内烟草行业普遍使用的一种高速卷接机组，具有可靠性高、烟支卷接质量好的特点。其电路控制系统大多采用的是多块集成电路板及继电器逻辑完成。伴随PCL技术的发展，现场总线控制技术在卷烟机组电力控制系统在工业领域得到快速发展，国产后的德国虹霓PROTOS70机组大多使用的是PCL电力控制系统。但随着该系统电路的老化和停产，国内德国虹霓PROTOS70机组面临PCL改造。文章在阐述国内德国虹霓PROTOS70机组构造的基础上，分析PLC技术在卷烟机上应用的优劣，并在工业发展和计算机技术的支持下，为卷烟机控制系统的优化进行策略分析。

1 PROTOS70卷烟机组概述

1.1 PROTOS70卷烟机组的电控系统

国产PROTOS70卷烟机组的电控系统主要由Yj17卷烟机、接装机组成，机组的电控系统主要分为四个部分：第一，PLC控制柜。主要负责完成全部的生产工艺；第二，人机界面HMI。主要负责对卷烟生产全过程数据的监控，具有人机交互的功能；第三，CIS卷烟质量检测系统。主要负责对烟支质量的检测判断和识别，并对不正规的烟品进行及时剔除；第四，SRM重量控制系统。主要是对烟支的重量进行控制。

1.2 PROTOS70卷烟机组的 PLC硬件组成

国产PROTOS70卷烟机组的PLC结构选用的是S7-400，下设多个从站，分别位于VE、SE和MAX中。基于SE和MAX对实时效率和速度要求高，在从站中一般需要配置独立的CPU模块。主站和从站ET200M、阀岛。变频器等共同构成控制层。人机界面、卷烟质量检测系统以及重量控制系统通过总线的连接共同构成管理层。

2 PLC控制技术概述

PLC控制系统是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。PLC硬件结构专用性强，通用性差，不能支持一些先进的微机软件使用。但由于应用PLC技术的人员素质高，使得其和其他控制技术相比具有可靠性强、抗干扰能力强、编程简单、操作方便、维护工作任务小、系统功能完善等方面的优势，被广泛地应用到工业设备中。PLC程序主要是在其监控程序的基础上运行的，在软件设施方面，特别是抗干扰性能上得到了人们周全的考虑。PLC的主要工作方式为：将采样输入——执行程序——刷新输出状态。PLC的I/0滞后性强，且循环周期长加重了自身的滞后性。在一般情况下不会产生实质性影响，但对于运转快速的I/0信号要使用特殊功能模块时，其自身的滞后性弊端会逐渐显露。随着卷烟机生产速度的提升以及工业控制计算机技术的发展，PLC技术和各种工业控制机之间实现了融合和统一，因此，解决I/0信号问题成为PLC控制技术的难点和关键。

3 卷烟机组工艺流程及关键控制单元剖析

3.1 卷烟机组烟支的工艺流程

卷烟机组分为供丝和烟支成型两部分，其中供丝部分的任务是为了保证烟丝供应的稳定和均匀，实现对重量的调节。因而对供丝的速度和动态生产有着较高的要求，要求每个烟支的质量要有一定的回丝量。同时由于最后是采用负压吸丝 的方法将烟丝送到烟支成型的部分，一旦烟丝出现了不均匀的供应，不仅对产生堵丝停机的问题，还会导致出现大量的废气烟支。可见，烟丝的供应对卷烟机的革新发展具有重要影响意义。烟支成型部分主要将部分烟丝制作成一种条状的烟条，并将其切割成不同的烟条传送到接装机上。卷烟机组接装机的工艺功能为在接收到双倍长烟支后，要将其分解成两支长度相等的单倍长烟支。之后将两支单烟支保持一定距离地汇合到鼓轮中。水松纸从纸盘上被拉出，在上胶和加热后被切割成水松纸片，通过搓板搓接形成一种具有滤嘴的双倍长烟支。

3.2 卷烟机组关键的控制单元

3.2.1 操作站、主控器、通讯网络及I/O单元

操作站、主控器、通讯网络及I/O单元是卷烟机组系统的主要构成要素，对卷烟机组控制系统的主要框架具有重要的决定意义。该控制单元要根据用户的需求和操作管理的便利来选择一种适合企业发展的控制构架，从而形成自己的控制系统。每一种单元之间的主控器设置的侧重点不同，操作站主要是针对设备的操作调度系统，包含数据的计算、传输以及子功能模块和主控系统之间的协调。传统的主控器采用中型或者大型的PLC系统，操作不够细致，对系统的处理速度有一定制约。现代的卷烟机组实现了对PLC主控器的细化，将主控器和主操作进行合并。

3.2.2 安全保护控制单元

安全保护控制单元主要利用一些安全保护装置来实现对系统装置的保护，从而实现卷烟机组PLC系统应用符合安全标准和安全要求。该单元首先要对机组设备的危险性进行评估分析，从而对卷烟机组设备的风险等级进行确定

3.2.3 执行和驱动单元

卷烟机组的执行和驱动单元一般包括气缸和电机，主要是指电机和气动执行件的驱动。随着近几年用户对设备使用和管理水平要求的提高，对卷烟机组驱动单元的要求也变得更为严格。在机电、电气一体化发展的进程中，卷烟机组制造的驱动单元实现了在新技术上的探索。

3.2.4 子功能模块

子功能模块的设置能够在一定程度上减轻主控单元的负担，提升卷烟机组系统的处理速度。现阶段，在卷烟机组的发展中，对子功能模块和主控单元之间数据交换问题以及子功能模块控制器选择问题的研究是卷烟机组系统研究的重点和难点。

4 卷烟机组的PLC控制系统开发及应用优化策略

卷烟机组的PLC控制的关键在于确定操作站、主控器、通讯网络以及I/O单元的控制框架，并在控制框架确定的同时选用现成合适的控制器件，通过对控制器件的开发设计出适合自己的应用程序。同时，还要实现对控制单元的安全保护、加强对子功能模块的完善、优化系统执行和驱动单元。根据卷烟机组PLC控制系统的关键，针对现阶段PLC系统存在的问题，在满足客户需要的同时提出PLC控制系统开发及应用优化策略。

4.1 操作站、主控器、通讯网络及I/O单元方面的优化

新型PROTOS70卷烟机组控制系统的总结构设计，主要是主操作站通过企业MIS网将数据上传给MIS系统，并在设备一层总线、各个主控器以及子功能模块连接的基础上实现数据的交换共享。首先，这种数据的共享连接减少了PLC系统操作的复杂性，同时，主控器能够将对温度、质量、重量等方面的控制有效分离，提升系统的运行速度，降低操作风险。其次，MLP工控实现了对内部网络和外部网络的同时连接，实现了工业自动化发展。再次，实现了分布化的智能处理。PLC系统以总线节点为基本单元，简化了节点的处理方法，减少了故障发生对系统的干扰。同时，分布式的网络结构还提供了节点间的通讯方式，能够在智能设备上下载相关的应用程序，将故障信息技术上达，利用IP路由器、电话线和计算机网络等工具实现对PLC系统的远程监视。

4.2 实现对机器的安全控制保护

实现对机器的安全控制保护主要体现在对直接负责设备和人们安全电路的控制以及对控制信号安全实施的控制，主要体现在以下几方面：第一，安全开关的使用要选择带有IEC标志的元件，通过对安全开关常闭触点的应用实现对触点的保护。这种开关的使用在传感器出现回路以及断线的问题时，会在很大程度上减少危险事件的发生。第二，加强对安全继电器的使用。安全继电器是系统安全自动化的基础，能够对操作人员和机器产品进行同时保护。因此，在PLC系统中要加强对安全门、防护罩、机器静止监视等功能单元的使用。第三，只能运用安全开关的常闭触点实现对触点的保护。第四，要采用交流伺服技术实现对设备的多轴同步驱动。同时要对轴意外启动的问题从硬件和软件两个方面进行控制。第五，对于具有多个操作站的机器，有关人员要采取措施实现在具体时间点对某一个操作站的使用，并要将操作站放置在合理的位置。第六，加强对控制信号安全实施的控制，提升控制信号的抗干扰能力。主要表现为对EMC性能的重点控制：首先，通过电容器、电抗器、二极管以及可变电阻的装置和组合有效对干扰源进行抑制。其次，通过接地和导电罩壳的安装来对电气装备进行屏蔽，实现系统设备和装备的分离。最后，要避免因为静电放电、电磁量的放射对电网带来的干扰。

4.3 完善执行机构及其驱动单元

卷烟机的驱动主要是电机驱动和气动执行件的驱动，因而对卷烟机的同步精度要求较为严格，卷烟机的驱动一般采用的是伺服驱动。这种驱动对同步的要求不严格，因此，要将伺服驱动变为变频驱动。气动执行件的驱动是指将原分立电磁阀驱动用阀岛集中驱动。这种驱动应遵循以下几个原则：第一，总开关的电磁阀一般不能使用阀岛；第二，和机器安全保护控制回路相关的气动机构不能利用阀岛驱动；第三，对于响应速度高的电磁阀不能使用阀岛。第四，一般使用具有现场总线接口的阀岛，并要根据具体的系统布局将启动执行件分为几个动作模块，当模块之间超过一个阀岛时，实现模块之间总线的连接。第五，要将主控单元作为整个系统的控制中心，通过现场总线联网，实现设备操作的清晰、准确。

4.4 完善卷烟机的子功能模块

卷烟机的主控器出了主要的控制功能之外，还具有其他的额外功能，一般需要复杂的计算处理，在很大程度上制约了主控单元的速度，特别是在卷烟机速度不断提升的今天，更加需要通过对其子功能的完善将其从繁琐的主要控制单元中脱离。完善卷烟机的子功能模块需要从温度控制、信号处理、重量控制和质量检测方面进行。第一，温度控制。随着卷烟机组生产速度的提升，其高速卷接设备上充分应用了计算机技术、总线控制技术和PLC系统等。为了提升卷烟机组系统的稳定、可靠发展，现阶段的高速卷烟机组电力控制系统实现了由原有的集中控制到现在的分布式控制发展，很多卷烟机组系统的温度控制是在独立温度控制器专用的电路板上实现的，存在的故障较多，而以PLC系统作为子系统控制的温度控制方式有效改善了这种问题。PLC系统在整机控制功能完善的同时能够对自加热器的温度进行控制。第二，高速信号处理。PLC的工作方式是循环扫描，对一些快速的信号，无法充分计算其延迟时间。因此，需要对此进行完善。比如可以采用SEIMENS专门处理高速信号的通用智能处理器HPI卡来对高速信号进行处理、实现对不合格烟支的剔除。这种处理器的信号处理独立于PLC程序扫描之外，具有高速的处理效率，能够满足卷烟机高速信号的处理需求。

5 总结

综上所述，基于计算机技术发展下卷烟机组的PLC控制系统在很大程度上提升了PROTOS70机组整体的稳定性，具有机器故障率低、操作界面良好、操作方便、能够实现对故障的及时处理和维修、机器设备没有质量问题的优点，同时完善后的PLC系统具有数据的采集和传输功能，在使用现场总线的基础上能够充分满足工厂自动化和CIMS系统信息集成的要求，展现了PLC控制系统单机控制、联机控制、联网控制以及对生产数据全面采集、存储的功能。因此，需要有关烟草人员不断完善信息化PLC系统控制在卷烟机组的应用，从而提升烟草的质量和品质。

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