摘要：本文介紹了利用PLC(可編程控制器)對(duì)基于單板機(jī)控制的BE橫包包煙機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)思想，并且全面地設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件。硬件部分主要包括可編程控制器、通用變頻器和觸摸屏等*工業(yè)控制裝置。軟件部分主要對(duì)BE機(jī)的邏輯控制時(shí)序?qū)LC進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出與原機(jī)相同的邏輯時(shí)序控制功能。
　　　　
　　概述
　　
　　BE橫包包煙機(jī)是B1卷煙包裝機(jī)組的主機(jī)，它是把由NF卸盤機(jī)通過傳送帶送來的煙支按20支一包的包坯推入機(jī)器的推入轉(zhuǎn)塔，以后又經(jīng)過壓縮、包裝、折疊、烘干、貼封簽等程序，直到小包煙包裝完畢出機(jī)的機(jī)電一體化包裝設(shè)備。該包裝機(jī)zui高包裝能力為400包/分(8000支/分)。除鋁箔紙、商標(biāo)紙、封簽紙等由人工裝入機(jī)器外，其它的包裝動(dòng)作全部都是由機(jī)器自動(dòng)完成的。該機(jī)自動(dòng)化程度較高，包裝速度較快，控制對(duì)象較多，而且需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)運(yùn)算和文本信息顯示。
　　
　　80年初至90年代初我國煙草行業(yè)從國外大量引進(jìn)的BE橫包包煙機(jī)的電控系統(tǒng)采用的都是單板機(jī)控制，其邏輯線路板基本已經(jīng)過時(shí)老化，不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的需要，用新技術(shù)改造這些設(shè)備已是當(dāng)務(wù)之急。因此，本文提出了利用PLC對(duì)該包裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)思想。新型控制系統(tǒng)充分利用了可編程控制器(PLC)面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使改造后的控制系統(tǒng)不但能夠很好地實(shí)現(xiàn)原來的控制邏輯，還能提高控制系統(tǒng)的通用性和易操作性，同時(shí)還避免了對(duì)進(jìn)口備件的依賴。
　　
　　1、BE橫包包煙機(jī)包裝工藝流程
　　
　　從NF卸盤機(jī)的傳送帶輸入本機(jī)煙支輸入裝置中的煙支，分別由兩路進(jìn)入A、B煙支儲(chǔ)存器，煙支過濾嘴只準(zhǔn)向外。推入裝置同時(shí)把兩個(gè)煙支組(7-6-7)推入有十個(gè)工位的推煙轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)塔的兩個(gè)模盒內(nèi)，接著對(duì)煙支組的每根煙進(jìn)行兩端檢查，在剔除器處把廢煙支組剔除，控制系統(tǒng)“記下”此廢煙組位置，機(jī)器將不為它提供包裝紙和封簽。煙支組傳遞至壓縮轉(zhuǎn)塔后，壓緊裝置把煙支組壓縮至理論尺寸的93％，而包裝轉(zhuǎn)塔的模盒外尺寸與煙支組的理論尺寸相同。
　　
　　1.鋁箔紙卷經(jīng)圈繞牽引和切成定長后喂入包裝轉(zhuǎn)塔Ⅲ的五工位模盒的外側(cè)。在模盒外表先分五個(gè)步驟進(jìn)行鋁箔紙的包裝：(1)箔紙被模盒折成“∏”型(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、5-6工位)；(2)一長邊折疊器從下向上折鋁箔紙一邊長(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、6工位)；(3)另一長邊折疊器從上向下折鋁箔紙,另一長邊壓在已經(jīng)折好的長邊上面(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、6工位)；(4)底角折疊器折底部兩底角(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、7工位)；(5)短邊折疊器折底面兩短邊(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、7-8工位)，這時(shí)，煙包頂部敞開不折。
　　
　　2.單張商標(biāo)紙從紙庫內(nèi)取出，經(jīng)涂膠后喂入包裝轉(zhuǎn)塔Ⅲ的八工位模盒的左側(cè)。同上，也分為五個(gè)步驟在鋁箔紙外完成與鋁箔紙包裝相同的折邊工作：(1)商標(biāo)紙被折成“∏”型(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、8-9工位)；(2)一長邊折疊器從下向上折商標(biāo)紙一長邊(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、9工位)；(3)另一長邊折疊器從上向下折商標(biāo)紙另一長邊壓在已經(jīng)折好的長邊上面(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、9工位)；(4)底角折疊器折底部兩底角(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、10工位)；(5)短邊折疊器折底面兩短邊(轉(zhuǎn)塔Ⅲ、10-11工位)。
　　
　　鋁箔紙與商標(biāo)紙?jiān)跓煱趁娼涌p的位置不同，鋁箔紙的接縫幾乎在煙包背面的中間，而商標(biāo)紙的接縫則靠近煙包棱邊。當(dāng)煙支組連同已經(jīng)折好底部的紙殼一起轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)塔Ⅲ的12工位時(shí)，由推桿從煙包敞開的頂端推煙，把煙支組與紙殼一起推入頂部折疊轉(zhuǎn)塔Ⅳ的12工位模盒中。
　　
　　3.當(dāng)煙包轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)塔Ⅳ的2工位時(shí)，頂角折疊器把兩頂角折好。在轉(zhuǎn)塔Ⅳ的2-3工位，短邊折疊器折頂部兩短邊。煙包轉(zhuǎn)至塔Ⅳ的6工位時(shí)，由推桿推入干燥轉(zhuǎn)塔Ⅴ的模盒內(nèi)。煙包經(jīng)過轉(zhuǎn)塔Ⅴ的工位7至工位15范圍內(nèi)被加熱烘干。當(dāng)停車時(shí)，氣缸支撐裝把加熱器拉離煙包，避免烤焦煙包。在煙包由烘干轉(zhuǎn)塔Ⅰ向烘干轉(zhuǎn)塔Ⅱ傳送過程中，把由封簽供給裝置喂入的封簽粘貼到該煙包頂部中間并折下兩翼。包裝過程中出現(xiàn)的廢包和無簽的煙包由烘干轉(zhuǎn)塔Ⅱ上的廢煙剔除器剔除機(jī)外并集存，而合格的煙包隨烘干轉(zhuǎn)塔Ⅱ轉(zhuǎn)至與輸出傳送帶重合位置時(shí)，被推入傳送帶輸出機(jī)外。
　　
　　2、BE橫包包煙機(jī)硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　該電控改造系統(tǒng)主要是針對(duì)8000型BE橫
　　
　　包包煙機(jī)而設(shè)計(jì)，該設(shè)備的檢測信號(hào)和控制信號(hào)基本上均是開關(guān)量。如圖1所示，PLC選用OMRON－CS1機(jī)型作為控制主機(jī)，根據(jù)實(shí)際需要組態(tài)PLC，使控制性能滿足和符合原有邏輯要求。控制面板選用觸摸屏來操作。
　　
　　2.1PLC要實(shí)現(xiàn)的功能有：
　　
　　(1)通過觸摸屏“停車”按鈕產(chǎn)生的設(shè)備停車；(2)通過觸摸屏“選擇開關(guān)”按鈕對(duì)變頻器進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的無級(jí)調(diào)速；(3)通過觸摸屏對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)塔工位角度范圍進(jìn)行設(shè)定；(4)請(qǐng)求軟停車故障引起的停車；(5)請(qǐng)求制動(dòng)停車的故障引起的停車；(6)請(qǐng)求緊急停車故障引起的停車；(7)馬達(dá)控制；(8)鋁箔紙卷盤的更換；(9)鋁箔紙的進(jìn)給；(10)膠盒和涂膠輥的啟停；(11)烘干轉(zhuǎn)塔加熱器和油加熱器啟停；(12)油泵和真空/吸取泵的啟停。
　　
　　2.2PLC輸入單元的選擇
　　
　　開關(guān)量輸入單元是把現(xiàn)場各種開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可編程控制器能內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制信號(hào)。按照輸入端電源的不同類型，開關(guān)量輸入單元分為直流輸入單元和交流輸入單元。有時(shí)還可以根據(jù)電壓的高低分為低電壓和高電壓等類型，例如，220VAC開關(guān)量輸入單元、36VAC開關(guān)量輸入單元、24VDC開關(guān)量輸入單元等。由于在該電控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中現(xiàn)場輸入信號(hào)均為直流開關(guān)量輸入，所以選用24VDC開關(guān)量輸入單元。
　　
　　直流輸入單元中R1與R2組成分壓器，電阻R1與C組成阻容信號(hào)的狀態(tài)。光電耦合器隔離輸入電路與可編程控制器內(nèi)部電路的電器連接，并使外部信號(hào)經(jīng)光電耦合轉(zhuǎn)換成為內(nèi)部電路能接收的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)閉合后，外部的直流電壓經(jīng)分壓和阻容濾波后加到光電耦合器的發(fā)光二極管上，經(jīng)光電耦合，光電三極管接收光信號(hào)，并輸出一對(duì)內(nèi)部電路來說是接通的信號(hào)，輸入端的發(fā)光二極管LED點(diǎn)亮，指示現(xiàn)場開關(guān)處于閉合狀態(tài)。該電路設(shè)計(jì)中將LED和光電耦合管設(shè)計(jì)為雙向二極管和雙向光電耦合管,使輸入直流信號(hào)極性可以任意連接，方便現(xiàn)場操作。
　　
　　2.3PLC輸出單元選擇
　　
　　開關(guān)量輸出單元是把可編程控制器的內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開關(guān)量信號(hào)輸出。按照現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的供電單元類型，可分為直流輸出單元(晶體管輸出方式和繼電器輸出方式)和交流輸出單元(可控硅輸出方式和繼電器輸出方式)。根據(jù)該電氣系統(tǒng)改造中執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電單元的類型，以及系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)控制所需的zui高輸出響應(yīng)速度，開關(guān)量輸出單元采用繼電器輸出方式。
　　
　　該輸出單元中繼電器作為開關(guān)器件，同時(shí)又作為隔離器件，電阻R和發(fā)光二極管LED組成輸出狀態(tài)顯示器。當(dāng)可編程控制器輸出一個(gè)接通信號(hào)時(shí)，內(nèi)部電路使繼電器線圈通電，繼電器的接點(diǎn)閉合使負(fù)載得電，同時(shí)，輸出狀態(tài)指示發(fā)光二極管點(diǎn)亮。
　　
　　2.4電路連接安全措施
　　
　　電路連接線都采用屏蔽方式連接，以此提高電氣系統(tǒng)的抗*力。在三相電源輸入端增加限流開關(guān)和濾波器來提高對(duì)變頻器的保護(hù),連接線采用屏蔽方式連接。
　　
　　3、BE橫包包煙機(jī)軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　可編程控制器要完成控制任務(wù)是在其硬件的支持下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成的，這就產(chǎn)生了對(duì)被控對(duì)象條件的滿足時(shí)間與順序執(zhí)行的協(xié)調(diào)問題。由于PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)采用對(duì)整個(gè)程序循環(huán)執(zhí)行的工作方式，也稱循環(huán)掃描方式，即執(zhí)行用戶程序不是執(zhí)行一次就結(jié)束，而是一遍一遍不停的循環(huán)執(zhí)行，直至停機(jī)。如果用戶程序并不長，每一條指令執(zhí)行時(shí)間足夠快，執(zhí)行一次程序所用的時(shí)間足夠短，那么掃描一次程序所用的時(shí)間短到足以保證變量條件不變，即前一次掃描未捕捉到的某一變量的狀態(tài)，保證在下一次掃描程序時(shí)間時(shí)該狀態(tài)變量條件依然存在。這樣就可以解決程序控制與被控對(duì)象控制條件之間存在的不協(xié)調(diào)的矛盾。
　　
　　掃描周期的長短，首先與每條指令執(zhí)行的時(shí)間長短有關(guān)，其次與所用的指令類型及包含的指令條數(shù)有關(guān)。前者取決于主機(jī)的主頻，而后者取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度和程序的編程控制方式。由于BE橫包包煙機(jī)的zui大包裝速度是8000支/分，即每分鐘包裝400包煙，每秒大約7包煙。這就要求PLC的CPU執(zhí)行全程指令的周期T≤0.14s。由于硬件方案中選用的PLC是OMRON-CS1系列，其執(zhí)行基本指令的速度是0.04μs/條，執(zhí)行特殊指令的速度是0.12μs/條。可以計(jì)算由600條左右的指令組成的軟件程序PLC的CPU執(zhí)行全程掃描周期T。
　　
　　該系列的PLC完滿足軟件循環(huán)掃描控制的要求。
　　
　　3.1PLC報(bào)警子程序設(shè)計(jì)
　　
　　在BE電控系統(tǒng)改造中，報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)比較重要，因?yàn)楦脑熘饕轻槍?duì)BE橫包包煙機(jī)包裝過程的各工位包裝情況進(jìn)行檢測并且時(shí)實(shí)顯示器工作情況，對(duì)出現(xiàn)故障的包裝工位進(jìn)行報(bào)警輸出，通過觸摸屏顯示故障點(diǎn)，提示操作人員及時(shí)地排除相關(guān)故障。因此，報(bào)警輸出的正確與否直接關(guān)系到操作人員是否能夠正確操作，迅速地排除故障，提高工作效率和包裝質(zhì)量。由于BE橫包包煙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，其zui大時(shí)速為400包/分，即主電機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分。因而，各包裝工位的停留時(shí)間比較短，包裝工位出現(xiàn)故障時(shí)故障信號(hào)的輸出時(shí)間也就比較短。
　　
　　3.2PLC停車子程序設(shè)計(jì)
　　
　　BE橫包包煙機(jī)停車有不同類型，可分為請(qǐng)求軟停車故障引起的停車，請(qǐng)求制動(dòng)停車故障引起的停車和請(qǐng)求緊急停車故障引起的停車。顯而易見，停車在包裝過程中起著十分重要的作用。在停車故障出現(xiàn)時(shí)，機(jī)器在軟件程序的控制下能否進(jìn)行相應(yīng)故障的停車直接關(guān)系到包裝過程的安全進(jìn)行和包裝質(zhì)量的高可靠性。同樣由于包裝機(jī)主電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，故障信號(hào)輸出并保持的時(shí)間較短，要想使停車故障出現(xiàn)時(shí)機(jī)器停機(jī)并且只有在故障清除后機(jī)器才可以再次啟動(dòng)，以保證操作人員的安全和故障的正確排除，必須在程序中采用保持指令。機(jī)器停車子程序的流程圖如圖6。
　　
　　4、改造后的電控系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
　　
　　改造后的BE橫包包煙機(jī)電控系統(tǒng)調(diào)試完畢投入運(yùn)行后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，不但充分實(shí)現(xiàn)了原電控系統(tǒng)的邏輯控制功能，而且還進(jìn)一步地提高了系統(tǒng)的通用性、可操作性和可維護(hù)性。另外，由于我國目前急待改造的BE橫包包煙機(jī)數(shù)量比較大，因此，該項(xiàng)改造技術(shù)具有很好的市場應(yīng)用前景。