1、MK-95 卷烟机控制系统2009-2-10 14:46:00 姜建芳 周志杰 叶成旭 供稿摘要： 本文以 MK-95 卷烟机组为研究对象，详细论述了卷烟机组的控制原理；并设计了一套以 OMRON C200HE PLC 为控制器，集控制、监控于一体的现代化自动控制系统。生产运行表明，该系统运行稳定可靠，大大提高生产力水平。关键词： 卷烟机 PLC 自动化控制系统Abstract:This paper introduces the control theory of Cigarette Machine based on MK-95 in detail. A suit of automation
2、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 levelof productivity greatly.Key words: Cigarette Machine PLC Automation control system1.引言近年来，
3、国外卷烟机生产厂家（英国 MOLINS 公司，德国 HAUNI 公司等）在研制新型高速卷接机组时，对电气系统进行了彻底改革，完全抛弃了旧的电路设计思想。如英国 MOLINS 公司的新一代 PASSIM 卷接机组的控制电路分别采用了 VME 总线、CAN 总线和 PROFIBUS 等技术，以 PLC 为局域控制器，以 PC/AT 为上位机实现全线生产的自动控制和管理，使整机电路结构合理，不仅具有标准化、通用化的结构设计，而且各部分都有一定的独立性。本课题来源于四川成都卷烟厂的 MK9-5 卷接机组的电气控制系统 PLC 改造项目。该机组的机械部分主要由 MK9-5 卷烟机、PA8-5 接装机和
4、CID-6 烟支检测设备组成。（1 ）MK9-5 卷烟机是国际上较为先进的一种高速卷烟机，由英国莫林（MOLINS）公司生产。它采用目前国际上较为流行的负压风选供丝的方法进行烟条的卷制及烟支的切割成型。（2 ） PA8-5 接装机是英国莫林斯公司生产的，与 MK9-5 卷烟机配套生产过滤嘴香烟的专用机器，能与其他公司生产的机器及辅助设备连机使用（兼容性较强）。它的主要工作是进行滤嘴的切割及烟支的搓合。（3 ）CID-6 烟支检测设备，是专用于检测烟支质量的设备。原 MK9-5 卷接机组的控制系统分三个单元进行控制，即 MK9-5卷烟机控制单元、PA8-5 接装机控制单元和 CID-6 卷烟质量
5、检测单元。成都卷烟厂拥有多台该型卷烟机，从引进至今已运行多年，发现其控制系统经过多年运行，存在诸多问题。本文基于这一工程背景，讨论了 MK9-5 卷接机组电气控制系统 的设计与实现。并针对烟厂卷包车间，研究和探讨了设备远程控制自动化和信息管理自动化相结合的新型集散控制系统的总体设计与系统软件的设计。2.系统的基本组成和原理MK9-5 卷接机组卷制香烟的流程是先将烟丝卷制成烟条，然后印上香烟的品名和牌号，最后经切割成烟支并装上滤嘴棒，制成过滤嘴香烟。具体各部分工艺流程如下：2.1 MK9-5 卷烟机烟支卷制的工艺流程MK9-5 卷烟机烟支卷制的工艺流程见图 1。2.2 PA8-5 接装机的工艺流
6、程PA8-5 接装机的工艺流程见图 2。根据烟机运行情况和当前控制领域的技术水平和发展，该 MK9-5 卷接机组改造的指导思想是：机电分离，集中控制，实时监控。在不改变原控制性能和技术指标的前提下，应根据机器的工作原理、控制过程、功能作用、动作顺序来设计系统。具体的要求有：（1 ）要求电气控制柜单独设置;（2 ）要求将主驱动装置由原滑差调速控制改为变频调速控制;（3 ）要求将气闸制动改为能耗制动;（4 ）要求去掉原有指示灯显示，改用计算机图形文字实现状态显示，参数修改，故障报警等功能;（5 ）CID-6 烟支质量检测单元不在改造之列。根据系统工艺流程控制的要求，改造后的 MK9-5 卷接机组的
7、电气控制系统设计成一种 PLC+通信系统+操作管理机结构的二级集散控制系统。如图 3 所示，整个系统在硬件上由 MK9-5 卷烟机、PA8-5 接嘴机、电气控制柜和触摸屏几大部分组成。3.系统的硬件组成3.1 系统总体设计在本系统中，过程管理级选用了 OMRON 公司的可编程终端PT，即触摸屏用于监控管理，安装在 MK9-5 卷烟机的机身上。触摸屏主要负责实时收集 MK9-5 卷烟机和 PA8-5 接装机的运行数据，记录显示各种报警信息，提供清晰直观的人机界面，集中显示生产状态，以及进行工艺参数的修改，完成系统的监控功能。3.2 电气控制柜的设计电气控制柜安设在 MK9-5 卷烟机的后面，是整
8、个控制系统中的重要组成部分。由于烟机的生产过程是一个高速、高振动和多粉尘的过程，因此大部分控制设备必须放置在单独设立的电气控制柜中，以保证正常工作。电气控制柜内各种控制元件和主要设备的摆放如图 6 所示。下面具体介绍控制柜各部分的选型、组成与功能。根据 MK9-5 卷接机组的控制特点和控制要求，要控制烟机按工艺流程正常运行，必须准确地采集现场的各类信号，并及时准确地给出控制信号。现将系统所涉及到的输入输出点数统计如下：（1） 输入信号本系统中的输入信号总计 85 点，主要包括以下几个方面： 行程开关检测阀门的闭合状态和器件的到位情况，共计22 点。 按钮系统的点动、启动、停车等命令信号，共计
9、27 点。 断路器检测断路器的通断状态，共计，14 点。 接触器检测接触器的工作状态，共计，6 点。 传感器特定状态的检测，计 6 点。 其它连锁信号、报警信号等，共计 25 点。（2）输出信号本系统中的输出信号总计 52 点，主要包括以下几个方面： 按钮灯指示按钮的按下状态，计 10 点。 接触器控制各类电机的起停，计 11 点。 电磁阀控制卷接机组各机件的动作，计 21 点。 其它控制变频器运转和连锁的输出信号，计 10 点。根据以上各类现场信号，本系统选用了日本 OMRON 公司的SYSMAC C200H 系列的中型可编程控制器，并配备了 CPU 模块（C200HE-CPU42-E）、电
10、源模块（C200HW-PA204S）、开关量输入模块（C200H-ID216、C200H-ID211）、开关量输出模块（C200H-OC224）、高速计数模块（C200H-CT021-V）和中断模块（C200HS-INT01）等模块和配件，如附表所列。附表 可编程控制器配件列表本系统中有 14 点的输入信号的回路电压为 12VDC，因此采用了 2 块 C200H-ID211 模块（见图 7），计 16 点。 在实际系统的输入信号中，另外 71 点的回路电压均为 DC24V，宜采用本输入单元。再考虑输入点数的余量，在本系统中共选用了 3 块 32 点的高密输入模块 C200HW-ID216（见图
11、 8），计 96 点。本系统各输出回路使用的电压比较众多复杂，既有直流电，又有交流电。而且电压伏值也是不尽相同，包括 24VDC、110VAC 和 120VAC 等。而本输出模块具有 8 个独立节点，每个节点都有各自的 COM 端，可构成 8 个相互独立的回路，端子接线如图 9 所示。具体每一个回路既可接交流电，又可接直流电，符合系统需要。本系统中共采用了 8 块 C200H-OC224 输出模块，共计 64 点输出。上述各个 PLC 模块共分成两排，分别安装在 PLC 的底板和扩展底板上，如图 10 所示。底板上从左至右依次为电源模块、CPU 模块、输入模块、计数模块和中断模块。本项目中，并
12、未选用通信模块，因此该槽上为一空模块，待今后需要 PLC 进行扩展或联网通信时插入通信模块。扩展底板上安放的是 8 块输出模块。底板与扩展底板之间是通过扩展电缆 C200H-CW311 相连接。4.软件设计4.1 控制软件的设计系统 PLC 控制软件设计的第一步是总体设计，即根据卷接机组的生产工艺流程，将控制流程划分成若干个模块，确定各模块需要完成的不同功能，再将各模块连接起来的设计过程。MK9-5卷接机组的 PLC 控制软件按功能主要可分为点动控制模块，起动控制模块，停机处理模块和辅助功能模块四大部分，其相互关系如图 11 所示。下面简要介绍各模块的控制要求及功能。（1）点动控制模块点动模块
13、主要对 10 多个点动联锁条件进行检测，如图 12 所示。点动条件不满足时，卷接机组无法起动运行。这些点动联锁条件中一部分是为保证烟机的正常运行所设，如切刀电机未起动等；另一部分可被超越开关屏蔽的联锁条件则是为了保护操作人员的安全而设定的，如刀头防护罩未合上等。另外，烟机运行起来后，一旦点动联锁条件不再满足，程序将控制烟机立即停车。当满足点动条件后，按下点动按钮使烟机以 1/6 速度运行，同时接通电磁阀对烟机的烟枪及鼓轮部位进行吹气清洁。松开点动按钮烟机就停止运行。（2）起动控制模块MK9-5 卷接机组在满足点动运行的前提下，还要检测起动联锁条件。在起动条件具备后，按下启动按钮，烟机将以 1/
14、3 速度运行。在 1/3 速度到达时，程序自动判别所选择的操作方式后进行相应操作，如图 13 所示。手动方式下，PVA 胶水供给、烟条加热器放下、烟条折断、进入全速状态均需人工操作；自动方式下以上操作完全由程序自动控制。自动方式程序控制过程如下：机器达 1/3 速时，烟条加热器自动推下。加热器到位时，掉头盘清洁电磁阀断电，同时供给 PVA 胶，开始烟条卷制。1 秒后打条器工作，折断烟条，使烟条进入喇叭嘴。3 秒后跑条监测有效。同时，在烟条进入喇叭嘴后，计数两个烟支脉冲，就确立烟条运行状态，机器进入全速运行状态。接着，按照生产工艺的要求，顺序控制滤嘴、水松纸的供给和涂胶，并使搓板监测器有效，确立
15、合格烟支状态，使机器进入正常运行状态。（3）停机处理模块停机有正常停机，跑条停机，紧急停机，立即停机四种情况，后三种停机为故障停机。这四种停机处理大同小异，下面以自动方式下的正常停机为例进行介绍：自动方式下，按下正常停机按钮，PLC 程序取消搓板阻塞检测，停止供给滤嘴，经 42 个 ECP后，取消合格烟支运行状态。取消合格烟支运行状态 56 个 ECP 后，停止水松纸涂胶。再间隔 32 个 ECP 后，停供水松纸。与此同时收集未涂胶的水松纸。取消合格烟支运行状态 104 个 ECP 后，接通干燥鼓轮剔除电磁阀，剔除不合格烟支。取消合格烟支运行状态 168 个 ECP 后，即合格烟支进入下游设备
16、后发出停机指令，取消运行状态，接通能耗制动。并使烟枪冷却电磁阀释放，PVA 供给电磁阀释放，烟条加热器弹起,机器停止运行。（4）辅助功能模块辅助模块在图 11 中未体现，它包括跑条处理、烟丝料斗控制、搓板阻塞处理、ECP 检测、蜘蛛架控制和 PT 通信等辅助子模块。程序中用 JMP/JMPE 跳转指令分别对它们进行了子模块调用，取得了良好的控制效果。4.2 PT 监控软件的设计本系统最终考虑到触摸屏具有价格低，功能完备，集成度高，编程简易、开发周期短等优点，采用了 OMRON 公司的可编程终端（PT）即触摸屏及配套软件来开发 MK9-5 卷接机组的监控系统。系统采用的可编程终端的型号是 NT6
17、31C。根据本系统的控制特点和要求，可编程终端 NT631C 上设计的监控软件，主要功能是通过直观清晰的图形画面显示系统和相关设备的运行状态等实时信息，同时建立报警系统和设备错误数据库，并提出合理的改正措施，给车间工人的操作和维修以极大的方便。而对于直接生产过程的控制主要由现场控制站 PLC 来完成，监控机的参与需要较少本系统中，可编程终端（PT）上的画面数据是在 Windows95 环境下，使用“Windows 95 的 NT 支持工具”（下面称为“支持工具” ）开发的。用支持工具建立画面的步骤如图 14 所示：在画面数据的制作过程中，内存表的设定和画面的制作是最重要的两步。内存表是 PT
18、的重要系统资源，是 PT 中用来存储数字值和串数据的区域。这些区域是用来与 PLC 通讯的。在可编程终端 NT631C 中，拥有数字内存表、字符串内存表、位内存表、I/O 注释表等多张内存表。5.结束语作者参加了四川成都卷烟厂的 MK9-5 卷接机组的电气控制系统 PLC 改造项目，参加了电气控制系统的总体规划和设计选型，完成了系统原理图和接线图的设计与制作，编写了系统的下位 PLC 控制程序及上位监控软件，并赴现场完成了调试。本文主要基于这一工程背景，讨论了系统的软、硬件设计和触摸屏的应用，并对烟厂卷包车间的集散控制系统进行了研究。四川成都卷烟厂的 MK9-5 卷烟机组的电气控制系统顺利通过验收，运行情况良好，大大提高了生产的自动化水平，提高了生产效率，取得了明显的经济效益。由此可见，对老式进口卷烟机的控制系统进行 PLC 改造和实现烟机的联网监制大有推广前途。作者简介姜建芳 男 南京理工大学自动化学院 教授 高级工程师 从事自动控制系统的教学和科研工作多年，先后设计自动化控制系统 20多项。
