摘要： 本文以MK-95卷煙機組為研究對象，詳細論述了卷煙機組的控制原理；并設計了一套以OMRON C200HE PLC為控制器，集控制、監控于一體的現代化自動控制系統。生產運行表明，該系統運行穩定可靠，大大提高生產力水平。 關鍵詞： 卷煙機 PLC 自動化控制系統 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，國外卷煙機生產廠家（英國MOLINS公司，德國HAUNI公司等）在研制新型高速卷接機組時，對電氣系統進行了徹底改革，完全拋棄了舊的電路設計思想。如英國MOLINS公司的新一代PASSIM卷接機組的控制電路分別采用了VME總線、CAN總線和PROFIBUS等技術，以PLC 為局域控制器，以PC/AT為上位機實現全線生產的自動控制和管理，使整機電路結構合理，不僅具有標準化、通用化的結構設計，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卷接機組的電氣控制系統PLC改造項目。該機組的機械部分主要由MK9-5卷煙機、PA8-5接裝機和CID-6煙支檢測設備組成。 （1）MK9-5卷煙機是國際上較為先進的一種高速卷煙機，由英國莫林（MOLINS）公司生產。它采用目前國際上較為流行的負壓風選供絲的方法進行煙條的卷制及煙支的切割成型。 （2） PA8-5接裝機是英國莫林斯公司生產的，與MK9-5卷煙機配套生產過濾嘴香煙的專用機器，能與其他公司生產的機器及輔助設備連機使用（兼容性較強）。它的主要工作是進行濾嘴的切割及煙支的搓合。 （3）CID-6煙支檢測設備，是專用于檢測煙支質量的設備。原MK9-5卷接機組的控制系統分三個單元進行控制，即MK9-5卷煙機控制單元、PA8-5接裝機控制單元和CID-6卷煙質量檢測單元。 成都卷煙廠擁有多臺該型卷煙機，從引進至今已運行多年，發現其控制系統經過多年運行，存在諸多問題。本文基于這一工程背景，討論了MK9-5卷接機組電氣控制系統 的設計與實現。并針對煙廠卷包車間，研究和探討了設備遠程控制自動化和信息管理自動化相結合的新型集散控制系統的總體設計與系統軟件的設計。 2.系統的基本組成和原理 MK9-5卷接機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卷煙機煙支卷制的工藝流程 MK9-5卷煙機煙支卷制的工藝流程見圖1。 2.2 PA8-5接裝機的工藝流程 PA8-5接裝機的工藝流程見圖2。 根據煙機運行情況和當前控制領域的技術水平和發展，該MK9-5卷接機組改造的指導思想是：機電分離，集中控制，實時監控。在不改變原控制性能和技術指標的前提下，應根據機器的工作原理、控制過程、功能作用、動作順序來設計系統。具體的要求有： （1）要求電氣控制柜單獨設置; （2）要求將主驅動裝置由原滑差調速控制改為變頻調速控制; （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，改用計算機圖形文字實現狀態顯示，參數修改，故障報警等功能; （5）CID-6煙支質量檢測單元不在改造之列。 根據系統工藝流程控制的要求，改造后的MK9-5卷接機組的電氣控制系統設計成一種PLC+通信系統+操作管理機結構的二級集散控制系統。如圖3所示，整個系統在硬件上由MK9-5卷煙機、PA8-5接嘴機、電氣控制柜和觸摸屏幾大部分組成。 3.系統的硬件組成 3.1 系統總體設計 在本系統中，過程管理級選用了OMRON公司的可編程終端PT，即觸摸屏用于監控管理，安裝在MK9-5卷煙機的機身上。觸摸屏主要負責實時收集MK9-5卷煙機和PA8-5接裝機的運行數據，記錄顯示各種報警信息，提供清晰直觀的人機界面，集中 顯示生產狀態，以及進行工藝參數的修改，完成系統的監控功能。 3.2 電氣控制柜的設計 電氣控制柜安設在MK9-5卷煙機的后面，是整個控制系統中的重要組成部分。由于煙機的生產過程是一個高速、高振動和多粉塵的過程，因此大部分控制設備必須放置在單獨設立的電氣控制柜中，以保證正常工作。電氣控制柜內各種控制元件和主要設備的擺放如圖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MK9-5卷接機組的控制特點和控制要求，要控制煙機按工藝流程正常運行，必須準確地采集現場的各類信號，并及時準確地給出控制信號。現將系統所涉及到的輸入輸出點數統計如下： （1） 輸入信號 本系統中的輸入信號總計85點，主要包括以下幾個方面： • 行程開關——檢測閥門的閉合狀態和器件的到位情況，共計22點。 • 按鈕——系統的點動、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，共計，14點。 • 接觸器——檢測接觸器的工作狀態，共計，6點。 • 傳感器——特定狀態的檢測，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，計10點。 • 接觸器——控制各類電機的起停，計11點。 • 電磁閥——控制卷接機組各機件的動作，計21點。 • 其它控制變頻器運轉和連鎖的輸出信號，計10 點。 根據以上各類現場信號，本系統選用了日本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）、開關量輸入模塊（C200H-ID216、C200H-ID211）、開關量輸出模塊（C200H-OC224）、高速計數模塊（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。再考慮輸入點數的余量，在本系統中共選用了3塊32點的高密輸入模塊C200HW-ID216（見圖8），計96點。 本系統各輸出回路使用的電壓比較眾多復雜，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個獨立節點，每個節點都有各自的COM端，可構成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，符合系統需要。本系統中共采用了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進行擴展或聯網通信時插入通信模塊。擴展底板上安放的是8塊輸出模塊。底板與擴展底板之間是通過擴展電纜C200H-CW311相連接。 4.軟件設計 4.1 控制軟件的設計 系統PLC控制軟件設計的第一步是總體設計，即根據卷接機組的生產工藝流程，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計過程。MK9-5卷接機組的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，停機處理模塊和輔助功能模塊四大部分，其相互關系如圖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多個點動聯鎖條件進行檢測，如圖12所示。點動條件不滿足時，卷接機組無法起動運行。這些點動聯鎖條件中一部分是為保證煙機的正常運行所設，如切刀電機未起動等；另一部分可被超越開關屏蔽的聯鎖條件則是為了保護操作人員的安全而設定的，如刀頭防護罩未合上等。另外，煙機運行起來后，一旦點動聯鎖條件不再滿足，程序將控制煙機立即停車。 當滿足點動條件后，按下點動按鈕使煙機以1/6速度運行，同時接通電磁閥對煙機的煙槍及鼓輪部位進行吹氣清潔。松開點動按鈕煙機就停止運行。 （2）起動控制模塊 MK9-5卷接機組在滿足點動運行的前提下，還要檢測起動聯鎖條件。在起動條件具備后，按下啟動按鈕，煙機將以1/3速度運行。在1/3速度到達時，程序自動判別所選擇的操作方式后進行相應操作，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、進入全速狀態均需人工操作；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：機器達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，使煙條進入喇叭嘴。3秒后跑條監測有效。同時，在煙條進入喇叭嘴后，計數兩個煙支脈沖，就確立煙條運行狀態，機器進入全速運行狀態。接著，按照生產工藝的要求，順序控制濾嘴、水松紙的供給和涂膠，并使搓板監測器有效，確立合格煙支狀態，使機器進入正常運行狀態。 [align=center] [/align] （3）停機處理模塊 停機有正常停機，跑條停機，緊急停機，立即停機四種情況，后三種停機為故障停機。這四種停機處理大同小異，下面以自動方式下的正常停機為例進行介紹：自動方式下，按下正常停機按鈕，PLC程序取消搓板阻塞檢測，停止供給濾嘴，經42個ECP后，取消合格煙支運行狀態。 取消合格煙支運行狀態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168個ECP后，即合格煙支進入下游設備后發出停機指令，取消運行狀態，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,機器停止運行。 （4）輔助功能模塊 輔助模塊在圖11中未體現，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跳轉指令分別對它們進行了子模塊調用，取得了良好的控制效果。 4.2 PT監控軟件的設計 本系統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、開發周期短等優點，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MK9-5卷接機組的監控系統。系統采用的可編程終端的型號是NT631C。根據本系統的控制特點和要求，可編程終端NT631C上設計的監控軟件，主要功能是通過直觀清晰的圖形畫面顯示系統和相關設備的運行狀態等實時信息，同時建立報警系統和設備錯誤數據庫，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。而對于直接生產過程的控制主要由現場控制站PLC來完成，監控機的參與需要較少本系統中，可編程終端（PT）上的畫面數據是在Windows95環境下，使用“Windows 95的NT支持工具”（下面稱為“支持工具” ）開發的。用支持工具建立畫面的步驟如圖14所示： 在畫面數據的制作過程中，內存表的設定和畫面的制作是最重要的兩步。內存表是PT的重要系統資源，是PT中用來存儲數字值和串數據的區域。這些區域是用來與PLC通訊的。在可編程終端NT631C中，擁有數字內存表、字符串內存表、位內存表、I/O注釋表等多張內存表。 5.結束語 作者參加了四川成都卷煙廠的MK9-5卷接機組的電氣控制系統PLC改造項目，參加了電氣控制系統的總體規劃和設計選型，完成了系統原理圖和接線圖的設計與制作，編寫了系統的下位PLC控制程序及上位監控軟件，并赴現場完成了調試。本文主要基于這一工程背景，討論了系統的軟、硬件設計和觸摸屏的應用，并對煙廠卷包車間的集散控制系統進行了研究。四川成都卷煙廠的MK9-5卷煙機組的電氣控制系統順利通過驗收，運行情況良好，大大提高了生產的自動化水平，提高了生產效率，取得了明顯的經濟效益。由此可見，對老式進口卷煙機的控制系統進行PLC改造和實現煙機的聯網監制大有推廣前途。 作者簡介 姜建芳 男 南京理工大學自動化學院 教授 高級工程師 從事自動控制系統的教學和科研工作多年，先后設計自動化控制系統20多項。